RubisCO的研究进展

1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)是调节光合和光呼吸,决定净光合作用的一个关键酶;也是植物可溶性蛋白质中含量最高的蛋白质.该酶广泛存在于植物及一些微生物体内.综述了近年来有关RubisCO的一些研究进展. 包括RubisCO的基本性质、结构与功能、酶基因工程、酶活性调节及其活化酶等.     

多能硫杆菌RubisCO基因鉴定以及在大肠杆菌中的表达

多能硫杆菌(Thiobacillus versutus)是兼性化能自养细菌,在生理学和分类学上具有重要的地位,也是研究硫杆菌生理、生化、遗传学的理想材料。该菌通过卡尔文循环固定CO_2,其关键酶是1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(简称RubisCO)。我们从多能硫杆菌中分离得到的RubisCO基因片段能够在大肠杆菌细胞中表达,说明自养细菌与异养细菌在基因表达方面是相似的。     

毛竹林集约经营对土壤固碳细菌群落结构和多样性的影响

为揭示毛竹集约经营对土壤固碳细菌的影响,分别采集集约经营时间为0、10、15、20年和25年的毛竹林土壤(0—20 cm和20—40 cm)土壤,应用实时荧光定量PCR、T-RFLP以及cbbL基因文库方法,分析毛竹林长期集约经营过程中土壤固碳细菌丰度和群落结构多样性的变化,通过冗余分析(RDA)探讨影响土壤固碳细菌群落的主要环境因素。结果表明,长期的集约经营显著提高了毛竹林表层和亚表层土壤的养分含量,土壤pH值却明显降低。集约经营毛竹林土壤固碳微生物数量并未表现出与SOC的相关性,而与N素水平的变化显著相关。具体表现为:随着集约经营的进行表层cbbL基因丰度呈先上升(10年)后下降的规律,与氮素水平呈正相关(P0.05);亚表层土壤cbbL基因丰度则呈直线下降的趋势,与C∶N呈正相关(P0.05)。集约经营导致表层和亚表层土壤微生物群落结构改变,表层固碳细菌多样性指数下降。由系统发育分析可知,不可培养固碳细菌占56%比例,土壤中共同的优势种类多为变形菌和放线菌,以兼性自养为主。RDA分析结果表明土壤酸化和养分积累是毛竹林土壤固碳细菌群落和多样性变化的重要原因。     

羧酶体结构及其CO_2浓缩机制研究进展

羧酶体(Carboxysome)是高效的固碳微体,在CO2浓缩机制(CO2-concentrating mechanism,CCM)中发挥重要作用。在蓝藻及某些化能自养菌中,羧酶体作为类细胞器包裹1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)和碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA),它与无机碳转运蛋白共同在胞质中积累HCO3–,通过增加RubisCO周围的CO2浓度来提高固碳效率。随着羧酶体结构和功能的阐明,异源表达羧酶体已成功实现,并且已鉴定出编码羧酶体壳蛋白及内部组分的基因。首先简要介绍羧酶体的发现和种类,然后系统分析其结构及在CCM机制中的作用,并对其在代谢工程上的广阔应用前景进行了展望。     

火烧对马尾松林土壤酶活性和有机碳组分的影响

土壤酶参与土壤有机质矿化过程,林火能通过改变土壤中微生物的群落结构等来改变土壤酶的活性,进而影响土壤有机碳的动态过程。土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分,火烧会使土壤有机碳组分发生变化,研究火烧后土壤有机碳组分的变化对于土壤有机碳库的管理具有重要意义。以我国中亚热带典型马尾松人工林火烧迹地为研究对象,通过对比研究,探讨了火烧对土壤酶活性和土壤有机碳组分的影响以及两者之间的关系。结果表明:(1)与对照相比,火烧后一年0—10 cm土层土壤p H值明显升高(P0.05),土壤总碳含量显著降低(P0.05),土壤全氮含量平均降低17.5%(P0.05)。0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤含水量均显著低于对照(P0.05)。(2)相比对照,土壤β-葡萄糖苷酶活性在0—10 cm土层显著降低(P0.05),土壤酚氧化物酶活性和过氧化物酶活性显著升高(P0.05)。(3)火烧后一年0—10 cm土层土壤微生物量碳、土壤颗粒性有机碳、土壤易氧化碳含量比对照分别降低26.4%、30.9%和2.69%,但无显著差异,土壤溶解性有机碳含量则显著降低(P0.05);两个土层土壤不稳定有机碳含量和粘粒有机碳含量变化不显著。     

原核生物RubisCO的研究进展

核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)羧化酶/加氧酶(RubisCO)是Calvin循环中的关键酶,也是地球上最丰富的酶,广泛地存在于一些原核生物、真核生物以及高等植物中.对原核生物RubisCO的结构、活化、动力学性质、基因结构表达与调节、基因工程等方面的最新进展作一综述.     

羧基阿拉伯糖醇—1,5—二磷酸的制备

光合CO_2的固定受二磷酸核酮糖羧化酶加氧酶(Rubis CO)活性的调节,而RubisCO的活性又决定于该酶活化形式酶~(-A)CO_2-Mg~(2 )-二磷酸核酮糖(E-~ACO_2-Mg~(2 )-RuBP)复合物的数量,羧基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸(CABP)是RuBP强有力的竞争     

多能硫杆菌RubisCO基因同源性分析

以氧化亚铁硫杆菌1,5—二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)基因为探针,与氧化硫硫杆菌和多能硫杆菌的染色体DNA杂交。结果表明,氧化硫硫杆菌的染色体DNA能够与氧化亚铁硫杆菌RubisCO基因探针杂交。而多能硫杆菌不能与其杂交,然而却能够与球形红杆菌RubisCO基因探针杂交,同源性高。由于RubisCO在进化上的高度保守性,因此认为它们在RubisCO进化关系上应属于不同的类群。     

大青山不同树种根围土壤酶活性与微生物群落丰度的研究

针对大青山山地森林不同树种的根围土壤,探讨微生物丰度与土壤酶活性之间的联系以及受控因子。利用荧光实时定量PCR方法研究不同树种土壤微生物丰度的变化情况,分析土壤β-葡萄糖苷酶(βG)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和过氧化物酶(Pod)活性以及土壤理化性质的变化趋势。采用主成分分析(PCA)和皮尔森相关性分析方法研究土壤理化因子对土壤微生物群落丰度的影响。结果显示,土壤理化性质和微生物细菌、真菌群落丰度从春季到秋季均显著增高,如有机碳、全氮、微生物量碳和氮数量及细菌、真菌丰度等;大青山森林土壤βG、Pod酶活性夏季较高,而NAG酶活性秋季较高。皮尔森相关性分析表明大青山不同树种土壤酶活性与土壤微生物丰度有明显的相关性。与NAG酶活性极显著正相关(P0.05);与Pod酶活性呈极显著负相关(P0.05);而βG只与细菌群落丰度呈极显著负相关(P0.05)。土壤理化因子(有机碳、全氮、微生物量碳氮)与土壤微生物群落丰度均表现为极显著正相关。主成分分析认为,土壤有机碳、全氮、微生物量碳和氮、细菌和真菌群落丰度、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶等可作为影响不同树种根围土壤养分特性的重要因子。在大青山山地森林生态系统,不同树种对土壤理化指标、土壤微生物丰度和土壤酶活性影响较大,并且随着季节变化响应较强。理化指标和土壤微生物群落丰度是调控大青山森林植被根围土壤微生物群落的主要生态因子。     

温带森林不同海拔土壤有机碳及相关胞外酶活性特征

研究测定了老秃顶子温带森林生态系统7个海拔土壤不同形态碳和相关水解酶、氧化还原酶活性,分析了土壤有机碳及相关酶活性沿海拔梯度的影响因素.结果表明: 随海拔升高,土壤有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)和可溶性有机碳(DOC)含量显著增加,而在海拔825～1233 m之间没有显著变化,DOC/SOC则显著下降;土壤α葡萄糖苷酶、β葡萄糖苷酶、木糖苷酶和纤维二糖水解酶活性显著增加;土壤SOC、POC、DOC、全氮(TN)含量及土壤含水量(SMC)与土壤水解酶活性呈显著正相关;过氧化物酶(POD)活性在低海拔(675 m)落叶松人工林显著低于其他海拔,POD活性与土壤碳氮(SOC、TN、POC、DOC)含量及SMC呈显著正相关,而土壤多酚氧化酶(PPO)活性在海拔947 m落叶阔叶林带和海拔825 m红松林中较高,且仅与土壤pH呈显著正相关,表明土壤酸度是驱动PPO酶活性的主要因素.在温带森林生态系统中,土壤养分含量和含水量是影响土壤水解酶海拔分布的重要因素.     

藏北高原草甸土壤固碳微生物群落特征随海拔和季节的变化

研究土壤固碳微生物丰度、群落结构、多样性差异及其影响因子对了解青藏高原土壤碳循环和固碳潜力具有重要意义。采用定量PCR(qPCR)、末端限制性片段分析(T-RFLP)、克隆文库和测序方法,研究了青藏高原草甸土壤固碳微生物丰度与群落结构随海拔和季节的变化,主要结果如下:1)随海拔升高高寒草甸土壤固碳微生物丰度显著升高,但季节变化不明显,不同类别微生物固碳基因cbbL丰度依次为:Form ICForm IABForm ID,其中Form IC类固碳微生物可达10~8拷贝数/g土壤,cbbL基因丰度与海拔、土壤含水量和铵态氮含量(NH_4~+-N)呈正相关关系,与土壤温度和pH值负相关;2)固碳微生物多样性和丰富度随海拔升高而升高,在4800m达到最大,且二者受季节影响较小,其群落结构随海拔升高而逐渐变化,主要受土壤pH值、海拔和土壤水分影响;3)Form IC类固碳微生物主要包括放线菌门和和变形菌门,其中α变形菌门是高寒草甸土壤优势固碳微生物类群。本研究有助于理解土壤微生物群落功能及其在土壤碳循环过程中的作用,为更准确评估高寒草甸土壤碳循环过程提供了科学依据。     

纳木错湖水体固碳微生物数量、群落结构及其驱动因子

湖泊是微生物固碳的主要生态系统之一,但青藏高原湖泊水体固碳微生物群落的研究还罕见报道。以纳木错为例,采用定量PCR和克隆文库方法,研究湖水中cbbL ID基因丰度和固碳微生物群落组成,并分析其与环境参数的关系。结果显示:纳木错湖水中存在较高丰度的cbbL ID类型固碳微生物,从表层到底层呈增加趋势,T2点底层达到最高值(6.37×10~8拷贝L~(-1)湖水)。cbbL ID类型固碳微生物共分四个类群,即不等鞭毛类(Stramenopiles),定鞭藻纲(Haptophyceae),蓝藻(Cyanobacteria)和隐藻门(Cryptophyta)。其中占主要的是Stramenopiles和Haptophyceae。Stramenopiles类群的多样性较高(含7个纲,13个科),其他类群只有1个科。相关性分析表明Stramenopiles和Haptophyceae出现频率存在显著的负相关关系(P0.01)。湖水深度和pH与湖水cbbL ID基因丰度显著相关(P0.05,P0.01)。叶绿素含量与Stramenopiles和Haptophyceae出现频率显著相关(P0.01)。     

衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复对土壤活性有机碳库的影响

为了解植被恢复对土壤活性有机碳库的影响,采用空间代替时间序列方法,对衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复对土壤活性有机碳含量和分布进行研究。结果表明,土壤有机碳(SOC)、微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(DOC)、轻组有机碳(LFOC)和易氧化碳(ROC)含量均以乔灌阶段最高(P0.05),随土层加深显著减小(P0.05)。随恢复进程,MBC/SOC、DOC/SOC和ROC/SOC显著增加(P0.05);0~20 cm土层,LFOC/SOC随恢复显著增加(P0.05),而20~40 cm土层,LFOC/SOC的差异不明显(P0.05)。随土层加深,LFOC/SOC显著减小(P0.05),DOC/SOC、MBC/SOC和ROC/SOC逐渐增加(P0.05)。SOC、MBC、DOC、LFOC和ROC间存在极显著正相关关系(P0.01)。各类活性有机碳库与土壤含水量(SWC)、全氮(TN)、碱解氮(AN)和速效磷(AP)呈显著或极显著正相关关系(P0.05或P0.01),与土壤容重(BD)呈极显著负相关关系。因此,植被恢复在一定程度上可提高衡阳紫色土丘陵坡地土壤活性有机碳的形成和积累,增加土壤碳储量。     

长期施肥对稻田土壤固碳功能菌群落结构和数量的影响

微生物固碳在减缓全球气候变化、实现人类可持续发展方面具有重要的意义,通过揭示长期不同施肥制度对土壤固碳细菌的影响规律,可以为我国稻田土壤科学施肥,稻田固碳和温室气体减排的共轭双赢作用提供重要的理论依据。以湖南宁乡国家级稻田肥力变化长期定位试验为平台,采用PCR-克隆测序和实时荧光定量(Real-time)PCR技术,研究不施肥(CK),氮磷钾肥（NPK）和秸秆还田（NPKS）3种长期施肥制度对稻田土壤固碳细菌群落结构及数量的影响。通过分析固碳细菌cbbL基因文库发现,长期施肥导致土壤固碳细菌种群结构产生了明显差异,NPK和NPKS处理中兼性自养固碳菌群落优势增加而严格自养固碳菌生长受到抑制。LUBSHUFF软件统计分析显示cbbL基因文库在CK、NPK及NPKS处理间均存在显著性差异。 3种施肥处理的稻田土壤细菌cbbL基因拷贝数为3.35?108 —5.61?108每克土,施肥后,土壤细菌cbbL基因数量增加,其中NPKS处理cbbL数量最多,是CK处理的1.5倍左右。稀疏曲线则显示长期施化肥导致细菌cbbL基因多样性高于NPKS,而NPKS高于CK。上述结果表明了长期施肥对土壤固碳细菌群落结构,多样性及数量均有显著的影响。本研究结果可为深入探讨稻田土壤微生物固碳潜力及其影响机理提供有力的依据。     

北京松山天然油松林土壤有机碳分布及其影响因素

随着全球气候的变化,森林土壤有机碳作为碳库的重要组成部分,成为森林碳循环研究的重点之一。以北京松山8块不同林龄天然油松林样地为研究对象,通过方差分析及方差分解的方法分析不同林龄土壤有机碳、碳密度的分布特征及影响因素,结果表明:(1)该地区油松林土壤碳含量平均值为20.61 g·kg~(-1);土壤碳密度为153.67 t·hm~(-2),低于中国森林生态系统平均值(193.55 t·hm~(-2))。同一林龄土壤有机碳含量随土壤深度的增加而显著降低(P0.05)。(2)在0~50 cm土层,不同林龄土壤有机碳含量普遍存在显著差异性(P0.05),在50~100 cm层差异不显著。随着林龄增大,土壤碳密度显著增加(P0.05)。各土层土壤碳密度与土壤碳含量随林龄变化趋势并不一致。中龄林、近熟林、成熟林、过熟林土壤有机碳均集中分布在较浅表层(0~30 cm),分别占总土层有机碳含量的81.1%、83.6%、82.5%、81.7%。(3)土壤各层碳含量、碳密度与土壤含水量呈显著相关(P0.001,P0.05),各层土壤碳含量与土壤容重呈显著负相关(P0.05)。各样地土壤平均碳含量(ACC)、碳密度(ACD)与地形因子、林分特征因子以及土壤因子之间普遍存在显著关联。地形模型、林分特征模型、土壤模型对ACC、ACD方差的解释程度具有一定的差异性。总体而言,林分特征模型能较好地解释ACD方差,地形因子模型、土壤因子模型对结果解释程度相对偏低。林分特征模型和土壤模型结合起来能较好地解释ACC方差,地形因子模型对结果解释程度不高。     

水文管理措施对长白山区恢复泥炭地土壤酶活性的影响

以长白山区天然泥炭地、不同水文管理的恢复泥炭地(高水位、高-低水位循环和低水位)及退化泥炭地(弃耕地)为研究对象,分析水文管理措施对恢复泥炭地表层土壤(0～10 cm)酶活性的影响及其驱动因素。结果表明：泥炭地土壤β-1,4-葡萄糖苷酶和β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性表现为天然泥炭地>恢复泥炭地>退化泥炭地;退化泥炭地土壤酸性磷酸酶活性显著低于天然泥炭地和恢复泥炭地;多酚氧化酶活性在天然泥炭地最低。在恢复泥炭地,随着恢复区管理水位的下降,土壤β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶和酸性磷酸酶活性均逐渐降低,土壤多酚氧化酶活性表现为高-低水位循环恢复区最低。相关分析表明,土壤β-1,4-葡萄糖苷酶活性和β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性均与土壤有机碳、含水量、水位和全氮含量呈显著正相关,与pH和全磷含量呈显著负相关;土壤酸性磷酸酶活性与水位呈显著正相关,与pH和全磷含量呈显著负相关;土壤多酚氧化酶活性与土壤有机碳、含水量和全氮含量呈显著负相关。RDA分析表明,环境因子共可解释研究区土壤酶活性变异的81.2%,水位和土壤有机碳是影响研究区土壤酶活性的主...     

半干旱区沙质退化草地造林对土壤质量的影响

采用野外调查与室内培养相结合的方法,研究了我国北方半干旱区科尔沁沙地退化草地营造樟子松人工林32年后0～10 cm表层土壤理化性状、土壤碳氮矿化量、土壤微生物量以及土壤酶活性等的变化. 结果表明32年生樟子松人工林土壤有机碳、全氮和全磷等养分含量分别下降了21%、42%和45%;5月和11月樟子松人工林土壤NH4 -N显著高于草地(P=0.001;P=0.019),而5、8和11月草地土壤NO3--N含量显著高于樟子松人工林(P＜0.001;P=0.048;P=0.031);5、8和11月樟子松人工林土壤有机碳日矿化释放的CO2-C量均大于草地,而二者土壤氮矿化率差异不显著(P＞0.05);5和8月樟子松人工林土壤微生物量碳含量与草地相比差异不显著,11月则显著高于草地;土壤养分和水分含量是影响土壤微生物量碳含量的重要因素;与草地相比,樟子松人工林土壤脲酶和蔗糖酶活性降低,而土壤过氧化氢酶活性升高. 上述结果说明半干旱区沙质退化草地营造樟子松人工林32年后土壤质量出现一定程度的下降;由于植被的改变,樟子松人工林土壤理化性状和生物学性状等表现出与草地不同的季节动态特征.造林作为我国北方半干旱区沙地退化生态系统的一种恢复手段具有一定的局限性.     

小陇山不同林龄锐齿栎林土壤有机碳和全氮积累特征

以甘肃小陇山林区3个林龄阶段(中龄林、近熟林和成熟林)的锐齿栎(Quercus aliena var.acuteserrata)天然次生林为对象,研究了土壤中有机碳和全氮的垂直分布及其积累特征。结果表明:林地土壤有机碳和全氮含量在各龄级土壤剖面中的垂直变化规律一致,表层土壤中含量最高,随着土层深度逐渐降低。1 m土层范围有机碳和全氮密度随着林龄的增加而增加,中龄林、近熟林和成熟林的碳密度分别为122.92、242.21t/hm~2和280.53 t/hm~2,龄组之间差异显著(P0.05);3个林龄阶段的土壤全氮密度分别为10.37、18.94t/hm~2和24.76 t/hm~2,差异显著(P0.05)。有机碳和全氮密度在0—20 cm土层中占有很高比重,达37%—56%。土壤有机碳与全氮含量呈极显著的线性正相关(P0.0001)。土壤有机碳和全氮积累速率随林龄阶段存在差异,在生长旺盛期(中龄林-近熟林)的土壤有机碳(10.84 t hm~(-2)a~(-1))和全氮(0.78 t hm~(-)2a~(-1))的积累速率要大于成熟期(近熟林-成熟林)的土壤有机碳(1.92 t hm~(-2)a~(-1))和全氮(0.29 t hm~(-2)a~(-1))积累速率。     

原状土与非原状土对土壤自养微生物碳同化能力的影响

自养微生物在土壤中广泛存在,但原状土与非原状土对其CO2同化能力的影响尚不明确。因此,本研究采用14C连续标记示踪技术,选取亚热带区4种典型土壤进行室内模拟培养,探讨了原状土与非原状土对农田土壤自养微生物碳同化能力及其对土壤碳库活性组分的影响。结果表明:连续标记培养110 d后,原状土与非原状土样均表现出可观的CO2同化能力,根据估算,非原状土、原状土的CO2同化速率分别为0.015~0.148、0.007~0.050 g·m-2·d-1,说明土壤受扰动可能加剧自养微生物的活性,增强土壤自养微生物的CO2同化能力。相关分析表明,土壤自养微生物同化碳(14C-SOC)与其微生物截留碳(14CMBC)呈极显著正相关(R2=0.955)。而且,土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和土壤有机碳(SOC)的更新率分别为:0.9%~4.5%、2.2%~9.7%和0.09%~0.43%(原状土);0.26%~1.09%、3.6%~20%和2.9%~5.7%(非原状土)。土壤自养微生物同化碳的输入对土壤活性碳组分的DOC、MBC含量变化影响较大,而对SOC影响较小。本研究丰富和扩大了土壤微生物的基本功能和在土壤碳循环过程中作用的认识。     

三江源地区主要草地类型土壤碳氮沿海拔变化特征及其影响因素

以三江源地区主要草地类型为研究对象,分析了不同草地类型土壤有机碳和全氮的变化特征及其与环境因子、土壤特征等的相互关系。结果表明:沿着海拔的逐渐升高,土壤有机碳和全氮含量均呈现出 “V"字形变化规律,即土壤有机碳氮含量在海拔最高处(5 120 m)和最低处(4 176 m)比较高,而在中间海拔梯度较低,土壤有机碳与全氮含量极显著相关( r=0.905)且高寒草甸土壤碳、氮含量高于高山草原土壤碳、氮含量;土壤中有机碳含量和全氮含量均随着土壤含水量的增加而增加,偏相关分析结果表明:对0~30 cm土层中土壤有机碳和土壤全氮影响最大的是土壤含水量,偏相关系数为0.946 5、0.905 9(p<0.01);土壤有机碳含量和全氮含量与植被盖度和草地生产力存在正相关趋势;土壤有机碳含量和全氮含量与土壤pH值和全盐量存在负相关趋势。