黄土丘陵半干旱区引种禾草柳枝稷的生物量与水分利用效率

加强优良引种禾草植物的生态适应性研究对促进我国黄土高原半干旱区草地建设和草业科学发展具有十分重要的意义。比较研究了引种禾草柳枝稷(Panicumvirgatum)在黄土丘陵半干旱区不同立地条件下地上生物量的大小和季节累积差异及其水分利用特征。2001~2002年川地柳枝稷草地地上生物量达13000~16000kg/hm2,山地梯田和坡地为2300~2650kg/hm2。不同立地条件柳枝稷返青后的生物量累积过程呈二次或三次多项式。柳枝稷的绝对生长速率(AGR)在整个生长季内呈双峰曲线变化,川地柳枝稷草地的现存量和总量AGR最大值分别为158.93和169.83kg/(hm2·d),梯田分别为27.31和38.25kg/(hm2·d),坡地为37.0和36.69kg/(hm2·d)。坡地柳枝稷生物量较大值和AGR最大值出现时间最早。不同立地柳枝稷生物量相对生长速率(RGR)在整个生长季内呈双峰曲线变化,均以返青后的20d内最大,平均AGR以川地最大,坡地和梯田相近,但坡地两峰值高于梯田。不同立地柳枝稷草地土壤水分主要利用层次为0~2m,月平均含水量顺序为梯田>坡地>川地。川地柳枝稷叶片和整体生物量水分利用效率均最高,梯田整体生物量水分利用效率大于坡地,但二者叶片水分利用效率相近。川地和山地地表下5cm生育期平均地温均为17.60℃,但4~5月份川地地温高出山地1.2~2.8℃,川地4~10月份平均气温较山地高1.5℃,这些差异影响不同立地条件柳枝稷草地水分利用和生长进程。     

不同盐胁迫对柳枝稷生物量、品质和光合生理的影响

为明确不同盐胁迫对柳枝稷生物量、品质及光合生理的影响,以无盐胁迫作为对照(CK),选取0.40%Na Cl、0.80%Na2SO4和0.80%Na HCO3进行了土柱试验。结果表明:(1)与CK相比,Na Cl、Na2SO4、Na HCO3胁迫下柳枝稷地上生物量、地下生物量、总生物量、籽粒产量及根冠比均显著降低(P0.05),总生物量分别降低49.39%、60.52%、76.45%,Na HCO3对柳枝稷的生长抑制作用最强,Na Cl最弱;(2)Na Cl胁迫下柳枝稷地上生物质灰分含量显著增高14.89%,Na2SO4胁迫下硫(S)含量显著增高262.32%,纤维素含量显著降低13.71%,Na HCO3胁迫下钾(K)含量显著增高54.95%,半纤维素含量显著增高10.87%,灰分和S含量的增高不利于柳枝稷地上生物质的燃烧利用,纤维素含量的降低和半纤维素含量的增高不利于其转化利用;(3)Na Cl、Na2SO4、Na HCO3胁迫下柳枝稷叶片净光合速率(Pn)分别显著降低21.89%、29.54%和24.59%,气孔限制因素可能是其光合作用受到抑制、生物量下降的关键因素。     

利用SCoT分析柳枝稷遗传资源的多样性

本研究利用SCoT标记对96份柳枝稷种质的亲缘关系和遗传变异进行了研究。筛选出20条引物对96份供试材料进行PCR扩增,共获得445条带,其中多态性条带402条,平均多态性条带比率(PPB)达90.31%,多态性信息含量(PIC)为0.166~0.410,平均值为0.332,标记指数(MI)为10.20。遗传相似系数(GS)为0.498~0.912,平均值为0.688。表明SCoT标记能够揭示柳枝稷种质间的遗传变异。通过UPGMA分析表明,96份种质资源聚为高地型和低地型两大类。经POPGENE1.32软件分析结果显示:96份柳枝稷基因多样性指数(H)为0.285,Shannon指数(I)为0.431,表明供试的种质间遗传多样性丰富,遗传多样性水平高。经AMOVA 1.55方差分析揭示:96份柳枝稷生态型内的遗传变异占总变异的72.85%,生态型间遗传变异占总变异的27.15%,结果表明ScoT可用于柳枝稷遗传多样性研究,该研究结果可为柳枝稷种质资源的进一步开发利用提供重要信息。     

柳枝稷的生物学研究现状及其生物能源转化前景

柳枝稷(Panicum virgatum,L.)是起源于北美的一种热带草原高秆草,具有优良的草料特性和水土保持功能。因其有很大的能源利用前景,而目前全球能源紧缺,因此全世界范围内已有许多国家把研究柳枝稷转化生物能源这一利国利民的项目提到议事日程,展开了全方位的研究。这篇论文综述了柳枝稷的生物学研究现状以及其生物能源转化前景。     

黄土丘陵区不同种植行距下柳枝稷光合生理日变化研究

以引进禾草柳枝稷为材料,在半干旱黄土丘陵区人工梯田设置20cm(L20)、40cm(L40)和60cm(L60)3种种植行距,比较研究了其光合生理参数日变化、地上部分生物量及土壤水分剖面分布特征,探讨其光合生理和水分利用特征与种植行距的关系。结果表明:(1)不同行距下,柳枝稷叶片净光合速率(Pn)日变化均呈双峰曲线,第一峰值均出现在10:00,第二峰值L40出现在14:00,L20和L60出现在16:00,具有明显的光合"午休"现象,且均由非气孔因素限制引起;柳枝稷叶片Pn日均值大小依次为:L60>L40>L20,且两两间差异显著。(2)柳枝稷叶片水分利用效率(WUE)日变化与Pn相似,分别在10:00和14:00达到峰值,日均值大小依次为:L60>L40>L20。(3)不同行距下,土壤体积含水量均随土层深度增加呈先增加后减少再增加的趋势,除0～50cm土层外,其它各土层土壤储水量均存在较大差异,0～380cm土层总土壤储水量表现为:L20>L40>L60。(4)柳枝稷地上生物量大小依次为:L20>L60>L40。研究发现,20cm行距的柳枝稷个体虽光合速率较低,但群体生物量和土壤储水量较高,所以柳枝稷在黄土丘陵区梯田的较优行距为20cm。     

黄土丘陵区柳枝稷光合生理生态特性的初步研究

研究了黄土丘陵区引种草种柳枝稷（Panicum virgatum)的光合生理生态特性。比较了不同叶位叶片光合速率（Pn)、蒸腾速率（Tr)、水分利用效率（WUE）的日变化以及环境因子的作用,结果表明,柳枝稷叶片Pn日变化曲线为双峰型,中午“光合降低”主要是由于叶温过高导致呼吸高引起的净化合速率降低,叶龄增大,叶片Pn日变化相对较平缓,其中壮龄叶Pn日变化最为平缓,幼龄叶Tr的日变化为双峰型,随叶龄增大（叶位下降）而成为单峰型。Pn日变化最为平缓,幼龄叶Tr的日变化为双峰型,随叶龄增大（叶位下降）而成为单峰型,WUE的日变化可划分为上午的降低和下午的波动2个阶段,最上充分展开叶（旗叶）的WUE始终最高。     

水培条件下pH值对柳枝稷幼苗生长发育的影响

土壤的p H值是限制植物生长发育的一个关键因素。柳枝稷是一种可作为牧草,水土保持的多年生C4能源植物。试验在水培条件下,利用裂区试验设计,以柳枝稷品种(系)为主区,水培液p H值为副区,对反映柳枝稷幼苗生长发育状况的指标进行统计分析。结果显示,随水培液p H值的酸碱强度增大,柳枝稷不同品种(系)幼苗的分蘖数、株高、苗鲜重、根冠比、根系活力以及净光合速率都极显著降低(P0.01),而幼苗保护酶活性以及丙二醛(MDA)含量则极显著升高(P0.01)。尤其是当PH值低于5.0时,幼苗的受到的胁迫更为明显,幼苗超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性反而急剧下降。与酸胁迫(p H值7.0)相比,柳枝稷对碱胁迫(p H值7.0)的适应能力更强,其中以西稷2号的抗逆性表现最好。因此应用柳枝稷在边际土壤地区推广种植时,要尽量避免强酸性土壤(p H值5.0),且选用西稷2号品系较为适宜。     

盐胁迫对柳枝稷苗期生长和生理特性的影响

2010年,在人工气候室中设置了0、50、100、150和200 mmol·L-15种NaCl浓度处理,分析盐胁迫对柳枝稷苗期生长的影响.结果表明:随着NaCl浓度的增加,柳枝稷的生长明显受到抑制,株高降低、叶片变小、光合叶面积减少、净光合速率下降,干物质积累量显著降低,表现出甜土植物的特点.柳枝稷的耐盐能力较强,在200 mmol·L-1NaCl溶液中处理30 d后仍能存活,单株绿叶面积为491.9 cm2,净光合速率为0.93 μmol CO2·m-2·s-1.本试验条件下,以生长量下降50％为标准求得柳枝稷的耐盐阈值为178.6 mmol·L-1.     

柳枝稷木质素基因F5H的高效编辑

柳枝稷(Panicum virgatum)是重要的C₄多年生木质纤维素类生态能饲草。为了快速创制细胞壁转化效率高的能饲草新资源,以异源四倍体柳枝稷品种Alamo为材料,克隆了其木质素合成途径的阿魏酸-5-羟基化酶基因PvF5H,并根据其序列设计编辑靶点,用于构建CRISPR/Cas9-PvF5H编辑载体,最后通过农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导的遗传转化方法,获得了59株柳枝稷转基因阳性植株。测序分析表明,PvF5H在94.9%的转基因植株中被编辑,纯合编辑效率为55.4%。该研究建立了高效的柳枝稷基因编辑系统,实现了对细胞壁品质相关靶基因的有效编辑,为今后能饲草新品种的培育奠定了基础。     

柳枝稷长链非编码RNA PvLINC090588的功能研究

长链非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)是一类长度大于200个核苷酸、无蛋白编码能力或蛋白编码能力较低的功能性RNA分子,可通过调控基因的表达影响植物的生长发育和对非生物胁迫的适应性。柳枝稷(Panicum virgatum L.)是一种抗旱性较强的禾本科(Poaceae)C₄生物能源模式作物。本研究从柳枝稷中克隆了1个新预测的lncRNA,将其命名为PvLINC090588。对该基因的表达模式分析显示：20%聚乙二醇、150 mmol/L氯化钠和50μmol/L脱落酸可诱导其表达,100μmol/L赤霉素抑制其表达,表明PvLINC090588的表达受多种非生物胁迫的诱导。过表达PvLINC090588转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)在100 mmol/L氯化钠、300 mmol/L甘露醇处理下其根长显著(P<0.05)大于野生型的,显示过表达株系的根系在胁迫下生长能力更强。与野生型相比,转基因株系在干旱和250 mmol/L氯化钠处理后其丙二醛含量降低,可溶性糖和脯氨酸含量显著升高(P<0.0...     

濒危种观光木小枝生物量分配与功能性状的纬度变异规律及其影响因素

为了探讨观光木当年生枝条生物量的分配规律和叶片功能性状的变化规律及其影响因素,该研究以濒危物种观光木(Michelia odora)为对象,测定了广西地区5个不同纬度上观光木当年生小枝及叶片功能性状.结果表明:(1)随着纬度的增加小枝总重和总叶重总体呈异速生长关系,其生物量更多趋于对小枝的构建.(2)观光木叶功能性状呈...     

柔毛淫羊藿生物量与生殖配置研究

探索了柔毛淫羊藿在有性繁殖时期不同生境和不同发育阶段的生殖配置,以探讨柔毛淫羊藿的生物量及生殖配置的内在规律.结果如下:随着生长季节的变化,柔毛淫羊藿总生物量呈现出低-高-低的趋势,柔毛淫羊藿生物量积累最快的时间为柔毛淫羊藿花期和果期.其中地上部分生物量在不断增加,地下部分生物量变化较小,从而根冠比在有性繁殖时期逐渐下...     

基于光合产物动态分配的玉米生物量模拟

光合产物分配是作物生长发育及生物量形成的关键环节,也是作物生长模拟的重要内容.本研究依据光合产物分配机理,结合玉米不同生长阶段的光合产物分配特点,构建了玉米光合产物分配模型.与WOFOST模型的CO₂同化模块相结合,实现了对玉米各器官生物量动态的逐日模拟.利用锦州农田生态系统野外观测站5年的春玉米大田试验资料对模拟效果进行了验证.结果表明: 模型能解释总生物量变化的95.4%;对营养器官生物量变化的解释率达87.0%;对叶、根、茎生物量变化的解释率分别达85.3%,67.9%和76.5%;对穗生物量变化的解释率达87.5%.模型可实现玉米各器官的生物量动态的准确模拟.     

Cellulose solvent-based biomass pretreatment breaks highly ordered hydrogen bonds in cellulose fibers of switchgrass

The switchgrass (SG) samples pretreated by cellulose solvent‐ and organic solvent‐based lignocellulose fractionation were characterized by enzymatic hydrolysis, substrate accessibility assay, scanning electron microscopy, X‐ray diffraction (XRD), cross polarization/magic angle spinning (CP/MAS) ¹³C nuclear magnetic resonance (NMR), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Glucan digestibility of the pretreated SG was 89% at hour 36 at one filter paper unit of cellulase per gram of glucan. Crystallinity index (CrI) of pure cellulosic materials and SG before and after cellulose solvent‐based pretreatment were determined by XRD and NMR. CrI values varied greatly depending on measurement techniques, calculation approaches, and sample drying conditions, suggesting that the effects of CrI data obtained from dried samples on enzymatic hydrolysis of hydrated cellulosic materials should be interpreted with caution. Fast hydrolysis rates and high glucan digestibilities for pretreated SG were mainly attributed to a 16.3‐fold increase in cellulose accessibility to cellulase from 0.49 to 8.0 m²/g biomass, because the highly ordered hydrogen‐bonding networks in cellulose fibers of biomass were broken through cellulose dissolution in a cellulose solvent, as evidenced by CP/MAS ¹³C‐NMR and FTIR. Biotechnol. Bioeng. 2011; 108:521–529. © 2010 Wiley Periodicals, Inc.     

Effects of ecotypes and morphotypes in feedstock composition of switchgrass (Panicum virgatum L.)

Switchgrass (Panicum virgatum L.) is a C4 grass with high biomass yield potential and is now a model species for the Bioenergy Feedstock Development Program. Two distinct ecotypes (e.g., upland and lowland) and a range of plant morphotypes (e.g., leafy and stemmy) have been observed in switchgrass. The objective of this study was to determine the influence of ecotype and morphotype on biomass feedstock quality. Leaf and stem tissues of leafy and stemmy morphotypes from both lowland and upland ecotypes were analyzed for key feedstock traits. The leaf : stem ratio of leafy morphotype was more than 40% higher than the stemmy morphotype in both upland and lowland ecotypes. Therefore, the stemmy morphotype has significant advantages over leafy morphotype during harvesting, storage, transportation and finally the feedstock quality. Remarkable differences in feedstock quality and mineral composition were observed in switchgrass genotypes with distinct ecotypic origins and variable plant morphotypes. Lignin, hemicelluloses and cellulose concentrations were higher in stems than in the leaves, while ash content was notably high in leaves. A higher concentration of potassium was found in the stems compared to the leaves. In contrast, calcium was higher and magnesium was generally higher in the leaves compared to stems. The upland genotypes demonstrated considerably higher lignin (14.4%) compared with lowland genotypes (12.4%), while hemicellulose was higher in lowland compared with upland. The stemmy type demonstrated slightly higher lignin compared with leafy types (P < 0.1). Differences between the ecotypes and morphotypes for key quality traits demonstrated the potential for improving feedstock composition of switchgrass through selection in breeding programs.     

施氮和减水对中亚热带壳斗科三种幼树生物量及其分配的影响

土壤氮素和土壤含水量是森林生态系统中限制植物生长的重要因子。为探讨常绿阔叶树种对模拟氮沉降增加和降水减少的响应,以同质园中自然生长的壳斗科(Fagaceae)丝栗栲(Castanopsis fargesii)、大叶青冈(Cyclobalanopsis jensenniana)和麻栎(Quercus acutissima)五年生幼树为对象,比较了对照(CK)、施氮(+N,施氮60 kg hm~(-2) a~(-1))、减水(-W,减少自然降水的50%)以及施氮和减水(+N-W,施氮60 kg hm~(-2) a~(-1)和减少自然降水的50%)对总生物量、各器官生物量及其生物量分配的影响。研究表明:(1)施氮显著增加了三种幼树的总生物量及各器官生物量(P0.05)。(2)减水未引起三种幼树的总生物量及各器官生物量的显著下降(P0.05)。(3)除麻栎树叶生物量、树枝生物量外,施氮和减水交互作用对三种幼树总生物量及各器官生物量没有明显影响(P0.05)。(4)施氮显著提高了丝栗栲幼树的干重比、大叶青冈幼树的干重比和枝重比(P0.05),降低了大叶青冈的叶重比和根重比(P0.05)。(5)减水导致丝栗栲幼树和麻栎幼树的根重比、麻栎幼树的根冠比显著增加(P0.05),引起丝栗栲幼树的枝重比、麻栎幼树的叶重比、枝重比和干重比显著降低(P0.05)。(6)施氮和减水交互作用显著提高了丝栗栲幼树的根重比(P0.05),降低了麻栎幼树的干重比(P0.05)。     

Overexpression of miR156 in switchgrass (Panicum virgatum L.) results in various morphological alterations and leads to improved biomass production

Switchgrass (Panicum virgatum L.) has been developed into a dedicated herbaceous bioenergy crop. Biomass yield is a major target trait for genetic improvement of switchgrass. microRNAs have emerged as a prominent class of gene regulatory factors that has the potential to improve complex traits such as biomass yield. A miR156b precursor was overexpressed in switchgrass. The effects of miR156 overexpression on SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE (SPL) genes were revealed by microarray and quantitative RT-PCR analyses. Morphological alterations, biomass yield, saccharification efficiency and forage digestibility of the transgenic plants were characterized. miR156 controls apical dominance and floral transition in switchgrass by suppressing its target SPL genes. Relatively low levels of miR156 overexpression were sufficient to increase biomass yield while producing plants with normal flowering time. Moderate levels of miR156 led to improved biomass but the plants were non-flowering. These two groups of plants produced 58%-101% more biomass yield compared with the control. However, high miR156 levels resulted in severely stunted growth. The degree of morphological alterations of the transgenic switchgrass depends on miR156 level. Compared with floral transition, a lower miR156 level is required to disrupt apical dominance. The improvement in biomass yield was mainly because of the increase in tiller number. Targeted overexpression of miR156 also improved solubilized sugar yield and forage digestibility, and offered an effective approach for transgene containment.     

光照强度对8种红树植物幼苗生长和生物量分配的影响

选取无瓣海桑(Sonneratia apetala Buch-Ham.)、卤蕨(Acrostichum aureum Linn.)、桐花树(Aegiceras corniculatum Blanco.)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius Linn.)、木榄(Bruguiera gymnorrhiza Lam.)、秋茄(Kandelia candel Druce.)、银叶树(Heritiera littoralis Ait.)和黄槿(Hibiscus tiliaceus L.)为研究对象,通过遮荫控制实验,研究这8种红树植物幼苗在不同光照强度(自然光强的100%、45%、30%、10%)下的生长和生物量分配特征。结果表明:(1)遮荫对无瓣海桑幼苗相对生长速率、生物量积累、基径的增长和叶片数的增长均有显著的抑制作用;(2)桐花和老鼠簕在遮荫处理下生长状况较好,遮荫对桐花生长的影响不显著,对老鼠簕幼苗的生长则有一定的促进作用;(3)当光照强度降低时,无瓣海桑、秋茄、老鼠簕、桐花树的幼苗都对地上部分投入了更多的生物量,其中秋茄、老鼠簕和桐花树通过提高叶生物量来获取更大的光能捕获能力。研究结果表明,从对光照的生长适应角度来看,桐花、老鼠簕和卤蕨适宜种植在郁闭度较高的林下;秋茄适宜在郁闭度较低的林下种植;真红树无瓣海桑和木榄以及半红树黄槿和银叶树则不适合在林下种植。     

温度和降水对森林生物量分配的影响研究进展

森林生物量分配策略是全球变化背景下群落保持生产力的重要机制.温度和降水会影响森林生物量的分配格局.文章基于文献分析,总结了增温、低温和降水对森林地上、地下生物量分配的影响机制,以及温度和降水对森林生物量分配的交互作用,并对未来温度和降水影响森林生物量分配的研究进行了展望,提出该领域今后的研究重点为:(1)加强生物量分配...