气温、CO2浓度和降水交互作用对作物生长和产量的影响

气温、大气CO₂浓度和降水等气候因子是影响作物生长发育的关键因子,而不同的气候因子对作物的影响并非独立的,多气候因子交互作用对作物的影响目前已成为研究的焦点问题.研究不同气候因子交互作用的影响,其结果更接近作物生长的实际情况,有助于了解作物甚至作物生态系统对气候变化的真实响应.国内外关于不同气候因子对作物影响的报道较多,要全面总结不同气候因子交互作用对作物的影响是非常困难的.因此,本文只对近年来有关气温升高、大气CO₂浓度增加和降水变化交互作用对作物生长发育、光合生理及产量影响的研究进展做一简要评述,并提出目前研究的不足和需要解决的关键问题,以期为气候变化对作物生长发育及产量影响的研究提供参考.     

气温、CO2浓度和降水交互作用对作物生长和产量的影响

气温、大气CO₂浓度和降水等气候因子是影响作物生长发育的关键因子,而不同的气候因子对作物的影响并非独立的,多气候因子交互作用对作物的影响目前已成为研究的焦点问题.研究不同气候因子交互作用的影响,其结果更接近作物生长的实际情况,有助于了解作物甚至作物生态系统对气候变化的真实响应.国内外关于不同气候因子对作物影响的报道较多,要全面总结不同气候因子交互作用对作物的影响是非常困难的.因此,本文只对近年来有关气温升高、大气CO₂浓度增加和降水变化交互作用对作物生长发育、光合生理及产量影响的研究进展做一简要评述,并提出目前研究的不足和需要解决的关键问题,以期为气候变化对作物生长发育及产量影响的研究提供参考.     

植物对UV-B辐射增强应答的分子机制及信号级联研究进展

地表的UV-B辐射量伴随着大气平流层臭氧层的变薄而不断增强,给地球生态系统带来严重影响.UV-B主要通过抑制植物光合作用、伤害生物膜及DNA等生物大分子来影响其生长发育,最终导致生物量及产量降低,甚至致死.植物在进化过程中形成了自我防护及防御机制,如DNA损伤的自我修复,活性氧自由基的酶促及非酶促清除机制,以及紫外吸收物质的诱导合成等;同时,在植物中也有许多物质及不同途径来感受和应答UV-B胁迫.本文从UV-B辐射增强对植物造成损伤的主要途径、植物对UV-B辐射增强的应答机制及信号级联过程等方面的研究进展进行综述.     

高浓度二氧化碳对植物影响的研究进展

工业革命后全球大气CO2浓度持续上升,不仅对全球气候的变迁产生重大影响,而且对植物的形态、水分利用、蛋白质合成、光合、抗性、生长及生物量等都有不同程度的影响。高浓度CO2促进植物根、幼苗的生长,叶片增厚,降低气孔密度、气孔导度及蒸腾速率,增加水分利用效率、作物的产量及生物量,促进乙烯生物合成,增强植物的抗氧化能力。不同光合途径(C3、C4及CAM)及不同植被类型的植物对高浓度CO2的响应不同。长期和短期的高浓度CO2处理,植物响应方式有很大的差异,如短期高CO2处理使光合能力增强,而长期处理则使光合能力下调。     

土壤干旱胁迫对作物影响的模拟研究进展

用于模拟土壤干旱胁迫对作物影响的模型分为两类,一是水分管理模型,此类模型并不模拟作物的生长发育,但可以用于灌溉管理;二是作物生长模拟模型,这类模型模拟作物生长的主要过程(如叶片生长、生物量的积累与分配等),通常以实际蒸腾与潜在蒸腾的比值估算土壤干旱胁迫对作物光合的影响,近年来发展的耦合模型将植物的碳同化、蒸腾、能量平衡以及气孔行为相耦合,使得土壤干旱胁迫对作物影响的模拟更具机理性。本文从不同模型模拟土壤干旱对作物影响的原理入手,阐述了水分管理模型(FAO水分生产函数模型)、作物生长模型(Aqua Crop模型、CERES-Maize模型、WOFOST模型、EPICphase模型、耦合模型)等具有代表性模型是如何模拟土壤干旱胁迫对作物生长发育和(或)产量影响的,提出了作物模型模拟土壤干旱胁迫影响时应着力解决的问题:完善干旱对作物物候的影响模拟;考虑花期不遇对作物产量影响的模拟;考虑后续持续影响的模拟机制;发展更加基于物理和生理过程的模型。提出:作物模型的发展还需要多领域如模型程序员、田间试验、植物生理学家的相互协同与发展,田间试验研究是作物模型发展不可或缺的数据来源与坚实基础。     

植物镁离子转运及镁胁迫响应机制研究进展

镁离子是植物生长发育所必需的矿质元素,参与植物光合作用、碳水化合物代谢等一系列生理生化反应.缺镁严重影响植物生长发育及作物产量和品质.植物细胞中镁含量过高也会抑制植物生长,导致植株产生镁中毒症状.因此,植物细胞中镁离子动态平衡对于维持植物正常生长发育极其重要.植物细胞中镁离子动态平衡由定位于细胞膜及不同细胞器膜的镁离子...     

UV-B辐射胁迫下不同起源时期的3种木本植物幼苗的生长及光合特性

平流层臭氧的减薄导致到达地表UV-B辐射增强是全球所面临的环境问题之一。UV-B辐射胁迫对植物的生物学效应研究成为继全球大气二氧化碳浓度升高对植物影响研究之后的又一热点领域。设置了UV-B滤光减弱组、UV-B辐射增强组和自然光对照组3组大田实验,选择不同起源时期的乐东拟单性木兰(Parakmeria lotungensi)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)、山核桃(Carya cathayensis)幼苗为实验材料,测定每组中3种植物的生长量与光合特征参数,通过对比组间和种间差异,研究不同起源时期的3种木本植物对UV-B辐射胁迫的响应模式,分析3种植物对于UV-B辐射胁迫的适应性与自身起源和进化时间的关系,为"起源时间越早的木本植物生长发育和光合生理能否更好地适应UV-B辐射胁迫"这一科学命题的探讨提供一定实验参考。得到如下结果:(1)相对于自然光照条件,增强UV-B辐射胁迫对3种木本植物的地径和株高都有抑制作用;对乐东拟单性木兰、青冈的Pn和Amax有一定的抑制作用,对山核桃Pn和Amax则具有一定的促进作用。减弱UV-B辐射胁迫对3种木本植物的地径起到抑制作用,对乐东拟单性木兰、青冈幼苗的株高生长有促进作用,但对山核桃的株高却具有抑制作用;对乐东拟单性木兰以及山核桃的Pn和Amax有一定的抑制作用,而对青冈Pn和Amax则有促进作用。(2)对比种间差异,发现3种不同的UV-B光照条件下青冈的地径生长量都最大,乐东拟单性木兰次之,山核桃最小;株高生长量种间大小排序不一致;相对于自然光照条件,增强UV-B辐射强度下山核桃Pn、Amax的比值都最大,青冈次之,乐东拟单性木兰最小;减弱UV-B辐射强度下青冈的Pn、Amax的比值都最大,乐东拟单性木兰次之,山核桃最小;表明不同起源时间对植物抗UV-B辐射胁迫能力有一定的影响,但不是决定性因素。UV-B辐射增强和过滤减弱胁迫对3个树种幼苗的生长发育、光合作用、叶绿素均有影响,但不同起源时期3种木本植物幼苗光合特征参数的响应模式不一,其机制尚待进一步开展实验进行求证。本研究结果可丰富和补充UV-B辐射胁迫对木本植物的影响研究,为从进化角度筛选UV-B胁迫抗性较强的植物提供了一定的依据。     

植物中的活性氧研究概述

活性氧作为有氧代谢的副产物不断在植物体内产生。在正常的生长环境条件下,植物将产生活性氧(reaction oxygen species, ROS)作为信号代谢分子以调控不同的代谢反应,例如病毒防御、细胞程序性死亡和气孔开闭等;当氧化胁迫发生时,胞内活性氧稳态受到严重破坏,影响作物的生长发育,从而降低作物产量及品质。为了降低因过量活性氧对植物体所造成的伤害,植物体内进化出了两种活性氧清除系统:酶清除系统和非酶清除系统。本文就此对植物在生长发育过程中ROS的产生、利弊、清除机制以及在作物改良上应用的可能性进行了系统的讨论。     

增强UV-B辐射和氮素互作对植物生长代谢影响的研究进展

不同氮源条件下,UV-B辐射增强能改变植株对氮的吸收利用以及植株叶片的碳氢比和碳氮比,增加氨基酸的生物合成.缺氮条件下, UV-B辐射增强使植物叶片中SOD、POD活性增强,MDA含量增加;氮素过量时,UV-B辐射增强会降低植物对UV-B辐射的耐性.UV-B辐射增强和氮缺乏相互作用会降低叶片的光合速率、叶绿素含量、可溶性糖及淀粉含量,从而抑制植物的生长,降低生物量.该文对近年来国内外有关UV-B辐射增强与氮素相互作用对植物抗氧化系统、氮代谢、光合作用、生物量和形态结构的影响进行综述.     

种子植物对中波紫外辐射胁迫的响应研究进展

臭氧层的破坏导致到达地表的中波紫外辐射(UV-B)增加。增强的UV-B对植物产生不同程度的胁迫作用。综合论述了近些年来有关种子植物对UV-B胁迫响应的研究进展。对UV-B敏感的种子植物经UV-B处理,外部形态表现为植物变矮、叶面积减小、茎缩短等;内部结构表现为叶绿体结构失去完整性、叶肉面积减小等。种子植物受UV-B影响的主要部位包括光合器官、遗传物质、蛋白质等。为了减轻UV-B的伤害,种子植物形成了一系列的保护机制,包括表皮结构对UV-B的散射、反射,叶片厚度的增加、UV-B吸收物质的积累、受损DNA的修复、自由基的去除。此外,UV-B与干旱、增强C02具有互作效应。增强的UV-B对木本植物、生态系统等方面的影响研究应加以重视。     

植物荫蔽胁迫的激素信号响应

植物的生长发育与光信号密切相关, 外界光强、光质的变化会改变植物的生长发育状态。在自然或人工生态系统中, 植株个体的光环境往往会被其周围植物所影响, 导致荫蔽胁迫, 其主要表现为光合有效辐射以及红光与远红光比值(R:FR)降低。荫蔽胁迫对植物生长发育的多个时期均有影响, 如抑制种子萌发、促进幼苗下胚轴伸长及促进植物花期提前等, 这对农业生产不利, 会导致作物产量以及品质的降低。植物激素是调控植物生长发育的关键内源因子。大量研究表明, 生长素(IAA)、赤霉素(GA)及油菜素甾醇(BR)等植物激素均参与介导植物的荫蔽胁迫响应。当植物处于荫蔽胁迫时, 光信号的改变会影响植物激素的合成及信号转导。不同植物激素对荫蔽胁迫的响应各不相同, 但其信号通路之间却存在互作关系, 从而形成复杂的网络状调控路径。该文总结了几种主要植物激素(生长素、赤霉素、油菜素甾醇及乙烯)响应荫蔽胁迫的机理, 重点论述了荫蔽胁迫对植物激素合成及信号通路的影响, 以及植物激素调控荫蔽胁迫下植物生长的分子机理, 并对未来潜在的研究热点进行了分析。     

紫外辐射增强对植物糖代谢的影响

综述了UV-B辐射增强对植物叶片、茎、根、果实以及籽粒中糖含量影响的研究现状与动态,从生理学角度分析了UV-B辐射对植物糖含量和糖代谢相关的一些重要反应及其影响植物糖含量和糖代谢的关键酶的响应,并从植物的光合碳固定、糖的合成与分解等方面阐述了UV-B影响糖含量及糖代谢的可能机理。展望了今后紫外辐射增强对植物糖代谢影响的研究重点和研究方向。     

植物对UV-B辐射的响应与调控机制

UV-B(ultraviolet-B)辐射会在多个方面对植物产生影响,随着研究的不断深入,人们发现UV-B除了作为一个胁迫因子外,还会作为信号调节因子来调节植物的生长发育.本文把UV-B辐射对植物形态建成和生理代谢的影响、植物响应UV-B辐射的信号通路以及UV-B与其他因子复合作用对植物的影响等进行了论述,并对植物响应UV-B辐射的研究做了展望.     

UV-B对设施桃叶片光合功能及叶绿体超微结构的影响

对温室栽培的油桃中油5号(Prunus persica var. nectarina cv.‘Zhongyou5’)适量补充UV-B,分析其对桃叶片光合功能及叶绿体超微结构的影响。结果表明,UV-B处理下各色素含量均有不同程度的增加,其中叶绿素b的含量和净光合速率(P_n)提升幅度较大。相较于未补充UV-B的桃树(对照), UV-B处理的F_v/F_m无显著变化, F_v’/F_m’比值、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qN)以及PSII实际光化学量子效率(Φ_PSII)均有显著或极显著升高。透射电镜结果显示,UV-B处理下叶绿体基质片层空隙小,堆叠紧密,叶绿体外膜边缘清晰。可见,温室内适量补充UV-B可快速改善叶片叶绿体的超微结构,提升叶绿素分子捕获光能及向PSII传递的能力,增大PSII反应中心的开放程度,提高实际光能转化效率和PSII电子传递量子效率,提高叶片的光合功能。该研究为设施果树光合性能改善和UV-B合理利用提供了理论依据。     

增强UV-B辐射和干旱对春小麦光合作用及其生长的影响

在室外盆栽条件下研究了UV-B辐射和土壤干旱对春小麦 '和尚头'生长和光合作用的影响.结果显示:(1)干旱、UV-B辐射、干旱+UV-B(复合)处理均可使叶片类黄酮含量增加,且干旱+UV-B处理增加显著高于其他处理(P<0.05).UV-B辐射和干旱单独处理均能显著降低叶片光合色素含量,但UV-B辐射的副作用大于干旱,复合处理对光合色素的影响介于UV-B和干旱之间.(2)各处理间的光合速率日均值大小次序为:对照>UV-B+干旱>UV-B>干旱;增强UV-B对净光合速率的抑制作用大于干旱,而UV-B+干旱处理的抑制作用较二者单独处理有所减轻.(3)UV-B辐射和干旱单独处理后总生物量比对照减少15%,且抑制作用为:干旱>UV-B>复合处理; UV-B辐射和干旱胁迫不但影响春小麦的生物量,而且影响小穗特征和产量.研究表明,UV-B辐射和干旱之间存在交互作用,说明一种胁迫可以减缓(轻)另外一种胁迫对春小麦的抑制作用.     

干旱对番茄幼苗光合和某些生理指标的影响

干旱缺水已成为植物光合作用和生长发育主要的限制因素,在干旱胁迫下,作物的生长发育受到影响,依据作物的形态变化进行浇灌属于延后性灌溉,未必能完全补偿对作物生长造成的影响。确定灌溉时间点,既确保植物正常生长不受影响,也可以提高水分利用效率,减少水资源浪费,从而达到节水灌溉的目的。该研究以温室土槽栽培番茄幼苗为材料,设定土壤含水量为30.00%(对照)、21.00%、18.00%、15.00%、12.00%、9.00%,研究了干旱胁迫对番茄叶片光合特性、抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶)、碳酸酐酶活性变化的影响,并以此表征番茄幼苗需水信息。结果表明:随着干旱胁迫程度的增加,叶片水势逐渐降低。超氧化物歧化酶、过氧化物酶及过氧化氢酶等抗氧化酶在番茄幼苗耐受水分胁迫中起到重要的作用;超氧化物歧化酶、过氧化物酶在干旱胁迫条件下反应更迅速,但过氧化氢酶相对于超氧化物歧化酶、过氧化物酶对干旱胁迫的耐受能力更强;干旱胁迫条件下抗氧化酶活性的转折点在15.00%土壤含水量左右;水分胁迫条件下碳酸酐酶参与了对光合作用的调节,并在15.00%土壤含水量时活性升至最高,使得番茄仍能维持较高的光合速率,以维持正常的生理机能;随着干旱胁迫程度的加剧(12.00%土壤含水量),碳酸酐酶活性与净光合速率都迅速下降。综上分析,当土壤含水量低于15.00%并高于12.00%时,对作物进行灌溉最为合适。抗氧化酶及碳酸酐酶活性可为作物最佳灌溉时间点的预测提供科学依据。     

节水农业及其生理生态基础

提高自然降水和灌溉水利用效率是节水农业要解决的中心问题。近年实践证明,通过提高水分利用率的途径增加农田生产力存在很大潜力,节水和增产的目标可能同时实现。为实现这一目标,需要研究确定植物水分亏缺的允许程度。植物各个生理过程对水分亏缺的敏感性不同,综合文献报道和作者研究结果,水分亏缺对与作物产量密切相关生理过程影响的先后顺序为:生长—蒸腾—光合—运输。在一定条件下,有限水分亏缺不会对作物最终经济产量造成影响,但却能显著提高水分利用效率。     

黄瓜中硅的生理功能及转运机制研究进展

硅是植物体的重要组成部分,尽管硅尚未被列为植物生长的必需元素,但它在促进植物生长发育、提高作物对非生物逆境（干旱、盐分和重金属等）和生物逆境（病虫害）抗性等方面都具有重要作用。硅不仅能改善植株对矿质营养的吸收,提高作物产量和品质,而且能沉积在叶片及叶鞘表皮细胞,形成硅化细胞和角质双硅层结构,增强寄主植物细胞壁的机械强度和稳固性,从而增强植物对真菌侵入和扩展的抵御能力,提高植物对金属离子毒害的抗性、缓解盐胁迫、增强抗高低温和抗紫外线辐射等。本文在植物硅素营养和转运机制研究的基础上,对硅素营养在黄瓜中生长发育、抗逆和吸收转运机制等方面的效应做了相关综述,并展望了黄瓜中硅研究的未来发展。     

云杉幼苗对气候变暖和UV-B辐射增强的光合响应

采用开顶式有机玻璃罩(OTCs)及紫外灯分别模拟气候变暖和紫外辐射B(UV-B)增强,对位于气候变暖和UV-B增强突出的青藏高原东缘、高山峡谷地云杉(Picea asperata)幼苗的光合气体交换和叶绿素荧光参数进行测定分析,探讨云杉幼苗对气候变暖和UV-B增强的光合响应特性。结果显示:(1)UV-B辐射增强显著抑制了云杉幼苗茎和根的伸长生长以及生物量的累积,显著降低了云杉幼苗的净光合速率(Pn)、最大光合速率(Pmax)和表观量子产量(Φ),但是提高了光补偿点(LCP);UV-B辐射增强导致了云杉幼苗光合系统Ⅱ(PSⅡ)的光抑制,使PSⅡ有效量子产量(ΦPSⅡ)显著降低。(2)单纯OTC模拟增温显著提高了云杉幼苗的Pn和Pmax,而对气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和Φ无显著影响。(3)模拟增温缓解了UV-B增强对云杉幼苗光合作用的抑制作用,显著提高了UV-B胁迫下幼苗的Pn、Pmax、PSⅡ的潜在量子效率(Fv/Fm)和有效量子产量(ΦPSⅡ),并且提高了UV-B胁迫下幼苗茎、根的生长以及生物量的累积。研究表明,在未来气候变暖和UV-B辐射增强同时存在时,气候变暖能够在一定程度上缓解UV-B增强对云杉林光合作用的抑制作用。     

开放式空气CO2浓度增高对水稻生长发育影响的研究进展

地球大气中CO₂浓度不断升高已是不争的事实.CO₂浓度升高势必对植物的生长发育过程产生深刻的影响.水稻是世界上最重要的作物之一,也是中国第一大作物.结合气室条件下的研究结果,从光合作用、水分关系、生育期、叶片和根系生长、物质生产与分配、化学组分以及产量和品质等方面,重点收集和整理了开放式空气中CO₂浓度增高 (FACE) 对水稻生长发育影响的研究进展,并讨论了该领域有待深入研究的方向.