利用低CO_2浓度培养箱筛选谷子(Setaria italica)C_4光合作用相关突变体

C_4光合作用和光呼吸研究是植物学界的研究热点,缺乏低CO_2浓度培养条件和相关突变体限制了相关工作的深入开展。本研究设计了一个低CO_2浓度培养箱,CO_2浓度、光照和温度等培养条件可稳定控制,试验数据可通过网络实时查看记录。以该培养箱为平台,本研究对54份谷子甲基磺酸乙酯(EMS)突变体进行了耐40 mg/L(正常空气中CO_2浓度范围是380~400 mg/L)CO_2浓度培养鉴定,根据死苗量将这些材料分为4类,其中敏感的Ⅲ级突变体19个和Ⅳ级突变体13个,对低CO_2浓度极度敏感的5个谷子突变体均为叶脉变异系,证实了低CO_2浓度培养箱筛选鉴定的实用性。对这些材料开展包括花环解剖结构观察和相关突变基因克隆的深入研究,将奠定谷子C_4光合作用的研究基础,所构建的低CO_2浓度培养箱也适用于其他作物光合作用和光呼吸的生理学研究。     

嗜碱性利用—碳的莫拉氏菌的研究

利用不同营养类型的微生物进行CO_2固定的研究在世界上很受重视。对光能自养菌和化能自养菌;好氧菌和厌氧菌等多种类型的一碳微生物的比较生化学分析能使人们更好地认识它们潜在的应用价值。近年来,分离自极端环境微生物的CO_2固定研究已引起人们的极大兴趣。在pH9～10的偏碱性条件下,根据反应式(1)、(2)、(3),绝大部分CO_2以HCO_3~-和CO_3~2-;的形式存在。CO_2、H_2CO_3、HCO_3~-和CO_3~2-的总量多于中性环境的相应量。因此,认为分离嗜碱性菌株是获得一碳利用     

C_4作物电子传递速率对CO_2响应模型的构建及应用

准确估算光合电子流对CO_2响应的变化趋势对深入了解光合过程具有重要意义。该研究在植物光合作用对CO_2响应新模型(模型I)的基础上构建了电子传递速率(J)对CO_2的响应模型(模型II),并对用LI-6400-40便携式光合仪测量的玉米(Zea mays)和千穗谷(Amaranthus hypochondriacus)的数据进行了拟合。结果表明,模型II可以很好地拟合玉米和千穗谷叶片J对CO_2浓度的响应曲线(J-Ca曲线),得到玉米和千穗谷的最大电子传递速率分别为262.41和393.07mmol·m~(-2)·s~(-1),与估算值相符合。在此基础上,对光合电子流分配到其他路径进行了探讨。结果显示, 380mmol·mol-1 CO_2浓度下玉米和千穗谷碳同化所需的电子流为247.92和285.16mmol·m~(-2)·s~(-1),分配到其他途径的光合电子流为14.49和107.91mmol·m~(-2)·s~(-1) (考虑植物CO_2的回收利用)。比较两种植物的其他途径光合电子流分配值发现,两者相差6倍之多。分析认为这与千穗谷和玉米的催化脱羧反应酶种类以及脱羧反应发生的部位不同密切相关。该发现为人们研究C_4植物中烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸苹果酸酶型和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸苹果酸酶型两种亚型之间的差异提供了一个新的视角。此外,构建的电子传递速率对CO_2的响应模型为人们研究C_4植物的光合电子流的变化规律提供了一个可供选择的数学工具。     

热带作物木瓜C~3/C_4属性的鉴别

林植芳等(1982)从光、CO_2等环境因素对木瓜光合作用的影响进行了研究,并认为某些性状近似于C_3植物,但迄今尚没有人从叶解剖结构、RuBP羧化酶分布角度进行研究来确定木瓜的C_3/C_4属性。我们用免疫荧光直接法研究木瓜叶片内RuBP羧化酶的分布,并用气体交换法测定CO_2补偿点,以鉴别它的C_3/C_4属性。     

黄河三角洲湿地非生长季土壤CO_2浓度及地表CO_2通量的动态变化

土壤碳通量是全年性的过程,非生长季土壤碳通量是陆地碳循环的重要组成部分。针对非生长季地上地下CO_2动态变化研究相对缺乏这一现象,对黄河三角洲湿地不同深度土壤CO_2浓度及温度动态变化进行了连续3个月的监测;为揭示该地区地表CO_2通量与地下CO_2浓度变化之间的关系,对地表CO_2通量、土壤CO_2浓度及温度进行了两次同步测定。结果表明:随着土层深度的增加,土壤CO_2浓度显著升高;相同深度下,秋季的土壤CO_2浓度明显高于冬季。地表CO_2通量和地表温度具有相似的日变化规律,二者呈极显著正相关关系,土壤呼吸温度敏感性系数(Q10)为3.49~3.74。地表CO_2通量与土壤CO_2浓度、土壤温度均存在极显著线性或指数关系,利用其经验模型对黄河三角洲湿地土壤秋冬季碳通量进行了估算,通过比较发现,所有模型拟合结果在季节变化上相近:最大值为0.44~0.57μmol·m~(-2)·s~(-1),最小值为-0.18~0.01μmol·m~(-2)·s~(-1),平均值为0.09~0.12μmol·m~(-2)·s~(-1)。本研究揭示了非生长季土壤碳的转化过程对滨海湿地碳循环的潜在影响。     

稳定同位素红外光谱技术测定CO_2同位素校正方法的研究进展

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO_2气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点,可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO_2碳同位素组成(δ~(13)C)和氧同位素组成(δ~(18)O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO_2δ~(13)C和δ~(18)O的误差来源主要包括δ~(13)C和δ~(18)O测量值对CO_2浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ~(13)C和δ~(18)O测量值的浓度依赖性产生的理论基础,回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用;回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用;概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO_2浓度和δ~(13)C、δ~(18)O真值的CO_2标准气体涵盖待测气体CO_2浓度的浓度依赖性校正,设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究;采用IRIS技术测定CH_4、N_2O和H_2O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

两种单胞藻类对不同浓度的~(60)Co吸收和排出的影响

海洋中的~(60)Co既来自于核武器试验的降落灰,又来自于核反应堆废物的排入。随着核动力舰船和原子能发电站的日益发展,进入局部海域的放射性将不断增加。放射性核素对于人类的潜在危害,也就越来越为人们所关切。~(60)Co是这些放射性废物中一种重要的元素,半衰期为5.26年,能被海洋生物较大量地吸收和累积。所以~(60)Co成为核动力设施排放废物时限制最严的核素之一。     

寡核糖核苷酸中核苷酸顺序的萤光标记微量测定法

核糖核酸(RNA)一级结构的研究,近年来有很大的进展。测定方法一般有两种:(1)紫外吸收法,此法灵敏度较差,RNA用量大;(2)放射性同位素标记法,如使用无机~(32)P在生物体内标记RNA,然后提取。~(32)P标记的RNA,用放射化学方法测定之。此法灵敏度高,用很少量RNA就可以测定其一级结构。但是,由于~(32)P的半衰期较短,此法比较     

川西贡嘎山峨眉冷杉成熟林生态系统CO2通量特征

成熟森林的碳收支对陆地生态系统碳循环研究具有重要意义。目前,我国关于西南亚高山暗针叶林成熟林碳通量的研究还相对较少,尚不明确对碳循环的作用。以涡度相关技术为基础,对川西贡嘎山东坡峨眉冷杉成熟林生态系统尺度的CO_2通量进行长期定位观测。利用2015年6月至2016年5月观测数据,分析了峨眉冷杉成熟林净生态系统CO_2交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统生产力(GPP)的季节变异特征及其源汇状况,并结合环境因子,分析CO_2通量的主要控制因子。结果表明:(1)峨眉冷杉成熟林NEE具有明显的日变化特征,呈现"U"形变化,白天为负值,夜间为正值,中午前后CO_2通量达到最大;各月间日平均NEE变化差异显著,NEE峰值最大出现在2015年6月(-0.64 mg CO_2m~(-2)s~(-1)),峰值最小出现在2016年1月(-0.08 mg CO_2m~(-2)s~(-1));日平均NEE由正值变为负值的时间夏季最早,冬季最晚,NEE由负值变为正值的时间冬季最早,夏季最晚。(2)峨眉冷杉成熟林NEE、Re和GPP具有明显的月变化。2015年6月和12月NEE分别达到最大值(-46.02 g C m~(-2)月~(-1))和最小值(-1.42 g C m~(-2)月~(-1));Re呈现单峰变化,最大和最小值分别出现在2015年6月(84.78 g C m~(-2)月~(-1))和2016年1月(12.82 g C m~(-2)月~(-1));GPP最大值和最小值分别出现在2015年6月(130.81 g C m~(-2)月~(-1))与2016年1月(16.15 g C m~(-2)月~(-1))。(3)空气温度(T_a)、5 cm土壤温度(T_(s5))和光合有效辐射(PAR)是影响峨眉冷杉成熟林CO_2通量的主要环境因子。T_a与CO_2通量呈指数相关(R~2=0.5283,P0.01);白天CO_2通量与PAR显著相关(R~2=0.4373,P0.01);夜晚CO_2通量与T_(s5)显著相关(R~2=0.4717,P0.01)。(4)全年NEE、Re和GPP分别为-241.87、564.81 g C m~(-2)和806.68 g C m~(-2),表明川西贡嘎山峨眉冷杉成熟林具有较强的碳汇功能。     

植被对亚热带城市生态系统CO2通量的影响

城市是陆地生态系统的主要碳源,而城市植被是城市区域缓解人类活动所释放的二氧化碳的主要碳汇,但对城市植被对城市大气二氧化碳的影响方面的研究比较缺乏,尤其是发展中国家。发展中国家多数处于亚热带气候区,且发展中国家城市化进程较快,为推进不同生态系统类型碳循环的研究,该研究以位于中国东南部的上海市奉贤大学城为案例,研究该区域植被对亚热带城市生态系统CO_2通量的影响。使用上海市奉贤大学城的涡动相关通量观测站点所观测和记录的2016年10月1日至2017年9月30日共计12个月的通量,气象数据结合遥感数据分析了该研究区的CO_2通量动态特征及其影响因子,主要结论是:(1)整个生态系统全年CO_2通量总交换量为9664.06μmol m~(-2)a~(-1)即表现为碳源。CO_2通量增长率在2017年5月6日达到最低为-4.48μmol m~(-2)d~(-1)在2017年7月30日的CO_2通量增长率为0,在2017年8月30日达到最高为2.24μmol m~(-2)d~(-1),生长季CO_2通量交换量为2169.58μmol m~(-2)月~(-1)低于非生长季的CO_2通量交换量(7494.48μmol m~(-2)月~(-1));(2)不同风区的CO_2通量特征不同,主要表现为随着植被面积的上升CO_2通量有下降的趋势,生长季CO_2通量均值的最低值出现在西北风区为0.09μmol m~(-2)s~(-1);(3) CO_2通量与叶面积指数呈现负相关关系,即随着叶面积指数的上升CO_2通量有下降的趋势。植物的生长状况和其生理活动影响亚热带城市生态系统的碳循环过程,该研究可以为量化城市植被对大气二氧化碳的影响提供参考,同时为亚热带地区建设绿色低碳城市提供服务。     

CO_2浓度升高对宁夏枸杞苗木光合特性及生物量分配影响

为明确大气CO_2浓度升高对宁夏枸杞光合特性及生物量分配的影响,以宁夏枸杞苗木为试材,采用开顶气室(OTC)模拟自然环境大气CO_2浓度变化,设置3个CO_2浓度水平[CK(380±20μmol/mol)、TR1(570±20μmol/mol)、TR2(760±20μmol/mol)],分别于不同CO_2浓度处理90d、120d后,测定其净光合速率(P_n)、光响应曲线、CO_2响应曲线等相关指标及植株不同器官生物量。结果表明:(1)TR1及TR2下Pn于第一年处理至90d时均较CK显著升高(P0.05),且TR1处理在120d时较CK显著降低;第二年处理90d时,TR1处理较CK下降了4.77%,处理120d时TR1、TR2均高于CK,但差异不显著。(2)随着CO_2浓度升高,两年中TR1、TR2处理的胞间CO_2浓度(C_i)较CK均显著升高,处理后120d时,气孔导度(G_s)较CK均显著下降;水分利用率(WUE)在第一年处理中均无显著变化,但在第二年处理120d时,TR1、TR2均较CK显著上升。(3)处理至90d和120d时,TR1、TR2组的宁夏枸杞苗木光饱和点、CO_2饱和点均高于CK,但TR2组初始羧化效率低于CK。(4)随着CO_2浓度升高,宁夏枸杞苗木地上部分生物量分配显著增加,地下部分生物量分配显著降低。研究发现,一定时间内适宜CO_2浓度升高可促进宁夏枸杞苗木光合作用,使得其地上部分生物量分配显著提高,地下部分生物量分配显著降低;但随着处理浓度升高及处理时间延长,其光合作用有下调趋势,表现为净光合速率、气孔导度、初始羧化效率等下降。     

C_3和C_4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全,也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来,植物氮素利用机理研究已取得重要进展,但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体,只有碳氮代谢相互协调,才能维持植物体内的碳氮平衡,保证植物正常生长发育。由于C_3和C_4植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异,对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE,须更全面地了解C_3和C_4植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外,面对大气CO_2浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C_3和C_4植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制,并对提高C_3禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

CO2浓度倍增对几种植物叶片的叶绿素蛋白质复合物的影响

研究了CO_2浓度倍增对大豆(Glycine max L.,C_3植物)、黄瓜(Cucumis sativus L.,C_3植物)、谷子(Setaria italica (L.) Beauv.,一种不很典型的C_4植物)和玉米(Zea mays L.,C_4植物)叶片的叶绿素蛋白质复合物的影响。实验植物盆栽于聚乙烯薄膜(或玻璃)的开顶式培养室中。播种后对照室的CO_2浓度立即保持在大气浓度(350±10)×10~(-6)中,CO_2浓度倍增处理室则保持在(700±10)×10~(-6)下。研究结果表明,对于大豆、黄瓜和谷子,CO_2浓度倍增均使其PSⅡ捕光叶绿素a/b-蛋白质复合物(LHCⅡ)的聚合体态的量增多,单体态的量减少。但C_4植物玉米对CO_2浓度倍增没有这样的反应。作者认为在大豆等植物中,LHCⅡ的上述状态变化可能是植物的光合机构对长期高CO_2浓度的一种适应效应,这样能提高光合作用中光能的吸收、传递和转换的效率,并支持高效的光合碳素同化作用。     

CO_2浓度升高对杉木幼苗生长及其光合特性和养分含量的影响

以杉木优良无性系‘洋061’幼苗为材料,设置常规CO_2浓度400μL·L~(-1)(对照组)和CO_2加富浓度800μL·L~(-1)(处理组)两个处理,研究CO_2浓度加富对杉木幼苗生长、根系形态特征、光合生理以及养分含量的影响,以明确杉木优良无性系对CO_2浓度升高的响应特征,为杉木苗木高效培育提供理论依据。结果表明:(1)CO_2加富能显著促进杉木幼苗生物量的积累和苗高的生长,并显著促进杉木根系生长,其根长、根系表面积、根系体积和根系直径分别较对照增加14.60%、28.26%、41.98%和14.70%。(2)CO_2加富能促进杉木叶片类胡萝卜素含量显著增加,使杉木叶片净光合速率(P_n)、胞间二氧化碳浓度(C_i)和水分利用效率(WUE)分别较对照显著提高51.03%、14.13%和151.20%,并使气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r)分别显著下降58.72%和44.00%。(3)CO_2加富使杉木叶片最大荧光(F_m)、可变荧光(F_v)、PSⅡ潜在光化学效率(F_v/F_o)、PSⅡ实际光化学效率(Φ_(PSⅡ))和光化学淬灭系数(qP)分别较对照显著增加11.48%、11.25%、6.33%、20.38%和30.34%,且不同处理间差异显著,非光化学淬灭系数(NPQ)较对照显著下降21.90%(P0.05),但对初始荧光(F_o)和PSⅡ最大光化学效率(F_v/F_m)无显著影响(P0.05)。(4)CO_2加富处理显著增加植株钙元素的含量,并显著降低植株磷元素的含量。研究认为,短期CO_2加富处理可通过增加光合色素含量,提高叶片净光合速率和光能利用效率,进而增强叶片光合能力,同时促进根系生长,增强植物对养分吸收的能力,最终促进杉木幼苗的生长。     

粪产碱菌（Alcaligenes faecalis）吸收氢和同化CO2的特性

应用同位素氚(T_2)和~13C(~13CO_2),证明了水稻联合固氮菌——粪产碱菌A—15是一种含有吸氢酶的兼性化能自养细菌,具有较强的吸氢能力,吸氨酶活性可达到13.11μmol H_2 ml~(-1) cultureh~(-1);同时,它还可利用H_2为能源同化CO_2营化能自养生活,其RuBPC活性为24.65 nmolCO_2 mg~(-1) protein min~(-1)。无论在自养还是异养条件下,H_2都支持、并促进固氮活性。粪产碱菌培养在N_2条件下比在NH_4~ 条件下能积累更多的多聚-β羟基丁酸(PHB)。     

盐分对辽河口湿地土壤DOC及CO_2生成的影响

以辽河口区芦苇湿地不同深度(0~10、10~20、20~30和30~40 cm)土壤为研究对象,利用盐溶液淋洗土壤至不同的盐分梯度(CK、2.5、5、10 m S·cm-1),采用室内恒温培养法,探讨盐分条件对DOC浓度变化及土壤呼吸释放CO_2的影响。结果表明,56 d培养期间,盐分处理对表层(0~10 cm)土壤DOC浓度的影响不显著,对下层(10~20、20~30和30~40 cm)土壤的DOC浓度的影响显著,盐度升高降低了下层土壤DOC浓度;盐分处理对各层土壤CO_2生成速率无显著影响。不同盐分条件下,DOC浓度及CO_2生成速率在土壤深度间均差异明显,表层DOC浓度及CO_2生成速率明显高于下层。该结果为河口湿地碳循环响应水盐环境变化研究提供理论依据。     

光合能量代谢对C_3植物光呼吸的调节作用

C_3植物光呼吸与光合作用关系受光合能量代谢状况的调节。在外界无CO_2和照光条件下,贮藏性光合产物经某种转化途径能“回迁”光合与光呼吸碳循环并显著地受到光合能量代谢的影响。在无CO_2或低CO_2浓度、高光强条件下,此碳素“回迁”过程对协调光合能量代谢与光合碳素代谢平衡,可能起重要作用。     

二氧化碳和臭氧浓度升高对四季竹矿质养分含量和运输的影响

为阐明CO_2和O_3浓度升高对竹子矿质养分含量和运输的影响,以2年生四季竹(Oligostachyum lubricum)为试材,采用开顶式气室(OTCs)设置了环境背景大气[CK,(40±5)nmol·mol~(-1) O_3,(360±20)μmol·mol~(-1) CO_2]、O_3浓度升高[EO,(100±10)nmol·mol~(-1) O_3,(360±20)μmol·mol~(-1) CO_2]、CO_2浓度升高[EC,(40±5)nmol·mol~(-1) O_3,(700±35)μmol·mol~(-1) CO_2]、CO_2和O_3浓度复合升高[EOEC,(100±10)nmol·mol~(-1) O_3,(700±35)μmol·mol~(-1) CO_2]4个处理,测定了竹叶、竹枝、竹秆和竹根的Na+、Fe(~(2+,3+)、Ca~(2+)和Mg~(2+)含量,并分析了矿质营养在器官间的转运情况。结果显示:与CK比较,EO处理显著降低了四季竹植株体内Na+和Fe(~(2+,3+)含量,特别是竹根和竹叶,同时也明显降低Na+和Fe(~(2+,3+)器官间的运输能力。EC处理显著降低了四季竹植株体内Na+含量,而未改变其他矿质元素含量,但其器官中的分配格局和运输能力发生变化,尤其是竹枝向竹叶运输Ca~(2+)和Mg~(2+)的能力增强。EOEC处理显著降低了四季竹植株体内Na+含量,但显著提高了Fe(~(2+,3+)、Ca~(2+)和Mg~(2+)含量及其向上运输能力。研究表明,O_3浓度升高降低了四季竹植株体内矿质养分含量和器官间养分运输能力,在一定程度上影响四季竹的正常生长;CO_2浓度升高通过提高Ca~(2+)和Mg~(2+)向光合器官叶片的运输能力,促进四季竹生长;CO_2和O_3浓度升高复合作用能够通过提高四季竹光合器官竹叶中Fe(~(2+,3+)、Ca~(2+)和Mg~(2+)含量及其向光合器官叶片的运输能力,以维持体内矿质养分元素的平衡,提高四季竹对高浓度CO_2和O_3浓度复合环境下的适应能力。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO_2、CH_4)、氮(N_2O)和水汽(H_2O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心,是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ~(13)C)和氧稳定同位素比值(δ~(18)O)(CO_2)、δ~(13)C(CH_4)、氮稳定同位素比值(δ~(15)N)和δ~(18)O (N_2O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ~(18)O (H_2O)的观测成为可能,与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO_2及其δ~(13)C通量的箱式观测技术和方法为例,概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类,阐述了系统设计的理论要求和假设,综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题,展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

C_4,C_3,CAM植物叶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶分子聚体的比较

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)广泛存在于所有植物不同部位(或器官)中,在C_4和CAM植物的CO_2固定上起着重要作用。近几年来在C_3植物中也加强了有关PEPC的研究。本文用SDS和原性凝胶电泳的方法,比较不同光合型植物和不同环境条件下PEPC分子亚基和聚体的差异,为进一步研究代谢功能的调节和分子聚体的关系提供依据。