高浓度CO_2下植物内源激素响应机制研究进展

随着工业化的不断发展,特别是化石燃料的使用迅速增加,大气CO_2浓度随之不断上升。CO_2浓度的不断升高会很大程度的影响植物生长发育,而植物体内各种激素之间的相互协调是调节植物生长发育的重要途径。因此,研究大气CO_2浓度升高后植物内源激素含量的变化及内在响应机制将有重大的意义及发展前景。现阶段,对于高CO_2浓度下植物根系形态、生长发育等研究的比较广泛,但与植物内源激素相结合的研究还甚少。回顾了其他学者的研究成果,研究发现大气CO_2浓度升高能够加速净同化率,改善净光合,同时积累生长促进激素,减少生长抑制激素,从而调节同化物的分配,促进植物生长。并综述了植物的内源激素,包括生长素(IAA)、赤霉素(GA_3)、脱落酸(ABA)、细胞分裂素(CK)和乙烯(ET)对CO_2浓度升高的响应,分析了CO_2对于相关激素合成和信号转导途径中基因表达的影响,包括不同植物内源激素含量变化及其内在响应机制的研究进展,并展望本领域中有待深入的研究方向。     

大气中CO2浓度升高对植物的影响

大气中CO_2浓度升高以及由此所引起的温室效应已成为人们普遍关注的议题。在未来的世界里,CO_2浓度将持续上升。预计到21世纪中叶,CO_2浓度可能达到700ppm。一些试验结果表明;CO_2浓度升高对多数植物的个体生长发育有促进作用,其中包括种子的发芽率提高,幼苗生长加快,叶面积增大,根系数量增多,气孔数量减少,茎干生长轮加宽,开花期提早,种子产量提高等。但是,CO_2浓度升高对植物也有不利影响。在高CO_2浓度环境中,由于过量产生的碳水化合物在叶片中的积累和矿物质的不平衡,许多植物在生长后期生长缓慢或出现负增长;个体生长发育规律的变化将导致一些增长种群逐渐向衰退种群过渡;C_3类杂草的加速生长将引起农业欠收;群落结构与组成的变化将促使一些植物走向绝灭;植物残渣中碳氮比的改变将引起生态系统生产力的下降等。因此,对于今后大气中CO_2浓度升高的影响还要做大量的研究。     

基于Biome-BGC模型的北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应研究

研究中国北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应,对于制定合理的经营管理措施以应对区域的气候变化具有重要意义。基于对杨树人工林碳水通量的连续监测数据和对Biome-BGC模型参数的校准,模拟分析杨树人工林碳水通量及水分利用效率(WUE)对气候变化(气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升)的响应规律。结果表明,Biome-BGC模型校准后显著提升了其对杨树人工林碳水通量的模拟精度,对GPP、ET模拟结果的Nash-Sutcliffe效率系数(NS)分别为0.69和0.63,各自提高了64.3%和80%,均方根误差(RMSE)则分别降低至1.94 g C m~(-2) d~(-1)和0.88 mm/d,分别下降了26.5%和25.4%。在未来气候变化情景中,单独的气温上升、降水增加和大气CO_2浓度上升分别造成GPP的降低、升高和升高,其中GPP对大气CO_2浓度上升的响应程度(28%—44%)远高于对气温上升(1%—5%)和降水变化(3%—10%)的,ET则主要受降水的影响,响应程度在5%—14%之间。GPP和ET对气候变化的响应则受不同水平的气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升三者综合作用的影响。基于GPP和ET对气候变化的响应,WUE随气温上升、降水增加表现为降低趋势,随降水减少和大气CO_2浓度升高则呈升高趋势;其对未来气候中大气CO_2浓度升高的响应程度为27.7%—43.6%,远高于对气温上升(1.2%—5.8%)和降水变化(1.2%—3.5%)的,说明未来气候变化中大气CO_2浓度上升是促进杨树生长的主要因素;其中相对于当前WUE(2.8 g C/kg H_2O),C2T2P1和C0T3P0情景下WUE的升高和降低幅度最大,分别为45.4%和5.8%。     

CO2浓度增加对玉米杂交种和亲本叶绿体类囊体膜光合特性的影响

当今世界工农业生产迅速发展,人口急剧增加,对能源的消耗也与日俱增。因此大气层中的 CO_2浓度不断升高。有专家预计,到21世纪后期,全球的 CO_2浓度将会升高一倍。伴随着 CO_2浓度的升高,全球的气温也将升高5—6℃。随着大气和温度的变化,其他气候因子也会发生相应变化,这些都将给植物生长发育带来预想不到的影响。因此 CO_2浓度     

新疆准噶尔盆地早侏罗世掌鳞杉科植物化石 及古大气CO2浓度

植物化石气孔参数分析是目前恢复古大气二氧化碳浓度较为精准的方法之一,银杏类和松柏类等是恢复古大气CO_2浓度常用的化石类群。本文利用新疆准噶尔盆地下侏罗统三工河组的松柏类掌鳞杉科Brachyphyllum(Hirmeriella?)sp.化石对早侏罗世大气CO_2浓度进行了重建,获得早侏罗世大气CO_2浓度为～1200ppm,丰富了早侏罗世大气CO_2浓度信息,进一步说明掌鳞杉科植物通过气孔比率法在重建侏罗纪大气CO_2浓度方面的可靠性。掌鳞杉科植物的旱生构造和较高的大气CO_2浓度表明早侏罗世Toarcian期大洋缺氧事件在陆地生态系统内可能产生了一定的响应。     

第六讲 光合作用生理生态的若干问题

一、二氧化碳的供应问题CO_2和水是光合作用的两个主要原料。对陆生植物来说,CO_2与水的不同之处是CO_2以气体状态存在和被利用。它分布很广,也颇均匀,但浓度极低。目前大气中约含340 ppm,相当于0.67毫克/升(标准状     

不同天气水稻光合日变化对大气CO2浓度和温度升高的响应——FACE研究

人类活动导致大气二氧化碳浓度(CO_2)升高、全球气候变暖和光合有效辐射(PAR)降低,影响着绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度、高温和低PAR对水稻光合日变化特征的影响,利用中国稻田开放空气CO_2浓度升高系统(free air CO_2enrichment,FACE),以常规粳稻南粳9108为试验材料,设置了环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)、环境温度和增高温度(增1—2℃)交互的4个处理,从9:00到17:00每隔1h测定了阴天和晴天水稻的光合作用,研究了不同天气对水稻光合日变化对大气CO_2浓度和温度升高的响应。观察到不同天气条件下水稻光合日变化的不同特征,晴天Pn为双峰曲线,发生了光合"午休",阴天未发生。结果表明,高CO_2浓度显著提高了水稻Pn,温度升高有降低水稻Pn趋势,CO_2浓度增加200μmol/mol对水稻光合作用的促进效应远大于增温1—2℃对其的抑制效应。高CO_2浓度显著增加了水稻胞间CO_2浓度(Ci),降低了水稻蒸腾速率(Tr),平均降幅为10.8%—22.0%。高温有降低Ci的趋势,增加了Tr,平均增幅达5.0%—13.5%。晴天比阴天增加了水稻Tr,平均增幅为9.8%—31.2%。CO_2浓度和温度同时升高显著降低了水稻气孔导度(Gs)。这些结果说明CO_2浓度、温度和PAR对水稻水分利用率(WUE)产生综合影响。阴天PAR比晴天平均低53.3%,阴天水稻Pn比晴天显著低,平均降幅达37.1%—72.0%。与对照比较,高CO_2浓度处理,较高PAR(晴天)条件下水稻Pn的增幅(38.6%—58.4%)显著大于较低PAR(阴天)条件下水稻Pn的增幅(21.6%—38.8%),这一现象值得关注和深入探讨。研究结果表明,评估气候变化对水稻生产的影响,需同时考虑未来大气CO_2浓度和温度升高以及PAR下降的因素及其相互作用。     

高CO2浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究

大气二氧化碳(CO_2)浓度增高导致全球变暖,但作为光合作用底物促进绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度对杂交水稻结实期光合日变化的影响,2014年利用稻田FACE(Free Air CO_2Enrichment)平台,以生产上曾创高产纪录的两个杂交稻新组合甬优2640和Y两优2号为供试材料,设置环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)两个水平,测定杂交稻抽穗期和灌浆中期光合作用日变化和成熟期生物量。结果表明,高CO_2浓度环境下两组合抽穗期叶片净光合速率均大幅增加(全天平均52%),但灌浆中期的平均增幅减半,其中Y两优2号这种光合下调表现更为明显。大气CO_2浓度升高使两杂交稻组合抽穗和灌浆中期叶片气孔导度均大幅下降,导致蒸腾速率下降而水分利用效率大幅增加,Y两优2号气孔导度和蒸腾速率对CO_2的响应上午大于下午,而甬优2640表现相反。尽管大气CO_2浓度升高使杂交稻结实期不同时刻胞间CO_2浓度均大幅增加,但对气孔限制值特别是胞间CO_2与空气CO_2浓度之比多无显著影响,两品种趋势一致。大气CO_2浓度升高对甬优2640地上部生物量及其组分的影响明显大于Y两优2号,CO_2与品种间多存在互作效应。以上结果表明,与甬优2640相比,Y两优2号最终生产力从高CO_2浓度环境中获益较少可能与该品种生长后期存在明显的光合适应有关,但这种光合适应似乎不是由气孔限制造成的。     

大气CO_2浓度升高对辣椒光合作用及相关生理特性的影响

研究大气CO_2浓度升高对辣椒光合作用及相关生理特性的影响,揭示大气CO_2浓度变化与辣椒光合作用及生理指标之间的关系,为辣椒的栽培管理及果实加工提供理论参考。利用OTC(open-top chamber)系统,采用盆栽试验,研究CO_2浓度增高200μmol·mol-1对辣椒形态指标、叶片生理指标、光合参数、光合色素、维生素C(Vc)含量、糖类化合物和产量的影响。结果表明:大气CO_2浓度升高促进了辣椒生长,增加株高、产量和植株总生物量。叶片净光合速率(Pn)、胞间CO_2浓度(Ci)和水分利用效率(WUE)明显提高;开花坐果期气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)增加,结果期气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)下降;大气CO_2浓度升高促进辣椒叶和辣椒果实中Vc含量的显著升高,叶片中叶绿素和糖类化合物含量也显著增加;CO_2浓度升高能改善辣椒叶片光系统,增加光合作用,促进辣椒代谢物质的积累,有利于辣椒的生长发育。     

大气CO2浓度和温度互作对水稻生长发育的影响

大气二氧化碳(CO_2)浓度和温度的增加是全球气候变化的两个最主要特征。目前空气中的CO_2浓度已从1800年的不到280μmol/mol上升到391μmol/mol,预测本世纪末最高将增至936μmol/mol。伴随CO_2及其它温室气体增强的温室效应,相比1980—1999年,2100年之前全球地表平均气温将增高1.5—4.0℃。水稻是人类最重要的食物来源,为全球半数以上人口提供营养。在介绍CO_2浓度和温度增高试验平台的基础上,系统总结了CO_2浓度和气温这两个重要的环境因子特别是两者的交互互作对水稻影响的实验进展,内容包括光合作用、生育进程、分蘖发生、物质生产、籽粒产量、受精过程、碳氮代谢、稻米品质以及水稻/杂草竞争等方面。结果表明,作为光合作用的底物,大气CO_2浓度增高对水稻生产力的直接影响通常是有益的;相反,气温升高及其与CO_2的互作对水稻各生长过程的影响变异很大(从负到正),反映了处理因子(包括CO_2-温度处理水平和时间)、供试品种及其生长条件之间复杂的交互作用。目前这一方向有限的认识多来自于封闭或半封闭气室的研究,未来研究的重点是利用稻田T-FACE(Temperature-Free Air CO_2Enrichment)技术结合气室试验展开更多更深入的学科交叉研究,研明CO_2浓度与温度的交互作用对水稻关键生长过程的影响,并找出这些互作效应的生物学机制,增强人们对气候假定情景下水稻响应的预测能力,进而更加有效地制订出应对气候变化的适应策略。     

CO_2浓度升高对媒介昆虫及其所传植物病毒的影响研究

由于全球气候变化,CO_2浓度升高对生态系统产生的影响已成为国际关注的焦点。媒介昆虫传毒引起的植物病毒病是农业生产的一个重要影响因素之一。"CO_2-植物-媒介昆虫-病毒"是一个复杂的系统,围绕CO_2浓度升高对植物的影响、CO_2浓度升高对"植物-媒介昆虫"相互关系以及CO_2浓度升高对媒介昆虫及其传播病毒发生的影响已开展了大量研究。本文主要从CO_2浓度升高对植物、CO_2浓度升高对媒介昆虫和植物以及CO_2浓度升高对媒介昆虫所传病毒发生等方面阐述CO_2浓度升高对媒介昆虫及所传植物病毒发生的影响。研究表明,CO_2浓度升高对于媒介昆虫和病毒本身的直接影响较小,主要影响植物初级和次生代谢过程,主要通过引起植物在基因表达、生理生化、营养水平以及生长等各个层面的变化来影响植物,从而通过级联效应改变"植物-媒介昆虫-病毒"之间的互作关系。     

高山植物的光合生理特性研究进展

高山植物的光合作用受强辐射、低温和干旱环境的影响。近年来,大气CO_2浓度上升和全球气候变暖的趋势日益明显,影响着高山植物的光合生理。本文综述了强辐射、低温和干旱等高山环境因子以及全球气候变化引起的大气CO_2和温度上升对高山植物光合特性的影响,并提出未来高山植物光合生理的研究热点主要是开展不同地域的高山植物光合特性研究,环境因子交互作用对高山植物光合特性的影响研究,不同植物的光合特性对全球气候变化响应的差异,模拟土壤有效养分含量增高对高山植物光合特性的影响,建立数学模型预测全球气候变化对高山植物动态的影响以及通过长期定位研究探索不同生长阶段高山树木的光合特性。     

CO_2浓度升高对水体硝化、反硝化作用的影响研究进展

大气CO_2浓度升高潜移默化地影响着水体生态系统的碳循环过程.然而,该过程如何影响与其耦合的氮循环过程仍不明确.水体硝化、反硝化过程作为水体氮循环的重要环节,必然会对大气CO_2浓度升高产生一系列的响应.本文总结了国内外关于大气CO_2浓度升高对水体理化性质、硝化作用、反硝化作用及N形态转化影响方面的研究工作,发现大气CO_2浓度升高会降低水体的p H,增加水中CO_2和HCO_3^-含量,但对富营养化与寡营养化水体中硝化、反硝化作用的影响具有明显差异.大气CO_2浓度升高抑制寡营养化水体的硝化作用和反硝化作用,降低N2_O的释放通量,抑制富营养化水体的硝化作用,但当水体pH在7～9时,可能促进反硝化作用,增加N2_O的释放通量,最终可能导致水体中NH_4^+的积累及NO_3^-浓度的降低,影响水体中微生物的多样性.在此基础上提出目前相关研究存在的瓶颈问题及值得深入探讨的科学问题,为进一步深入理解温室效应背景下全球CO_2浓度升高对水体生态系统N循环的影响提供参考.     

Cd污染及其与大气CO2浓度升高、N添加复合作用对大叶相思生长的影响

为了解Cd污染胁迫下树木对CO_2浓度升高、N添加及其复合作用的响应,应用开顶箱,探讨Cd及其与CO_2、N的复合作用对大叶相思(Acacia auriculiformis)基径、树高和生物量的影响。结果表明,Cd添加抑制大叶相思基径、树高和生物量的增长,并且具有时间滞后性;大气CO_2浓度升高、N添加及CO_2+N均有缓解Cd对植物生长抑制作用的趋势,其中, N添加更能促进大叶相思基径的生长,树高生长则对CO_2升高更为敏感;在Cd污染土壤中,N添加的缓解作用最显著。因此,氮肥管理是重金属污染土地修复初期促进植物修复的重要策略。     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

二氧化碳浓度升高对陆地生态系统的影响:问题与展望

理解生态系统对过去、现在和未来CO_2浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO_2浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响,碳氮周转,生态系统渐进式氮限制(PNL)形成,与其他胁迫因子(O_3污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展,但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO_2浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点,回顾了CO_2浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展,重点论述了CO_2浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足,在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

FACE实验技术和方法回顾及其在全球变化研究中的应用

化石燃料的燃烧和城市化进程的加快导致大气中二氧化碳(CO_2)和臭氧(O_3)浓度日益升高,大气气体浓度的变化会对植物个体和陆地生态系统结构与功能产生影响。CO_2浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力,而O_3导致作物减产和生态系统固碳损失。自由空气中气体浓度增加(FACE)系统是最接近自然的一种模拟大气气体浓度增加对生态系统影响的研究平台,已广泛应用于各种生态系统,为理解陆地生态系统生态过程对全球变化的响应及评估未来情景的生态风险提供了重要科学依据。该文从FACE技术特点出发,介绍了国内外建成的大型CO_2/O_3-FACE系统,分析了FACE系统的不同布气方式在不同生态系统研究过程中的优点与缺点,概述了全球FACE运行的现状和取得的主要成果,并指出了FACE系统存在的主要问题和前沿研究方向。     

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。     

大气CO_2浓度升高对植物-植食性昆虫的作用机制

大气二氧化碳浓度升高及其伴随的全球变暖引起国内外科学家的极大关注。CO2浓度升高主要通过改变植物的初级和次级代谢产物,影响以之为食的昆虫。本文结合作者近年来的研究成果,着重于以CO2浓度升高为作用因子,以植物和植食性昆虫的相互关系为对象,比较了咀嚼式口器昆虫与刺吸式口器昆虫对大气CO2浓度升高的响应特征,分析了不同取食类型昆虫-植物对大气CO2浓度升高的响应机制。