灵长类认知相关基因-Microcephalin和PACAP 前体基因的分子进化研究

人是生命演化的产物。然而由于具有一个超级大的大脑和高级的认知能力， 人类在自然界中又显得十分与众不同。在灵长类进化过程中，脑容量大小和认知 能力高低可以明显的分成几个等级，由高到低依次为人类、大猿和其它灵长类。 现在一般认为，人类超级大的大脑的形成是适应性选择(达尔文正选择)的结果。 但人类高级认知的起源一直还是个未解之谜。随着分子进化理论和比较基因组学 的发展，人们有可能从分子进化的角度去探讨高级认知的起源问题，并揭示其遗 传学机制。 本文从两个不同的角度入手，通过对认知相关的候选基因的分子进化研究来 探索高级认知起源的遗传学机制。1. 从表型出发，发现microcephalin 基因跟小 脑症相关。我们推测，该基因可能在人类起源过程中发生一些突变，导致脑容量 增大。2. 比较基因组学方法发现垂体腺苷酸环化酶激活肽(PACAP)前体基因在人 类支系中存在正选择。这类受正选择的神经相关基因可能在进化过程中对认知能 力的提高发挥重要作用。 Microcephalin 基因在人脑的发育过程中起重要作用。导致该基因蛋白质翻译 提前终止的突变，会引起人类小脑症，患者脑容量回复到早期原始人的大小。我 们对人群和12 个非人灵长类物种的microcephalin 基因编码区进行测序。所测的 非人灵长类物种包括大猿、小猿、旧大陆猴和新大陆猴。结果显示，microcephalin 基因在人群中具有较高的多态性。在人群中编码区有22 个多态位点，其中有15 个是错义突变位点。中性检验结果显示，microcephalin 基因的高多态性是人类群 体扩张和达尔文正选择共同作用的结果。灵长类各支系的进化分析表明， microcephalin 基因在大猿的起源过程中受到较强的正选择信号。这正好和小猿向 大猿进化过程中大脑容量急剧增大，认知能力大幅度提高的事实相符。单个氨基 酸编码位点检验显示，microcephalin 基因有五个氨基酸位点在灵长类的进化过程中存在正选择信号。这几个位点可能在灵长类进化和人类起源过程中，对脑容量 的增大和认知能力的提高起到了重要的作用。 PACAP 是一个神经系统中高表达的神经肽，与神经发生和神经信号传导有 关。该基因的氨基酸序列在脊椎动物的进化过程中非常保守，表明PACAP 前体 基因在这一进化历程中受到强烈的功能限制。然而比较序列分析显示，自从人与 黑猩猩分歧以后，人类支系中PACAP 前体基因有明显的加速进化。由于存在强 烈的正选择作用，人类支系的氨基酸替换速率是其它哺乳动物支系的至少7 倍。 PACAP 前体基因中有7 个人类特异的氨基酸改变，而这些氨基酸在从鼠类到大 猿的所有物种中都是保守的。蛋白质结构分析结果显示，人类起源过程中，PACAP 前体基因可能编码一个新的神经肽，并在人脑中具有功能。因此，在人类起源过 程中，PACAP 前体基因发生了适应性的改变，可能对人类认知能力的产生起到 了重要作用。这个新神经肽是否存在及其功能还有待于进一步功能实验的验证。 总之，本文通过分子进化分析，发现了两个在灵长类进化过程中对认知能力 的提高起关键作用的基因(Microcephalin 基因、PACAP 前体基因)。Microcephalin 基因，在1400-1800 万年前，从小猿向大猿的进化过程中，可能对脑容量的增大 和认知能力的提高发挥了重要的作用。PACAP 前体基因则在最近的几百万年内， 现代人的起源过程中，对人脑的形成以及人类高级认知能力的产生可能发挥了重 要的作用。

三叶因子在结直肠癌组织中的表达与临床关系及三叶因子-2在大肠杆菌中的重组表达和活性研究

癌症是世界发达国家和许多发展中国家人口的疾病主要死亡原因之一，其中，每年结直肠癌的新增病例和死亡病例排在癌症的第三位。在我国，北京、上海等地的统计资料显示，结直肠癌的发病上升很快 ，已排在癌症的第二位。结直肠癌的发生发展过程涉及一系列细胞和分子事件的改变，包括基因结构的异常和基因表达谱的异常。三叶因子（trefoil factor, TFF）是在上世纪80年代末到90初初由不同研究小组先后发现的含特殊的三叶因子结构域的蛋白多肽，其结构域的特征是含38-40个氨基酸残基的肽段中，有6保守的个半胱氨酸残基以1—5、2—4、3—6的方式形成二硫键，从而形成紧密的三叶结构域。在哺乳动物体内目前发现的三叶因子有三种，由粘膜组织内不同细胞合成并分泌到粘膜表面，对粘膜起保护作用。在粘膜损伤时，可通过多种途径促进上皮细胞迁移和抑制细胞凋亡，并促进血管形成，参与粘膜损伤的修复和重建。三叶因子在肿瘤组织中表达，则可能对癌症的发展起促进作用。研究资料显示，三叶因子在肿瘤中的表达异常与多种肿瘤的发生和发展过程有关。我们通过DNA测序检测结直肠癌组织中TFF1和TFF3基因各外显子的核苷酸序列，以确定是否存在基因突变。并用QRT-PCR和免疫组织化学的方法检测结直肠癌组织中TFF1和TFF3的mRNA和蛋白质的表达水平，分析其表达与结直肠癌的临床和病理特征之间的关系。同时，用ELISA方法检测结直肠癌患者血清中TFF1和TFF3的含量，以分析其与临床的关系，并逐步研究这两种三叶因子有否可能作为结直肠癌有用的血清分子标记。 目前得到以下研究结果：①在TFF1基因5`-端非翻译区位于起始密码上游—2bp处有一高频率的（C→T）突变位点,频率为40%，在其他非编码区也发现若干个较低频率的突变位点。未发现TFF3的基因突变；②TFF1和TFF3的mRNA水平在不同患者结直肠癌组织中的表达水平差异很大。与临床病理关系由于样品例数较少，未作统计学出理。结直肠癌组织中TFF1和TFF3蛋白表达检出阳性率分别为90%和94%。TFF1的表达与结直肠癌临床及病理类型未发现统计学意义，TFF3的表达上调与肿瘤淋巴结转移有关；③结直肠癌患者血清中TFF1的含量为（78.6575±53.300ng/ml），比健康人群血清TFF1含量（19.6457±5.3880ng/ml），增高约4倍，这一结果属首次报道。结直肠癌患者血清中TFF3的含量为（27.96±21.985ng/ml），比正常人群血清TFF3含量（9.0875±2.0315ng/ml）增高约3 1 倍。TFF1和TFF3能否作为结直肠癌的血清分子标志，尚需完善相关资料和作进一步研究。 TFF1和TFF3分别含一个三叶结构域，在靠近C-末端有一个游离的半胱氨酸巯基，TFF1和TFF3通过此二硫键形成同源二聚体，是其活性的主要形式。TFF2含两个三叶结构域，在三叶结构域外其靠近N-端和C-端各有一个半胱氨酸，两者以二硫键相连，形成紧密的结构。我们用pET系统克隆和表达人TFF2(hTFF2)，以及TFF2三叶结构域外二硫键解开的突变型TFF2(MhTFF2)，并测定细胞迁移活性。结果获得高效表达的hTFF2和MhTFF2，占细胞质总蛋白量的40%以上，经亲和层析后得到样品纯度在95%以上。对HCT116细胞株的划痕试验表明，hTFF2和MhTFF2对HCT116细胞具有迁移作用，细胞迁移数约为对照BSA的1.5倍。 结论:①结直肠癌组织中三叶因子-1和三叶因子-3基因突变不是三叶因子表达异常的主要原因；②TFF1和TFF3的转录水平在不同结直肠癌组织中有很多差异，TFF3蛋白的高表达与结直肠癌淋巴转移有关；③血清中TFF1和TFF3的含量检测可能会成为结直肠癌有用的血清分子标志；④pET质粒系统可高效表达可溶性三叶因子-2，并可表达获得有细胞迁移活性的重组融合蛋白TFF2；⑤TFF2的三叶结构域外的二硫键对TFF2的细胞迁移活性不是必须的。

脊椎动物犁鼻器受体2基因超家族的分子进化研究

信息素是由一个个体分泌并被同种另一个体感受并识别的化学物质，随之从生理和行为水平上引发与居群和生殖相关的变化。在陆生脊椎动物中，大部分信息素是通过犁鼻器（VNO）来感知的，也有一部分被主要嗅觉系统所感知。在犁鼻器感觉神经元中，已经有两个G蛋白偶联受体超家族V1R和V2R被鉴定为信息素受体。V1R的编码区没有内含子，因而相对容易把它们从基因组序列中鉴别出来。相反地，V2R有一个很长而且高度变化的膜外氨基端，并具有由多个外显子编码的复杂基因结构。到目前为止，关于信息素受体的大部分研究都集中于V1R中。 通过多种生物信息学手段的综合应用，我们从大小鼠基因组序列中鉴别出了V2R基因并首次描述了大小鼠中V2R基因超家族的全貌。大小鼠V2R基因超家族由大约200个功能基因和假基因构成，经历了快速的基因生/灭和氨基酸替换过程，反映了其对环境中物种特异的信息素的适应。我们发现氨基端区域的平均dN/dS比非氨基端区域的比值高出2～3倍，提示可能有相对较弱的纯化选择和/或正选择作用于这个区域。用似然法检测到27个经历了正选择的位点，这些位点都分布在可能是信息素结合区域的氨基端，表明正选择压力可能使V2R基因保持了识别环境中多样的信息素信号的能力。基因组和系统发育分析显示啮齿动物的V2R基因由于近期的串联重复和/或基因丢失事件而形成许多物种特异的簇，并可以划分为四个家族。此外，我们在氨基端和非氨基端区域都鉴别出一些高度保守的位点，这些位点可能在保持功能域的结构和稳定性方面具有重要作用。我们的工作为将来进行V2R基因的功能研究提供了有价值的线索。 此外，我们还对包括胎盘哺乳类、有袋类、两栖类和硬骨鱼类在内的整个脊椎动物的V2R基因超家族概貌进行了研究。结果表明脊椎动物V2R基因的形成可能早于犁鼻器（VNO）在古代四足动物中的出现。我们所研究的这些物种中的V2R基因数目存在巨大变化，表明其在脊椎动物进化历史中发生了多次基因重复和基因丢失事件。在灵长类动物、食肉动物和有蹄动物中没有发现完整的V2R基因，假基因的数量也很少，而在啮齿动物和负鼠中却鉴别出了～200个V2R基因。这些结果与形态解剖学上表达Gα0亚基的犁鼻器感觉神经元是否存在是一致的。出乎我们意料的是，爪蟾中V2R基因超家族成员的数量巨大。近期的研究提示V2R可能和犁鼻器受体细胞的发育有关，因此，爪蟾中庞大的V2R基因数目可能与犁鼻器在两栖动物中的形成相关，V2R在这个器官形成的过程中可能发挥着重要作用。

TRIM5-CypA融合基因与北平顶猴易感HIV-1的机制研究

天然免疫分子TRIM5α（tripartite motif protein 5α）是近年来发现的一种重要的宿主细胞内逆转录病毒限制因子。在灵长类动物细胞中，TRIM5α蛋白可以在病毒进入细胞后、逆转录前的阶段抑制HIV-1、N-MLV和EIAV等逆转录病毒的复制。由于TRIM5α分子的作用，绝大部分旧大陆猴（Old World monkey）都不能感染HIV-1。而在新大陆猴（New World monkey）中，鹰猴是唯一不感染HIV-1的灵长类动物。研究证明，鹰猴细胞中存在的TRIM5-CypA融合蛋白（owl monkey TRIM5-CypA，omTRIMCyp）介导了抗HIV-1的作用，从而使鹰猴不能感染HIV-1。研究证明，平顶猴是旧大陆猴中唯一报道可以感染HIV-1的灵长类动物，但是其感染HIV-1的机制并不清楚。根据现行的灵长类动物分类学，原属平顶猴群体（M. nemestrina group）的三个亚种分为猕猴属的三个不同种：巽他平顶猴（Sunda pig-tailed macaque，M. nemestrina），北平顶猴（Northern pig-tailed macaque，M. leonina）和明打威猴（Mentawai macaque，M. pagensis）。本论文对中国云南境内北平顶猴TRIM5基因座和感染HIV-1的相关性进行了研究。通过PCR和测序对北平顶猴基因组TRIM5基因座进行分析，发现一个CypA假基因的cDNA通过逆转座机制插入至TRIM5基因座的3’-UTR区域，形成了一个不同于鹰猴TRIM5-CypA的新型融合基因npmTRIMCyp（northern pig-tailed macaque TRIM5-CypA）。通过RT-PCR对npmTRIMCyp融合基因的转录本进行分析，我们鉴定出npmTRIMCyp共有3种不同的选择性剪接产物，分别为npmTRIMCypV1-V3。进一步克隆和测序这3种不同选择性剪接体，通过丰度和序列分析证实：npmTRIMCypV2是优势剪接体，可能在该融合基因产物的功能中发挥作用。研究发现北平顶猴npmTRIMCyp融合基因主要转录本中外显子7和8均被剪切掉。外显子7剪接丢失机制源于TRIM5第6内含子内 3’剪接位点的G/T突变。我们克隆了npmTRIMCyp融合基因cDNA的蛋白编码区ORF，并构建了重组表达npmTRIMCyp的载体，转染HeLa和HeLa-T4细胞并获得稳定表达的细胞株。通过感染HIV-1证实，npmTRIMCyp融合蛋白不能够限制HIV-1的感染和复制，这可能是北平顶猴作为旧大陆猴中唯一对HIV-1易感的灵长类动物的重要分子机制之一。通过HIV-1感染灵长类动物PBMCs实验证实，北平顶猴可以感染HIV-1。npmTRIMCyp可以有效地限制HIV-2ROD的复制，但对SIVmac239只有十分微弱的限制活性。通过构建鹰猴omTRIMCyp和北平顶猴npmTRIMCyp的置换剪接体（SWAP-1和SWAP-2），转染融合基因及其置换剪接体的CRFK细胞激光共聚焦实验证明，npmTRIMCyp、SWAP1和SWAP2在细胞内主要存在于胞浆中。稳定表达融合蛋白和置换剪接体的CRFK细胞感染HIV-1-GFP-VSVG分析表明，含omTRIMCyp外显子7的SWAP-1和SWAP-2均具有限制HIV-1活性，但SWAP-1的活性更强一些，这表明TRIM5结构域的外显子7可能在介导对HIV-1的限制活性中发挥了协同辅助作用。免疫共沉淀研究表明，npmTRIMCyp不能识别和结合HIV-1的衣壳蛋白。对北平顶猴中介导识别逆转录病毒区域的基因组部分进行了测序，共鉴定出46个多态性位点，表明在北平顶猴识别逆转录病毒衣壳区域存在较高的多态性。

国萤火虫的系统分类与进化研究

萤火虫因具有生物荧光现象而众所周知。狭义的萤火虫仅指萤科昆虫，而广义的萤火虫则包括萤科和雌光萤科昆虫。萤科和雌光萤科在分类上隶属于节肢动物门、昆虫纲、鞘翅目、多食亚目、软鞘类昆虫。萤火虫主要生活在热带和亚热带地区，广布于除南极洲以外的各大洲。中国地跨热带、亚热带地区，具有潜在的物种多样性，但在中国，尤其在大陆地区，对萤火虫的研究相对较少。为了更好的保护和应用中国的萤火虫，本文对中国萤火虫的系统分类和进化进行了初步研究。 本文先简单概述了自然界的发光生物类群、生物发光的原理、生物荧光的生物学意义及应用，之后，从以下几个方面对萤火虫的研究概况作了概述：首先，介绍了萤科的分类地位、形态特征、分类历史与现状，并根据文献初步总结了当前萤科分类中使用的属名、各属的物种数及地理分布概况；其次，介绍了雌光萤科的分类地位、形态特征及分类概况；第三，从宏观和微观两方面介绍了萤火虫的系统发育与进化研究概况。 根据对标本检视及对文献归纳整理的初步结果，中国萤科昆虫隶属于5亚科(Lampyrinae, Amydetinae, Luciolinae, Ototretinae, Psilocladinae)、13属(Lampyris, Diaphanes, Pyrocoelia, Lucidotopsis, Lucidina, Pristolycus, Lamprigera, Vesta, Luciola, Curtos, Drilaster, Stenocladius, Cyphonocerus)、116种，其中包括1个新种、10个中国新记录种。Lampyrinae 亚科包括7个属：Lampyris仅包括1种；Diaphanes包括18种，其中1个新种，3个中国新记录种；Pyrocoelia包括23种，其中2个中国新记录种；Lucidotopsis包括2种；Lucidina包括5种；Pristolycus包括6种，其中3个中国新记录种；Lamprigera包括3种。Amydetinae 亚科包括1个属即Vesta，该属在中国分布5种，其中1个中国新记录种。Luciolinae亚科包括2个属：Luciola包括28种，其中1个中国新记录种；Curtos包括9种。Ototretinae亚科包括2个属：Drilaster包括10种；Stenocladius包括2种。Psilocladinae亚科在中国仅分布1个属即Cyphonocerus，该属在中国仅分布3种。新种Diaphanes pectinealis的发现对Pyrocoelia和Diaphanes两个相似属的界定提出了新的挑战，因此，当前萤科昆虫分类学研究中，对这两个属的系统修订是急需的，这也表明中国萤科分类的研究对完善萤科的分类系统具有重要意义。 中国雌光萤科仅包括1个属即雌光萤属，该属主要分布于东洋区，已知种类32种，中国分布16种。为了更好了解这类特殊的发光甲虫，根据文献和对标本的检视，对雌光萤属的32种作了简要介绍，并根据文献编制了种检索表。 为了更好的探讨萤火虫的系统发育关系，本文对采自云南的18种萤科昆虫进行线粒体16S基因的部分测序，加上来自GenBank的已知同源序列，采用贝叶斯法、邻接法和最大简约法构建了包括日本、韩国和中国萤科的5个亚科、12个属共45个种50个种群及近缘科雌光萤科的1个种的系统发育树。根据所构建的系统发育树得出如下结论：萤科不是单系；Amydetinae亚科是萤科中相对原始的亚科，推测Lamprigera属（其亚科分类地位有争议，当前放在Lampyrinae）与Amydetinae有近缘关系；由于Pristolycus sagulatus （当前放在Lampyrinae，但其亚科分类地位也有争议）出现在Luciolinae中，Luciolinae的单系概念仍是一个有争议的课题；在Luciolinae中，Curtos 和Hotaria均为单系，但形态学和分子数据依然表明萤科最大的属Luciola不是单系，对这个属的再分是必需的；由于一些在亚科分类上有争议的属如Lamprigera和Pristolycus目前均放在Lampyrinae，因此，Lampyrinae是否是单系有待于这些属的分类工作的进一步完善；在Lampyrinae中，Lucidina 是单系；Pyrocoelia 和 Diaphanes均不是单系，但Pyrocoelia+Diaphanes是很好的单系。 本文首次讨论了Diaphanes属在萤科中的系统发育地位。结合形态学和行为学的观察，确立了采自云南高黎贡山的1个具有Pyrocoelia 和Diaphanes两个属的某些镶嵌特征但具有特殊的触角结构的1个特殊种即Diaphanes pectinealis的分属及新种地位。这一新种的发现对Pyrocoelia 和 Diaphanes两个属的界定提出了挑战。结合形态学、行为学和交配体系的概念，在萤科分类中应该对受性选择的特征如触角予以更多的关注。

滇南、滇东南黑长臂猿分布与数量及金平芭蕉河黑长臂猿栖息地选择与利用

长臂猿是现存最小的类人猿（俗称小猿），主要分布于东南亚的的热带雨林、季雨林及亚热带常绿阔叶林中，是典型的树栖灵长类动物。我国现有长臂猿3属5种，包括黑长臂猿(Nomascus concolor)、白颊长臂猿(N. leucogenys)、海南长臂猿(N. hainanus)、白掌长臂猿(Hylobates lar)和白眉长臂猿(Hoolock hoolock)。其中黑长臂猿是主要分布于我国云南省境内的一种长臂猿，在国外仅在越南北部和老挝西北部局部地区分布，越南北部的数量不足100只，老挝目前仅发现9群。 滇南、滇东南曾是黑长臂猿广泛分布的地区之一。为掌握该地区近年黑长臂猿分布及种群数量现状，从2003年7月～2004年12月，利用访问调查及利用鸣声定位法对该地区进行了调查。调查结果显示，在云南境内，近40 000 km2的范围内，黑长臂猿在红河以东可能已消失，而红河以西亦仅发现4～7个种群，且孤立分布于3个地区（金平芭蕉河2群6只，金平西隆山1－2群，绿春黄连山1～3群，总计不超过25只），而在江城牛倮河自然保护区、马关古林箐自然保护区、麻栗坡老君山自然保护区及屏边大围山自然保护区可能已绝迹。滇南、滇东南黑长臂猿分布区缩小及种群数量剧减，主要与栖息地丧失及过度捕猎有关。 在长臂猿数量与分布调查的基础上，我们于2004年底确定了以金平芭蕉河黑长臂猿的一个群体为研究对象进行行为生态观察。通过扫描与瞬时取样法记录，结合生境调查及物候监测，对其游走行为及生境利用格局进行了比较和分析，主要结论如下：⑴家域大小（活动范围）不是限制长臂猿日活动距离及活动时间的主要原因；⑵日活动距离及移动时间均与温度呈正相关；⑶食物资源分布及斑块丰富度一定程度上决定了长臂猿对栖息地选择与利用方式；⑷长臂猿对陡坡与沟谷利用强度较高，与其主要行为表现（如;过夜点、休息点、取食点选择）有关；⑸长臂猿过夜点选择与食物资源分布、群体间关系及鸣叫点选择无关，而可能与天气和安全性因素有关；⑹果实树分布对取食点、休息点选择作用明显，而物候变化及食物可得性可能是影响长臂猿对栖息地利用季节性变化的主要原因；⑺在一定程度上，人为干扰只是在短时间内改变了长臂猿的活动路线或时间，而对其总体的生境利用策略并没有太大影响。食物资源的分布及季节性变化在长臂猿的游走行为及生境利用中均起到了重要作用。

华南沿海近100年来2月份的极端气温事件

采用IPCC AR4规定的极端天气事件划分标准，分析1908—2008年广州、香港、

正常及光感受器损伤兔眼视网膜下芯片植人后的电生理结果

目的 观察视网膜下芯片所引起的光感受器损伤及正常兔眼的电生理改变。方法 青紫蓝兔共30只，其中22只兔NaIO_3生理盐水溶液静脉注人后眼光感受器受到损伤。将一个由90个微光电二极管组成的阵列和相连电极构成的直径约3 mm的芯片通过巩膜切口植人4只正常及22只注药后光感受器损伤兔右眼的视网膜下腔或脉络膜中,左眼为对照眼;分别检测芯片眼及对照眼局部闪光视觉诱发电位（F-VEP)、局部闪光视网膜电图(F-ERG)、全视野闪光VEP及全视野闪光ERG.另外4只兔双眼摘作病理检查。结果 22只色光感受器损伤兔中有11只芯片眼的局部ERG主波振幅明显大于对照眼；4只正常兔中，2只芯片眼的局部ERG主波振幅大于对照眼。1只芯片眼表面视网膜出现破孔不能引出任何波。局部VEP及全视野闪光VEP重复性较差，全视野闪光ERG未见明确差别。结论 植人的芯片在受到光刺激后可刺激局部视网膜并引起局部视网膜的电活动。

1．55μm Si基光电探测器的研究进展

从材料的生长、器件结构的选择等方面对1．55μm锗光电探测器的研究进展进行了综述，对Ge量子点共振腔增强型光电探测器的应用前景进行了探讨与展望。

1.55μm Fabry-Perot Thermo-Optical Tunable Filter with amorphous-Si as Cavity

A 1.55μm Fabry-Perot (F-P) thermo-optical tunable filter is fabricated. The cavity is made of amorphous silicon (a-Si) layer grown by electron-beam evaporation technique. Due to the excellent thermo-optical property of a-Si, the refractive index of the F-P cavity will be changed by heating; the transmittance resonant peak will therefore shift substantially. The measured tuning range is 12nm, FWHM (full-width-at-half-maximum) of the transmission peak is 9nm, and heating efficiency is 0.1K/mW. The large FWHM is mainly due to the non-ideal coating deposition and mirror undulation. Possible improvements to increase the efficiency of heating are suggested.

镜面起伏对1.55 μm Si基MEMS光滤波器的影响

用传输矩阵方法，在简化的光学模型基础上，分别讨论了分布式Bragg反射镜DBR（Distributed Bragg Reflector）的生长精度及镜面起伏对1.55 μm Si基MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）可调谐光滤波器透射谱的影响。计算表明

1.5μmInGaAsP/InP P型衬底隐埋新月型（PBC）结构激光器

于2010-11-23批量导入

气候变化对东北森林主要建群种潜在分布的影响

在过去近百年全球气候迅速变暖的过程中，中国东北地区的气候变化幅度更显突出。各种大气环流模型的预测结果表明，该区在未来百年内的升温将更加急剧。东北地区的森林在过去的百年内已经遭受了气候变暖、自然和人类干扰的三重压力，森林的质量已经急剧下降，数量也大大减少。未来剧烈的气候变化将会对它产生怎样的影响无疑是人们所关注的热点。 本文以整个东北地区的森林为研究对象，以景观生态学原理为基础，结合地理信息系统以及多种数学方法和统计模型，分析过去40年以及未来100年的气候变化特点和趋势，探讨了东北地区目前的森林植被与环境因子的数量关系，探讨了未来气候变化对东北森林建群种以及目前占优势的落叶松属树种潜在分布的影响。以此为东北地区的生态环境保护、林业的持续发展提供一些基础信息。 通过本论文的相关研究，得出以下主要结论： （1）在过去40年中，区域的气候朝温暖和干旱化方向发展。1966-1970是最为寒冷的5年，而1969年是最寒冷的年份；2001-2003是最为炎热的3年。降水的变化具有以下的规律：南部的多雨期出现的比北部早，东部的多雨期比西部的早。而在未来100年，东北的气温会持续上升，2050年气温平均上升2.7℃左右，2100年达到6℃左右。升温具有如下特点：南部增温幅度比北部小，东部的增温幅度比西部小。降水的变化在整体上没有明显的规律，2050年，东部和西部的降水减少，而北部和南部则增加；2100年，东部、东北部和南部的降水减少，而西部的降水增加。 （2）用典范对应分析对目前的植被与环境因子的数量关系进行研究，同时检验了样方大小以及样带的走向对排序结果的影响。结果表明： 在区域尺度上，沿小兴安岭走向设置的样带1是一条海拔和温度的综合梯度带，样带的东南部气温较高，海拔较低，西北部正好相反。寒温带针叶林（兴安落叶松等）分布于样带西北部，温带针阔叶混交林（红松等）分布于东南部。 沿大兴安岭走向设置的样带2是一条降水、温度和海拔的综合梯度带，样带西南部的降水较多，气温较高，海拔也较高，而东北部的环境条件则相反。寒温带针叶林（兴安落叶松林、樟子松林等）分布样带东北部，温带针叶林（油松等）落叶阔叶林（榆树疏林等）分布于海拔较高的样带西南部。 沿长白山脉走向设置的样带3森林类型最为丰富，体现了海拔和温度的综合梯度，海拔梯度的方向与样带走向近于垂直，样带西南部的温度较高。寒温带针叶林（臭冷杉林、鱼鳞云杉林等）分布于样带北部；温带针叶林（油松、赤松等）和阔叶林（辽东栎林、麻栎林等）分布于样带南部。 在景观尺度上，设置于呼中自然保护区的样带是一条海拔、温度和降水的综合样带；设置于丰林自然保护区的样带1是一条海拔和坡度的样带。大尺度上的排序分析有利于我们从整体上把握植被和环境因子之间的数量关系，但是也存在一些问题。例如，样方的大小和样带的走向都会影响到排序的结果。双序图中的物种在环境梯度上的位置是相对的，需要和该样方具体的环境值域结合起来解释物种的环境分布。同一条样带以不同的方式取样时，狭布种的排序结果会发生变化，而广布种的排序的结果变化不大。 （3）在考虑2个气候因子、3个地形因子和6个土壤因子的基础上，用logistic回归模型，模拟预测三种气候变化方案-HADCM2SUL、CGCM1和CGCM2-对东北森林建群种未来潜在空间分布的影响。 （a）HADCM2SUL方案: 气温上升3.5℃，降水增加30.7%； （b）CGCM1方案: 气温上升5.2℃，降水增加25.1%， （c）CGCM2方案: 气温上升3.33~7.17℃，降水变幅-66~115mm， 本文所采用的HADCM2SUL和CGCM1气候变化方案是它们的全球平均值。而CGCM2是针对中国东北地区的，具有空间异质性的气候变化方案。结果表明，除了山杨的潜在分布不受影响之外，其他建群种受气候变暖的影响的方向以及程度依气候变暖方案的不同而不同： HADCM2SUL方案下，兴安落叶松潜在分布面积急剧减少，云杉、冷杉和白桦开始减少，红松、长白落叶松和蒙古栎增加。 CGCM1方案下，兴安落叶松几乎消失，云冷杉急剧减少、白桦，红松减少、长白落叶松和蒙古栎仍然增加。 CGCM2方案下，兴安落叶松、云冷杉和红松完全消失，长白落叶松大量减少，蒙古栎和白桦的存在概率减少。 （4）在考虑2个气候因子和3个地形因子的基础上，用权重证据法（Weight Of Evidence，WOE）和logistic回归模型，对落叶松属三个树种的潜在分布研究表明，兴安落叶松的生境是三者之中最为寒冷和干旱的，长白落叶松倾向于温暖湿润的环境，华北落叶松则趋向于温暖以及较干旱的环境。CGCM2气候变化方案下，兴安落叶松潜在分布区将完全退出东北；长白落叶松潜在分布区将从目前的长白山地区向北迁移到小兴安岭南部以及张广才岭和老爷岭的大部分地区；而目前位于大兴安岭最南端的华北落叶松则可能迁移到大兴安岭中段的乌兰浩特附近山区。

长白山阔叶红松林CO2收支特征

植被-大气间CO2交换研究对准确评价陆地生态系统碳收支有重要意义。本研究以我国北方典型的植被类型—长白山阔叶红松林为研究对象，以国际公认的涡度相关技术为主要手段，结合微气象观测和生物学实验，探讨了森林碳交换过程与机制，建立了CO2通量观测数据的质量评价与控制体系。主要结论： （1）长白山阔叶红松林湍流通量贡献区主要集中在0.01~2Hz频率范围内，在弱湍流条件下存在通量低估现象。经过质量控制，CO2通量数据能够反映阔叶红松林与大气间CO2交换的真实过程； （2）森林生态系统CO2通量变化范围为-1.5~1.0 mg CO2•m-2•s-1，白天主要受光合有效辐射PAR的影响，但高的空气饱和水汽压差VPD对植被光合有一定的抑制作用，夜间CO2通量主要受温度的控制； （3）5cm温度是控制土壤碳排放的主导因素，由于雨热同季，因此干旱胁迫现象并不明显。土壤呼吸Q10变化范围为3.88~4.67，其值大小与温度区间有关； （4）2003~2005年森林GPP分别为1441、1312和1502gC•m-2，NEE分别为-188、-157和-186gC•m-2，森林碳收支的年际差异是由水热条件引起。叶片和群落高的弱光利用率和较强的光合吸收能力是其作为有200多年林龄的温带原始林，仍保持较高固碳能力的重要原因之一； （5）2003~2005年生态系统碳排放量分别为1252、1155和1326gC•m-2，土壤呼吸约占生态系统呼吸排放的80%； （6）长白山阔叶红松林具有较高的碳代谢能力，但由于光合吸收和呼吸释放都很活跃，森林总体表现为一稳定、适度的碳汇。这与其温带成熟原始林在碳循环领域的生态功能相一致。

半干旱区沙质草地关键生态系统过程对水肥添加的响应

制约半干旱区生态系统恢复的主要因素是什么？一直是生态学界争论的问题，水分或养分或二者的联合限制是现存的3种观点，但是利用野外实验结合生态化学计量比，分析和判断半干旱区自然生态系统生产力恢复的限制因子还未见报道。 本论文以科尔沁沙地东南缘退耕后自然恢复的沙质草地为研究对象，通过析因设计的水、氮、磷添加实验，研究与碳循环、氮循环、磷循环等有关的生态系统关键过程，及其对人为干扰（灌溉和施肥）及全球变化（气候变化和氮沉降）的响应。从2004年到2005年采用3因素2水平析因设计进行水（0, 80mm）、氮（0, 20 g N m-2 yr-1）、磷（0, 10 g P2O5 m-2 yr-1）添加实验。2005年增加了0、2.5、5、7.5、10、30、40 g N m-2 yr-1的氮梯度添加实验。通过两年的实验，得出主要结论如下： 1）该沙质草地生态系统生产力主要受氮素养分的限制，水分与磷素并不是主要限制因素。施氮量达到7.5 g N m-2 yr-1时生物量明显提高，当氮素添加量达到40 g N m-2 yr-1时，生产力最高为1607.3 g m-2，但是并未找出氮肥添加量的上限。禾本科生物量与Shannon-Wiener多样性指数间呈指数负相关，拟合方程为：y = 1318.3e-0.2421x（R2 = 0.6887）。 2）添加水增加了土壤CO2排放速率，而施氮肥的影响并不明显。在较干旱的年份（降水量低于450 mm）干旱期（4月15日-6月15日）添加磷肥明显抑制了土壤呼吸，而在较湿润的年份（降水量高于450 mm）干旱期添加磷肥则显著增加了土壤呼吸。土壤呼吸与表层0-10 cm土壤含水量存在显著的正相关关系；土壤呼吸与土壤温度之间呈显著的指数正相关（R2 = 0.6798），拟合方程为：y = 0.1832e0.1299x。 3）氮素添加对半干旱区沙质草地生态系统氮有效性具有明显的增强作用，可提高土壤氮的矿化速率。该沙质草生态系统土壤有效氮主要由NO3--N组成，并具有明显的季节变化，NH4+-N和NO3--N含量在表层0-10 cm有高于10-20 cm的趋势。植物地上部分和凋落物的C:N比极低。土壤全量的C:N比明显受添加水的影响，与氮、磷添加无关。 4）添加磷素改善了半干旱区沙质草地生态系统土壤磷的有效性，添加氮和水则没有影响。0-10 cm层土壤相对有效磷有高于10-20 cm层的趋势，这说明土壤中的有效磷淋溶作用不强或者是植物主要利用了表土层10 cm以下的土壤有效磷。第一次提出P:N比的概念，利用相对有效磷和相对矿质氮的比值作为土壤相对P:N比，相对P:N比与生物量、ANPP、非禾本科ANPP之间呈显著的线性相关关系。相对P:N比与生物量的线性负相关程度最高，拟合方程为：y = -52.333x + 1356.2（R2 = 0.7263）。 5）水、肥添加对该沙质草地土壤含水量的影响并不显著，不同处理之间以及相同处理的不同层次之间土壤含水量的差异主要源自土壤的空间异质性。根据2005年4-7月的土壤含水量的方差分析结果，可以将表层0-10 cm划分为多变层，10-30 cm划分为过渡层，30-100 cm划分为稳变层。单独添加磷肥或水磷结合可以显著降低白草的蒸腾速率，而且添加磷肥可以抵消添加氮肥所导致的蒸腾速率增加。 6）添加水提高了物种丰富度和均匀度，而施氮肥降低了物种丰富度和均匀度，施磷肥也相应地增加了物种丰富度和均匀度，但幅度不大。本项研究的结果不支持单调上升格局，多样性与生产力呈负相关关系，单调下降和单峰关系两种格局都存在。10-20 cm土层相对矿质氮与物种丰富度、Shannon-Wiener指数、Shannon-Wiener均匀度指数均呈显著的负相关关系。物种丰富度与土壤相对矿质氮之间负相关关系最显著，可以用幂函数进行拟合方程：y = 348.58x-2.1236（n = 8; R2 = 0.8576）。 综合以上的研究结果，建议适量施用氮肥，加速退化沙质草地生态系统生产力的恢复；干旱年份辅以磷肥，以降低温室气体的排放速率。