雨生红球藻诱变育种及突变株的筛选

虾青素是良好的着色剂，具有超强的抗氧化、捕获自由基、抗癌变，抗紫外线辐射、增强免疫等功能，在医疗、水产、食品和化妆品等生产领域有着广泛的市场。雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是一种单细胞的绿藻，在逆境条件下可积累高达4%干重的虾青素，是目前已知的天然虾青素含量最高的生物资源，规模化培养雨生红球藻是获取天然虾青素的最佳途径。 目前实验室研究和规模化培养使用的藻株多为出发株，存在一些缺陷：养殖过程中易被其它微藻、变形虫、原生动物、细菌等污染；只适合低温培养，28℃以上生长受抑制；生长相对较慢，培养周期长；尽管雨生红球藻是已知的天然虾青素含量最高的生物资源，但其含量仍然需要提高以适合规模化生产。因此筛选出温度适应范围广、生长速率快、虾青素含量高的雨生红球藻株一直是努力的方向。 本研究选用化学诱变剂甲基磺酸乙酯（EMS）和叠氮钠(NaN3)以及物理诱变剂紫外线（UV)分别处理雨生红球藻，测定各种诱变剂的致死率，及对红球藻生长和虾青素积累的影响，根据实验结果确定合适的诱变剂量和诱变时间，通过初筛、复筛、再次诱变等分离、筛选出生长速度快、虾青素含量高的单一藻株并进一步利用高压液相色谱等方法进行鉴定。 实验结果表明：浓度为0.2％-1.0％EMS处理4h，雨生红球藻H2的死亡率7%-35%；紫外线照射2min-10min，雨生红球藻H0的死亡率10%-98％；叠氮钠30mg/L－270 mg/L处理24h，雨生红球藻H0的死亡率为20％-100％。各种诱变剂诱变结束后立即观察发现死亡细胞的形态相似但存活细胞相态有所不同，死亡细胞呈浅绿色，轮廓模糊，形状不规则，质壁间隙消失，胞内有白色空泡；EMS处理后存活细胞，呈圆球状，部分失去鞭毛和前端突起，游动缓慢，处理后第二天，细胞即恢复游动和分裂，分裂方式与正常细胞相似。紫外线和叠氮钠处理后存活细胞壁加厚，呈深绿色，圆球状，部分失去鞭毛和突起，严重抑制细胞的游动和分裂，出现不动细胞，培养一段时间后才出现分裂细胞，游动的和不动的存活细胞主要是采用不对称无性繁殖，这与正常细胞的不对称无性繁殖有所不同，正常细胞中不对称无性繁殖的母细胞多为不动细胞。紫外线和叠氮钠处理后部分细胞还产生大量的小孢子（配子？），直径较小1-4m，在母细胞内不停摆动，四、五天后逐渐脱离母细胞。这和以前描述的有性繁殖很相似，但由于没观察到后期孢子配对过程和缺乏小孢子的DNA含量和倍性的有关数据，不能确定观察到的小孢子现象为雨生红球藻的有性繁殖。 各种诱变剂处理后，各组存活藻株的生长和虾青素积累情况同对照组相比发生了变化：EMS实验中0.4％EMS组生长速率提高24％，其它组的细胞生长速率有所降低。各组单细胞虾青素含量和积累速率均高于对照组，其中0.4％和0.8％处理组单细胞内虾青素含量分别提高了76％和90％，积累速率分别提高了69％和115％；紫外线实验中4min、6min和10min组生长速率分别提高20％、17％和35%，各组藻细胞虾青素积累速率有不同程度的提高，其中2min组和10min组虾青素积累速率提高幅度最大分别为32%和31%，单细胞内虾青素含量除10min处理组提高48%，其它各组均有不同幅度的降低；叠氮钠实验中60mg/L、120mg/L和180mg/L组细胞生长速率分别提高了13％、20％和9％，各组藻细胞内虾青素含量和虾青素积累速率得到明显的提高。其中60 mg/L和180 mg/L组单细胞内虾青素含量提高幅度最大，分别提高75%和140%。180mg/L和240mg/L组虾青素积累速率提高幅度最大，分别为280％和250％。 诱变后通过固体平板分离，得到一系列单一藻株，其中0.4%浓度EMS处理雨生红球藻H2 4h后分离到H2-419在生物量上比H2高出20％,但虾青素含量提高幅度不大。用UV对突变株H2-419再次诱变得到较稳定的藻株H2-419-4，培养五个月后与H2相比生物总量提高68%，单细胞内虾青素含量提高28％，经高压液相色谱分析证明H2-419-4类胡萝卜素提取物中主要成分仍然为虾青素，和出发株H2相比色素成分没有发生变化，只是各成分比例有所不同。 还分析研究了其它单一藻株，但或是稳定性较差，或虾青素含量高而生长慢。如雨生红球藻H2经0.02％EMS诱变十天，分离得到的E-L-22和出发株相比虾青素产量提高40％，但生物总量上降低了27％；5min紫外线照射雨生红球藻H0后，分离得到的UV-5-16和UV-5-14在生物总量分别提高7％和36％。叠氮钠200mg/L处理24h分离得到的藻株N-2-42生物总量提高43％，但藻株N-2-43生物总量比出发株降低8％。

牙鲆Paralichthys olivaceus（♀）×夏鲆Paralichthys dentaus（♂）分子遗传学及数量遗传学研究

本论文采用扩增片段长度多态性（AFLP）技术对牙鲆Paralichthys olivaceus群体和夏鲆Paralichthys dentaus 群体进行了种群鉴定和遗传结构分析。共用8 对引物对两个群体（每个群体30 个个体）进行了分析。总共产生了379 个条带，条带大小在60－1000bp。牙鲆与夏鲆的遗传多态性分别为53.83%和22.22%。牙鲆群体的多态位点数显著低于夏鲆群体。牙鲆群体和夏鲆群体种的特异条带分别为27.3% 和 29.61%。两群体平均杂和度分别为0.0701 和 0.1556，香农氏多态指数分别为0.1044 和0.2387。群体内平均遗传距离分别为0.0705 （0.0214 到0.1377）和0.1656 （0.0629 到 0.2338），两群体间的平均遗传距离为0.6328。 AFLP 技术是进行种间群体结构分析的一个很好的分子标记方法，对牙鲆和夏鲆亲本群体进行遗传背景析为今后的杂交育种阐明种间杂交的遗传机理奠定基础。 在本论文中我们采用5×8 因子交配设计建立了牙鲆P. olivaceus（♀）× 夏鲆P. dentaus（♂）杂交家系，对生长相关性状的遗传力进行分析。所有家系都混合养殖在同一养殖池中，40 日龄，在养殖池中随机采集600 个个体，测量体长，体宽，体重等数量性状；然后提取杂交子代DNA 进行家系的鉴定。首先从牙鲆的微卫星中筛选了在牙鲆、夏鲆以及杂交子代扩增多态性较好的10 对微卫星引物（Po1, Po13, Po20, Po35, Po42, Po48, Po56, Po58, Po91, Poli 23TUF）。我们采用了三对引物对600 个个体进行了家系鉴定，共有400 多个体鉴定出自己的亲本，成功率达到80％以上。基于以上结果我们认为微卫星标记可以做为一个有效的标记来代替现实的物理标记，并且可以在子代的早期进行亲本的鉴定。 在养殖过程中，我们对自交和杂交家系生长状况进行了跟踪分析，在181刘清华 牙鲆（♀）×夏鲆（♂）分子遗传学及数量遗传学研究 博士学位论文II日龄之前杂交鲆体长和体重均为未表现出杂种优势，杂种优势率值始终为负值，但是绝对值在逐渐减小。从196 日龄之后杂交鲆杂种优势开始表现出来，并且在196 日龄之后杂种优势率显著的增加。256 日龄体长杂种优势率为14.29%，体重杂种优势率为59.78%, 271 日龄体长杂种优势率达到27.36%，体重杂种优势率为 102.32%。 本研究对杂交鲆在40 日龄的体长，体高、尾柄长、尾柄高，以及全长和体重的遗传力进行了估计，5 个性状的体长半同胞遗传力h2 S 为0.00146－0.719，5个性状的全同胞遗传力h2D 为0.00121－0.632，5 个性状的半同胞和全同胞的平均遗传力h2SD 为0.001335－0.6755。其中全长的遗传力最大。实验结果说明对早期幼鱼进行体长、体重等性状实施选育策略可能会显著影响后期杂交鲆的生长。

文昌鱼发育相关基因GDF8/11、ACTIVIN和NM23-Bbt2的克隆、表达及分子进化分析

文昌鱼是头索动物，被认为是现存的与脊椎动物最接近的无脊椎动物，经常被看作是分析从无脊椎动物到脊椎动物进化过程的一种重要的模式动物。在本研究中，我们克隆了青岛文昌鱼的GDF8/11、ACTIVIN和NM23-Bbt2基因，并对这些基因在不同胚胎发育时期和不同成体组织中的表达情况进行了分析，同时分析了这些基因的进化情况。 文昌鱼GDF8/11的基因组全长为9.9 kb，包括五个外显子和四个内含子，比其他物种多出两个外显子和两个内含子。在多出的第三个内含子中，我们分离出一个可能的转座因子，这表明这个内含子可能来源于转座子。文昌鱼GDF8/11 cDNA编码一个419个氨基酸的前体多肽，这个前体多肽与软体动物、硬骨鱼类、鸟类和哺乳动物的MSTN以及哺乳动物和斑马鱼的GDF11具有高同源性。系统分析表明文昌鱼GDF8/11位于脊椎动物MSTN和GDF11的根部，这个结果证实MSTN/GDF11来源于同一个祖先基因，并且文昌鱼GDF8/11可能就是他们的共同祖先，产生MSTN和GDF11的基因复制事件发生在脊椎动物分离之前和文昌鱼与脊椎动物分离之后或者分离时。RT-PCR结果表明GDF8/11基因在新受精的细胞、早原肠胚和刀形胚胎中表达，这与哺乳动物中的情况不同。这表明GDF8/11在文昌鱼中除了调节肌肉生长外还可能拥有其他的功能。 文昌鱼ACTIVIN的基因组序列长为6.1 kb，启动子大约长为447 bp，其基因组包括两个外显子和一个内含子，外显子/内含子边界严格遵守GT…AG的原则。文昌鱼ACTIVIN基因编码一个410个氨基酸的前体蛋白，前体蛋白包括信号肽、N-末端结构域和C-末端结构域。文昌鱼ACTIVIN基因演绎的氨基酸序列与脊椎动物比较发现ACTIVIN基因比较保守，特别是C-末端生物活性区。系统进化分析表明脊椎动物和无脊椎动物的ACTIVIN基因分别聚在一起，文昌鱼的ACTIVIN则位于脊椎动物ACTIVIN分支的根部，这表明文昌鱼ACTIVIN基因可能是脊椎动物ACTIVIN同源基因的祖先基因。 文昌鱼NM23-Bbt2 cDNA包括一个编码171个氨基酸的开放阅读框，序列分析表明文昌鱼NM23-Bbt2与其他物种高度保守，他们都包含高度保守的基元，并且这些基元在NM23的功能中扮演着重要的角色。RT-PCR分析表明文昌鱼NM23-Bbt2在所检测的组织和胚胎发育时期中的非特异性的表达模式。系统分析表明脊椎动物和无脊椎动物NM23-H2分别聚在一起，而文昌鱼NM23-Bbt2位于脊椎动物NM23-H2分支的根部，这表明文昌鱼NM23-Bbt2可能是脊椎动物NM23-H2同源基因的祖先基因。从无脊椎动物到脊椎动物的基因组结构比较表明五个外显子和四个内含子的基因组结构可能产生在文昌鱼与脊椎动物分离之前。

Strain H-2-419-4 of Haematococcus pluvialis induced by ethyl methanesulphonate and ultraviolet radiation

Two strains H-2-410 and H-2-419 were obtained from the chemically mutated survivors of wild Haematococcus pluvialis 2 by using ethyl methanesulphonate (EMS). Strains H2-410 and H2-419 showed a fast cell growth with 13% and 20% increase in biomass compared to wild type, respectively. Then H-2-419-4, a fast cell growth and high astaxanthin accumulation strain, was obtained by exposing the strain H2-419 to ultraviolet radiation (UV) further. The total biomass, the astaxanthin content per cell, astaxanthin production of H-2-4194 showed 68%, 28%, and 120% increase compared to wild H. pluvialis 2, respectively. HPLC (High Performance Liquid Chromatography) data showed also an obvious proportional variation of different carotenoid compositions in the extracts of H2-4194 and the wild type, although no peak of carotenoids appeared or disappeared. Therefore, the main compositions in strain H-2-419-4, like its wild one, were free of astaxanthin, monoester, and diester of astaxanthin. The asexual reproduction in survivors after exposed to UV was not synchronous, and different from the normal synchronous asexual reproduction as the mother cells were motile instead of non-motile. Interestingly, some survivors from UV irradiation produced many mini-spores (or gamete?), the spores moved away from the mother cell gradually 4 or 5 days later. This is quite similar to sexual reproduction described by Elliot in 1934. However, whether this was sexual reproduction remains questionable, as no mating process has been observed.

Light energy conversion into H-2 by Anabaena variabilis mutant PK84 dense cultures exposed to nitrogen limitations

Concentrated cultures (25-86 mg Chl a l(-1)) of Anabaena variabilis PK84 were incubated under 99% Ar+1% CO2 atmosphere in the photobioreactor made of coaxial cylinders. Under illumination equal to 353 mu E m(-2) s(-1) they produced hydrogen with the rate more than 20 ml l(-1) h(-1) for several days. The efficiency of light energy conversion into H-2 was approx. 1% and did not depend significantly on initial Chl a concentration. H-2/O-2 ratio reached 41.5% of theoretical value for water photolysis. Data indicate that dense cultures might be used for outdoor systems under direct sun light. Supra-optimal temperatures 36 degrees C were not harmful for cultures even for 2 days period. Short-term incubation of cultures under 36 degrees C even increased H2 production rate and efficiency of light energy bioconversion by 1.25 times. (c) 2006 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

具有自适应机制的鲁棒控制方法研究

近年来，复杂机电系统，特别是移动机器人、地面/水面/水下空中以及空间无人平台等，对高性能控制系统提出了迫切的需求。对控制系统的设计而言，这类系统的共性特点可以归纳为两方面：动力学复杂，包括非线性、交叉耦合、时变参数等；工作在动态环境中，存在大量未建模的时变扰动与不确定性。目前，由于非线性系统控制规律设计的理论和方法还不成熟，现在一般的做法是将非线性动力学模型在某些特定的状态下线性化，然后基于线性化模型利用线性控制理论设计控制器。但是，由于复杂机电系统动力学的复杂性会导致各种不确定性的出现；而且，扰动、传感器噪声、执行器饱和、各种摩擦和时滞等等都有可能使闭环系统的性能降低、甚至偏离稳定域，因此控制策略必须要具有一定的鲁棒性能。如何增强控制策略面对模型不确定性及时变扰动时的鲁棒性与自适应性，是当前控制领域研究的核心问题之一。 由于固定增益鲁棒控制方法具有固有的保守性，如何降低其保守性是设计鲁棒控制器需要考虑的重要问题。另一方面，自适应理论也是一种已有的具有长足发展的控制策略，应对参数不确定性是其典型应用。然而，即便是在理想情况下，一个稳定的自适应控制器也不能保证系统良好的瞬态特性。本论文提出将鲁棒控制和自适应机制相结合，给出了针对一类具有仿射不确定性线性系统的具有自适应机制的鲁棒控制器设计方法，并将这种控制策略应用到旋翼飞行机器人航向控制中。本论文的具体内容安排如下： 第一章，系统地分析和归纳了鲁棒控制理论中H∞控制、H2控制及鲁棒保性能控制等三种控制方法的发展现状以及其用于复杂机电系统时所存在的问题，同时简要介绍了旋翼飞行机器人控制领域的发展现状及现有方法。 第二章，基于线性矩阵不等式理论，分别研究了具有时不变不确定性和具有时变不确定性两类系统的鲁棒H∞控制问题。在传统固定增益鲁棒控制器设计方法的基础上，引入自适应机制设计变增益鲁棒控制器。该控制器的特点是控制器的参数可以根据不确定参数在线估计的结果自动调节以补偿不确定性对系统的影响；同时可以确保闭环系统渐近稳定且其H∞性能指标可以在线性矩阵不等式的框架中进行优化。 第三章，以自适应H∞控制为基础，提出了具有自适应机制的鲁棒H2控制方法。H∞控制系统具有较好的鲁棒性和较强的扰动抑制能力，但其动态品质较差；与其相反，H2控制可以使系统获得很好的动态、稳态性能。该控制器设计方法将线性矩阵不等式与自适应方法相结合，控制器参数仿射依赖于由自适应律在线调节的不确定性参数估计，所得到的自适应鲁棒H2控制器设计条件比固定增益鲁棒控制器设计条件保守性要小。 第四章，为了使系统不仅能鲁棒稳定而且动态响应满足一定的性能指标，进一步提出了具有自适应机制的鲁棒保性能控制方法。保性能控制方法提供一个性能指标上界，保证即使存在不确定性的情况下，系统性能衰减不会超过这个指标上界。在线性矩阵不等式方法框架下，将自适应控制方法与保性能控制方法相结合，获得了一种新的控制器设计方法。仿真实验表明了该方法的有效性。 第五章，介绍了本人参与设计的飞行机器人实验系统以及部分初步实验结果。 最后对全文作出总结，并提出了下一步研究的方向。

黄土高原22万年来的黑碳记录和古火灾害历史重建

The term black carbon is used to describe a relatively inert and ubiquitous form of carbon, comprising a range of materials from char and charcoal to element or graphite carbon produced by the incomplete combustion of fossil fuels and biomass. Due to its inertness, the BC in soils, lacustrine and marine sediments and ice can persist over a long period of time. So BC signatures in geological deposits can be used as evidence of natural fires happened in their surroundings. To study the temporal and spatial changes in paleofires over the Chinese Loess Plateau, black carbon concentrations were analyzed on the loess-paleosol samples from three sections including Lijiayuan, Lingtai and Weinan along a north-south transect. Using the orbitally-tuned time-scales of the sections, the black carbon sedimentation rates (BCSR) were calculated. Meanwhile, with objective to document fine resolution fire history during late Pleistocene and Holocene periods, we measured BC concentrations of loess-paleosol samples at dense sampling intervals since 28 ka BP. in Lijiayuan section. The BCSR of the samples were also calculated. In addition, we also conducted observation on black carbon morphologies to examine their sources. Based on the results, the following remarks can be concluded: 1. In the last two glacial cycles, the BCSR values in glacial periods are 2-3 times higher than in interglacial periods, and the BCSR variability has a relatively strong precession-associated 23 kyr period, suggesting that the glacial cold-dry climate conditions were apt to induce natural fires over the Loess Plateau, 2. Comparison of the BCSR records among the three loess sections demonstrates that natural fire occurrence was much more intensive and frequent in the northern and interglacial periods. 3. Pollen records and carbon isotope analyses of organic matter have shown that the Loess Plateau was covered by an Artemisia-dominated grassland vegetation both during glacial and interglacial periods, So grassland fires were the dominant fire types in the Plateau, which is also corroborated by the observation of black carbon morphology. In addition, statistics and comparison of BC particle sizes among the sections demonstrated that BC records probably reflected local fires. 4. According to previous studies about the effect of fires on vegetation changes, we considered that the fires might play an important role in the expansion of grassland during glacial periods, besides the control of climate changes. 5. The high resolution black carbon record in Lijiayuan section has shown that the BCSR series well documented Younger dryas (YD) and Heinrich (HI和H2) events, suggesting that natural fires in the northwestern part of Chinese Loess Plateau could regularly respond to the millennial scale climate oscillation.

200 ℃水热条件下金属铂的氢渗透常数测定

本文采用氢感应法,测定低温水热条件下Pt 的H2 渗透常数k ,并可根据H2 渗透来计算实验体系的氧逸 度。这种方法无需依赖H2 在氧缓冲体系与实验体系间平衡状态的到达, 但要求有精确的氢渗透常数。本研 究在200 ℃, NNO 及HM氧缓冲的实验条件下,通过测定氢感应体系中淬火溶液Cl - 浓度的变化, 计算求得Pt 的H2 渗透常数k 为10 - 13～10 - 14数量级。并讨论了在实验及数据处理过程中对H2 渗透常数k 可能带来的误 差及影响因素。

可见光响应光催化剂K4Ce2M10O30（M=Ta, Nb）及其光解水特性的研究

氢能已被广泛认为是最具有潜力解决能源危机和环境问题的理想替代能源之一，其开发备受各个领域科学家的重视，更是从根本上解决环境地球化学工作者的主要目标：对已被破坏的环境和生态进行修复以及对可能破坏环境与生态的人类活动进行干预和指导。在众多的氢能开发手段中，利用太阳能光催化分解水制取氢气是一种兼顾能耗、资源和环境的最为理想和最有前途的氢能开发手段之一。在光催化分解水过程中，最为首要的研究内容就是开发具有适宜能带结构能响应可见光，稳定地、高量子效率地光解水的固相半导体光催化剂。 本论文中，通过高温固相反应合成了呈四方晶系钨青铜结构的半导体光催化剂K4Ce2M10O30(M=Ta, Nb)，吸收边分别达到580 nm (M＝Ta) 和690 nm (M＝Nb)，对应带隙为2.2 eV和1.8 eV。可见光下（λ> 420 nm）光催化分解H2O产生H2和O2的活性表明它们不仅有适宜的带隙响应可见光，并且其价带和导带位置能满足完全分解水的电化学电位需要。在担载Pt、RuO2以及NiO（NiOx）等助催化剂对产氢性能有显著的提高。同时以乙醇钽和草酸铌可溶性前驱体，分别通过溶胶凝胶法（Sol-gel）和聚合物络合法(Polymerizable Complex)制备了K4Ce2Ta10O30和K4Ce2Nb10O30。通过湿法化学合成的光催化剂显示了更高的光催化活性，并且通过PC法制备的K4Ce2Nb10O30更是实现了在大于300 nm 的光辐射下完全分解纯水产生摩尔比为约2:1 的H2和O2。 通过高温固相反应得到Nb取代K4Ce2Ta10O30中部分晶格Ta形成的单相无限固溶体系列K4Ce2Ta10-xNbxO30（x=0~10）是结构一致的同系物，吸收边介于540 nm～710 nm 之间，并且随着x的增加，吸收边依次红移，光催化产氢活性依次降低，但是x=2，5，8时的产氧活性比x=0和10的高，光催化活性的差异主要源于它们光吸收特性和能带结构的差异。基于密度范函理论DFT的第一性原理计算结果表明，光催化剂K4Ce2M10O30(M=Ta, Nb)的能带结构为：导带主要由Ta 5d (Nb 4d)组成，处于高能级的电子未占据态的Ce 4f 与其有很明显的重迭，但由于其高度局域特性，不能很好地参与光生电子在导带的传导，从而其对光催化活性的贡献很小，而价带则由O 2p与Ta 5d (Nb 4d)以及电子占据态的Ce 4f杂化轨道组成。同时通过高温固相反应合成了系列含稀土元素的光催化剂K4Re2M10O30(Re=La, Ce, Nd, Sm, Y; M=Ta, Nb)，通过对它们及其前驱体氧化物的光吸收特性以及电子结构的第一性原理计算研究，合理的解释了只有当Ln＝Ce时才具有可见光响应特性的微观机理。