Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moire method

Scanning electron microscopic (SEM) moire method was used to study the surface structure of three kinds of butterfly wings: Papilio maackii Menetries, Euploea midamus (Linnaeus), and Stichophthalma how-qua (Westwood). Gratings composed of curves with different orientations were found on scales. The planar characteristics of gratings and some other planar features of the surface structure of these wings were revealed, respectively, in terms of virtual strain. Experimental results demonstrate that SEM moire method is a simple, nonlocal, economical, effective technique for determining which grating exists on one whole scale, measuring the dimension and the whole planar structural character of the grating on each scale, as well as characterizing the relationship between gratings on different scales of each butterfly wing. Thus, the SEM moire method is a useful tool to assist with characterizing the structure of butterfly wings and explaining their excellent properties. (c) 2007 Optical Society of America.

机动车检测系统中多功能数据采集器的设计

机动车检测的远程化、网络化是机动车检测技术的发展方向.方案对传统的Science-BCJ型机动车检测系统进行改造,设计了一种基于嵌入式TCP/IP的远程数据采集和控制系统,使机动车检测系统实现了远程检测和控制.系统包括硬件设计,软件编程,以及系统调试.解决了数据采集,外部设备调度,TCP数据包超时重传及定时保活,网卡参数配置,硬件看门狗等一系列问题.经过几个月的软硬件测试表明:新的检测系统设计合理、稳定可靠.

Growth and spectroscopic characteristics of Yb : LPS single crystal

For the first time, a high optical quality Yb3+-doped lutetium pyrosilicate laser crystal Lu2Si2O7 (LPS) was grown by the Czochralski (Cz) method. The segregation coefficient of ytterbium ion in Yb:LPS crystal detected by the inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (TCP-AES) method is equal to 0.847. X-ray powder diffraction result confirms the C2/m phase monoclinic space group of the grown crystal and the peaks corresponding to different phases were indexed. The absorption and fluorescence spectra, as well as fluorescence decay lifetime of Yb3+ ion in LPS have been investigated. The absorption and fluorescence cross-sections of the transitions F-2(7/2) <-> F-2(5/2) of Yb3+ ion in LPS crystal have been determined. The advantages of the Yb:LPS crystal including high crystal quality, quasi-four-level laser operating scheme, high absorption cross-sections (1.33 x 10(-2) cm(2)) and particularly broad emission bandwidth (similar to 62 nm) indicated that the Yb:LPS crystal seemed to be a promising candidate used as compact, efficient thin chip lasers when LD is pumped at 940 and 980 nm due to its low-symmetry monoclinic structure and single crystallographic site. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

车前科和苦苣苔科一些典型类群花对称性基因的进化发育生物学研究—兼论地黄属和崖白菜属的系统位置

在模式植物金鱼草中的花对称性分子发育与遗传学研究揭示出相关调控基因在花对称性形成过程中的功能和表达式样及其相互作用机制，但被子植物中花对称性的繁杂多样远非模式植物的表达模式所能概括。因此，我们选择车前科和苦苣苔科中与金鱼草较近缘的典型类群地黄属和非洲紫罗兰属作为研究对象，针对它们在花对称性形成方面区别于金鱼草的不同式样，开展这些类群中花对称性主控基因CYCLOIDEA(CYC)类基因的进化发育生物学研究。该研究旨在探讨CYC 类基因的功能和表达式样的变化在进化上的内在联系。 地黄花对称性基因的进化发育研究结果显示，地黄中CYC 类基因RgCYC 的表达模式与CYC 基因在金鱼草中和McCYC 基因在Mohavea 中的表达模式存在明显的差异。首先， RgCYC 基因在近轴雄蕊预期发生位置表皮细胞下的强烈表达与地黄近轴雄蕊的缺失密切相关。转录因子中的氨基酸替代所导致蛋白质功能的改变使RgCYC 基因对细胞周期基因cyclin D3b 抑制作用的增强可能是地黄中近轴雄蕊原基发生过程被彻底阻断的主要原因。由此看来，CYC 类基因的作用不仅导致近轴花器官生长缓慢或退化，而且可能与自然类群中花近轴器官丢失的现象有关。其次，同McCYC 基因在Mohavea 中的表达模式相似，RgCYC 基因的表达也从近轴雄蕊延伸到了两侧雄蕊，但是并没有强烈地抑制两侧雄蕊的发育，仅仅使得两侧雄蕊短于远轴雄蕊从而在地黄中形成二强雄蕊。这一现象可能是由于RgCYC 基因的表达与McCYC 基因的表达在时间和空间上的差异所造成的，并显示地黄中二强雄蕊的形成机制和金鱼草完全不同。第三，RgCYC 基因在近轴花冠裂片的表达没有象CYC 在金鱼草中一样明显促进它们的生长。此外，近轴花冠裂片明显的自身对称性显示在地黄中RgCYC 基因在两侧对称性形成方面可能单独对近轴花器官进行调控。地黄中RgCYC 基因的表达模式反映了广义唇形目中从五数花到四数花进化过程的一种新的进化机制。 两侧对称花向次生辐射对称花的反演进化机制在花对称性进化发育研究中倍受关注。我们在苦苣苔科中选择非洲紫罗兰栽培品种作为研究材料，通过 mTAIL-PCR 分别在两侧对称花和辐射对称花的栽培品种中分离出了包含完整的 ORF 的CYC 类基因：SiCYC1A 和SiCYC1B。这两个基因的完整序列在DNA 水平的相似性为88%，均包含了完整的TCP domain, R domain 和 5’ 端区段。令人意外的是SiCYC1A 和SiCYC1B 这两个基因的DNA 序列在两侧和辐射对称花品种中均完全一致。根据对导致辐射对称花产生机制的比较分析，我们认为在这两个栽培品种中的SiCYC1A 和 SiCYC1B 基因可能存在着某一共同的调节因子对其进行调控。其可能途径是该调节因子同时调控SiCYC1A 和 SiCYC1B 基因，这一共同的调节因子的改变导致了SiCYC1A 和 SiCYC1B 基因部分或完全失去功能，从而使两侧对称花转变为辐射对称花。 崖白菜属的花部器官发生研究显示其花萼和花冠裂片的发生顺序与毛地黄族和婆婆纳族相似，花冠裂片早期生长的迟滞和花冠裂片折叠式样介于毛地黄族和婆婆纳族之间。但是，近轴雄蕊的发育缺失完全不同于毛地黄族中的其它类群。对地黄属和崖白菜属以及它们近缘类群的ITS 或trnL-F 序列所构建的系统树的分析显示，地黄属和崖白菜属呈姊妹群。然而，分子系统学研究结果并不支持传统系统学和个体发育研究对这两个属科级系统位置的认识。毛地黄属与婆婆纳属和车前属构成一个单系分支，而地黄属与崖白菜属则形成另外一个独立的分支，并与泡桐属与透骨草科所形成的分支首先聚在一支。因此，毛地黄族可能并不是一个单系类群，地黄属和崖白菜属的科级系统位置可能需要重新考虑。

五数苣苔(Bournea leiophylla)次生辐射对称花形成的分子机制和进化发育生物学研究

被子植物中，花对称性进化的一个重要方面就是从两侧对称向次生辐射对称的演化。唇形目是被子植物中以两侧对称花为主的类群，次生辐射对称花频繁发生。然而在分子发育水平上，除了模式植物金鱼草(Antirrhinum majus)和少数其他种外，从两侧对称花向次生辐射对称花演化的机制仍然是一个巨大的未被探索的领域。 在金鱼草和柳川鱼(Linaria vulgaris)中，腹部化反常整齐花的形成各自是由于CYC和LCYC的沉默所引起，这些基因沉默分别是由于转座子插入和DNA广泛甲基化所导致。在豆科(legumes)中，辐射对称花的形成是由于legCYC基因在所有五个花瓣均有表达，这相似于金鱼草中CYC基因同源异位表达所形成的背部化辐射对称花。然而，自然界中起源于不同的两侧对称花支系的许多次生辐射对称花好像并不是因为简单的花对称性基因功能丢失或者获得。因此，以模式植物突变体表型特征的分子机制作为研究出发点，通过对自然发生的次生辐射对称花进行详细研究探讨，有可能揭示两侧对称花向次生辐射对称花转变的新的演化途径，包括花对称性发育过程中不同基因的参与以及他们的表达在时间上的变化等。 苦苣苔科(Gesneriaceae)是唇形目(Lamiales sensu lato)其他类群的姊妹群, 以较弱的两侧对称花为特征，并拥有相当数量的次生辐射对称花种类;该科所拥有的辐射对称花属在唇形目所有科中占的比例最大。在苦苣苔科中，五数苣苔(Bournea leiophylla)是次生辐射对称花类群中具有两侧对称痕迹的代表类群，其花的发育过程显示出五数苣苔花经历了由花器官发育早期的两侧对称向成熟时期辐射对称的形态转变。这种发育模式暗示着五数苣苔的花可能起源于一个两侧对称花祖先;五数苣苔中控制花背腹非对称性的CYC类基因应该是有功能的，至少在花发育的早期是这样的。由于苦苣苔科和婆婆纳科(Veronicaceae)(金鱼草属于婆婆纳科)亲缘关系较近，而且CYC类基因的基本功能之一是导致背部雄蕊退化;因此五数苣苔中辐射对称花的形成很可能既不是由于CYC类基因失去，也不是因为CYC-类基因功能获得延伸或加强所致。在五数苣苔花发育过程中，从早期的两侧对称到成熟花的辐射对称的发育转变可能牵涉到TCP和MYB基因家族成员相互调节作用在时间和空间上的改变。因此，五数苣苔是探讨被子植物中次生辐射对称花新的进化途径的一个理想的候选材料。针对解决这一问题，我们对五数苣苔花进行了以下实验研究： 1 花器官发生过程的观察 成熟的五数苣苔花是辐射对称花，但是对花发育过程中花原基电镜扫描结果表明：在花器官起始和发育的早期，五数苣苔花是显著的两侧对称;但是随着进一步发育，这种两侧对称性逐步减弱，最后形成具有微弱两侧对称性痕迹的辐射对称花。 2 花对称性基因的克隆 我们应用RACE技术克隆得到了五数苣苔花对称性同源基因：BlDIV1、BlDIV2和BlRAD的翻译区全序列及其上下游非翻译区，得到了BlCYC1的3‘端翻译区和非翻译区序列。为了确定这些基因内含子的有无和位置，我们也从DNA中得到了相应同源基因的DNA序列，并且补全了BlCYC1的5‘端序列。同时也克隆到了一个没有在mRNA中得到的CYC同源基因BlCYC2。在该实验中我们第一次在金鱼草以外的类群中克隆得到了DIV和RAD的同源基因。 3 序列比较和分子系统发育分析 运用不同的比较软件和分子系统发育分析工具对五数苣苔的花对称性基因进行了比较和分析。结果表明：五数苣苔各种类型的花对称性基因和金鱼草的花对称基因在序列上是高度同源的，在分子系统发育上是非常近缘的。暗示着五数苣苔花对称性基因和金鱼草花对称性基因功能上的同源性。 4 花对称称性基因表达模式的分析 我们第一次运用组织原位杂交和RT-PCR技术对在金鱼草以外类群中所有已知类型花对称性同源基因的表达模式进行了实验研究。结果表明：五数苣苔花对称性基因的表达模式在花发育的早期类似于金鱼草;但是早期以后，BlCYC1和BlRAD被负调节，BlDIV的表达特异地在每个花瓣侧部边缘表达;这种表达结果和花的形态发生过程有很好的吻合。 上述研究表明：和金鱼草花对称基因的表达模式相比，五数苣苔三种类型花对称性基因在花发育过程中的时间和空间表达模式发生了改变;并且这种表达模式变化和五数苣苔花对称性由发育起始时期的两侧对称向成熟时期的辐射对称的转变是相互关联的。五数苣苔具有两侧对称性痕迹的辐射对称花和其他类群辐射对称花的比较显示：在五数苣苔中发育早期的两侧对称性应该是两侧对称性的遗迹;这是由于BlCYC1和BlRAD基因早期表达的保守性造成的。我们的结果揭示了一个新的花对称性演化路径：在花发育过程中，被CYC-like基因推动的RAD和DIV同源基因之间相互调节作用在时间和空间上的变化是花对称性从两侧对称向辐射对称转变或演化的基础;我们的发现还预示着：在一个调节网络的动态变化过程中，一个预先存在的两侧对称发育程序的修饰调节可能在被子植物次生辐射对称花多样性的形成中扮演重要角色。

烟叶唇柱苣苔（Chirita heterotricha）两侧对称花的进化发育途径

被子植物菊亚纲原始类群的花为辐射对称花，伴随着适应性进化和传粉者的专性化，两侧对称花随之出现并快速进化和多样化。与花对称性相关的基因首先在模式植物金鱼草中被分离出来，它们包括TCP 基因家族的两个基因Cycloidea（CYC）和Dichotama（DICH），MYB 基因家族的两个基因Radialis（RAD）和Divaricata（DIV）。模式植物金鱼草的分子发育与遗传学研究初步揭示出在花对称性形成过程中相关调控基因的功能、表达模式及其相互作用机制。研究表明，金鱼草花中CYC 和DICH 基因只在背部表达，控制背部属性。DIV基因早期在所有部位表达，但只影响腹部属性。CYC 和DICH 通过激活与DIV具有颉抗作用的RAD 基因在背部的表达来抑制DIV 基因在背部的作用从而构建了金鱼草的两侧对称花。但是，被子植物繁杂多样的花对称性远非一种模式植物所能概括。此外，被子植物花对称性的演化也是一个悬而未决的问题。要全面了解被子植物花对称性的起源、多样化及其背后的决定机制，有必要进一步研究不同类群中花对称性相关基因的功能变化和进化式样。 苦苣苔科（Gesneriaceae）与金鱼草所属的车前科（Plantaginaceae）同属于菊亚纲的广义唇形目。研究表明广义唇形目的祖先已经具有了两侧对称花，苦苣苔科是广义唇形目的基部类群，具有与唇形目两侧对称花早期分化相关的各种两侧对称花类型。因此，在苦苣苔科选择两侧对称花代表类群开展花对称性的进化发育生物学研究十分有助于探讨苦苣苔科花对称性基因在两侧对称花类群的调控进化，从而揭示广义唇形目基部类群花对称性的进化发育模式。我们选择苦苣苔科两侧对称花类群烟叶唇柱苣苔（Chirita heterotricha）为主要研究材料。烟叶唇柱苣苔是苦苣苔科两侧对称性比较强烈的类群，主要体现在其只有腹部两枚雄蕊能育，背部和侧部雄蕊均败育，与金鱼草的近亲沙漠幽灵花（Mohaveae confertiflora）的形态类似。在沙漠幽灵花中CYC 类基因的表达从背部延伸到了侧部，但是在烟叶唇柱苣苔中是否遵循同一模式还是存在其他途径这是我们的主要研究目的。此外，我们发现在烟叶唇柱苣苔花序的顶花中偶尔会发生腹部化的辐射对称突变花。在金鱼草和柳穿鱼中，CYC 类基因的失活导致了辐射对称突变花的产生，而在豆科植物Cadia purpurea 中，CYC 类基因的活性从背部延伸到了侧部和腹部，导致了辐射对称花的形成。烟叶唇柱苣苔中的情形则值得我们关注。再者，革叶粗筒苣苔（Briggisia mihieri）是烟叶唇柱苣苔的近缘类群，但它具有四枚能育雄蕊（侧部和腹部各两枚）。苦苣苔科两能育雄蕊类群被认为起源于四能育雄蕊类群。我们在烟叶唇柱苣苔野生型两侧对称花和辐射对称突变花中开展花对称性基因的表达模式研究，结合在革叶粗筒苣苔中的研究，试图揭示烟叶唇柱苣苔两雄蕊类两侧对称花形成的分子机制和进化发育途径。 本研究从烟叶唇柱苣苔中分离到4 个CYC 类基因（ChCYC1C，ChCYC1D，ChCYC2A，ChCYC2B），2 个DIV 类基因（ChDIV1，ChDIV2）和2 个RAD 类基因（ChRAD1，ChRAD2）。从革叶粗筒苣苔中分离到4 个CYC 类基因（BmCYC1C，BmCYC1D，BmCYC2A，BmCYC2B），2 个DIV 类基因（BmDIV1，BmDIV2）和1 个RAD 类基因（BmRAD1）。序列和系统发育分析结果显示它们均为花对称性基因。进一步的表达分析显示结果表明：（1）不同拷贝CYC 类基因的表达存在着分化，与其氨基酸序列的分化一致；烟叶唇柱苣苔的CYC 类基因表达从背部延伸到了侧部而革叶粗筒苣苔的CYC 类基因仅在背部表达，与它们的形态分化密切相关。（2）DIV 类基因在种内两个拷贝以及种间的表达无明显的分化，在花的各个部位都有表达。（3）烟叶唇柱苣苔两个拷贝的RAD 类基因的表达存在分化；两个种的同类RAD 类基因的表达也存在分化。这些花对称性基因的表达模式分析揭示了它们在烟叶唇柱苣苔和革叶粗筒苣苔两侧对称花形态建成以及二者花形态的演化中具有重要作用。 同时，我们对烟叶唇柱苣苔的辐射对称突变花进行了自交和F1 代培育，但是F1 代没有出现稳定的辐射对称突变株。我们从辐射对称突变花中分离到的CYC 类、DIV 类和RAD 类基因的核苷酸序列与野生型的完全一致。说明突变体的产生与序列变异无关。RT-PCR 分析表明突变花中CYC 类基因全部失活，而DIV 类基因和在腹部表达的RAD 类基因的表达信号有所增强，这与其腹部化辐射对称的形态相一致。这进一步证实了花对称性基因在烟叶唇柱苣苔花形态建成中的作用。

Nifedipine调节白皮松(Pinus bungeana)花粉管蛋白质表达及其对细胞壁构建的影响

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位的载体，由于其生长依赖于胞内Ca2+梯度，并具有典型的顶端极性生长的特点，因而成为近年来研究植物细胞相互识别、胞内和胞外信号传导理想的模式系统。裸子植物花粉与被子植物相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。Ca2+在裸子植物花粉萌发和花粉管生长中的作用机制目前尚不明确。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)的花粉为材料，运用不同浓度钙通道抑制剂Nifedipine（Nif）处理，对其花粉萌发和花粉管生长进行了细胞学研究和蛋白质组学分析，以探讨Ca2+对白皮松花粉生长的调控机制，为进一步揭示裸子植物花粉萌发和花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了钙通道抑制剂Nif和Ca2+螯合剂EGTA对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，用Nif处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到明显抑制。经Ca2+荧光探针Fluo-3AM标记，对Nif处理后Ca2+在花粉管中的分布模式进行了观察，发现Ca2+在正常生长的花粉管中呈梯度分布，并在其顶端的荧光最强。与对照相比，处理后的花粉管荧光强度明显减弱，且顶端Ca2+梯度消失。通过EGTA漂洗后的花粉粒，在正常培养基上萌发率较高，但其生长速率受到抑制。由此说明了细胞壁钙库对花粉管生长的抑制效应显著高于对花粉萌发的影响，是花粉管生长的限速因子。同时外加钙调素还可逆转EGTA对其花粉萌发和花粉管生长的抑制。上述结果表明，白皮松花粉萌发及花粉管生长需要外源Ca2+的内流，以及胞内形成的Ca2+浓度梯度。 用FM4-64探针标记结果发现，正常花粉管中的胞吞作用主要发生在顶端和亚顶端区域，胞吞的小泡也集中分布在这两个区域。经Nif处理后，既不影响花粉管的胞吞过程，同时胞吞发生的位置也与对照相似，只是胞吞的小泡分散于整个花粉管中。电子显微镜观察表明，各种细胞器在白皮松正常生长的花粉管中分布与被子植物存在较大差异，例如前者无明显地分区现象，不具胼胝质塞。白皮松花粉管顶端和亚顶端的壁旁体与质膜融合现象频繁发生。花粉管经Nif处理后，线粒体出现不同程度的解体和液泡化，内质网液泡化和核糖体脱落，液泡大量聚集在花粉管顶端，壁旁体与膜融合现象减少，以及花粉管壁明显变薄等。此外，通过微丝特异性探针鬼笔环肽标记结果表明，正常生长花粉管的微丝呈长轴向排列， Nif处理后微丝断裂，其断裂程度与处理浓度有关。由此可见，外源Ca2+对花粉管的胞吞无明显抑制或促进作用，但对胞吞小泡重回收可能有影响。当胞内Ca2+梯度消失后，则明显抑制了微丝骨架的聚合，进而使胞吐作用减缓，高尔基体分泌小泡聚集，多种细胞器液泡化，引起花粉管顶端膨大，细胞壁变薄，继而抑制花粉管的正常生长。 运用免疫荧光标记技术显示，正常生长的花粉管壁含有纤维素、胼胝质、果胶质和阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs），其中纤维素和胼胝质在细胞壁上呈均匀分布，而酸性果胶质只存在花粉管两侧壁上，酯化果胶分布于花粉管顶端。经过Nif处理后，胼胝质和酸性果胶质均在花粉管顶端累积，而AGPs和纤维素的分布却无明显变化。另外，傅里叶红外光谱分析结果也同样支持上述结论。通过花粉管壁蛋白的SDS-PAGE分析表明，Nif对细胞壁蛋白的合成也有较大的影响。 在花粉管的钙通道受到抑制后，应用蛋白质组学技术分析其蛋白质的表达图谱，通过双向电泳已分离出约1000个蛋白质斑点，经软件分析发现，除其中50个蛋白斑点外，大部分蛋白质的表达量均未发生变化。上述50个发生变化的蛋白斑点酶切后，再经过ESI－MS/MS鉴定和质谱数据库的搜索，共鉴定出28个蛋白，其中12个为上调蛋白，16个下调蛋白，根据其主要功能分为与代谢、细胞扩展、翻译后修饰以及信号相关的蛋白。经过Nif处理后，花粉管中碳水化合物代谢能力下降，ATP的产生受到抑制，参与细胞壁多糖合成及小泡运输的蛋白，如valosin containing protein（VCP）、reversibly glycolsylated polypeptide(RGP)、UDP-glucose dehydrogenase (UDPGDH)和α-tubulin表达下调。另外，通过上述方法还鉴定出与丝氨酸/苏氨酸激酶保守结构域同源的受体蛋白激酶等。 综上所述，白皮松花粉管钙通道受到抑制后，通过影响花粉管蛋白的表达，抑制微丝微管骨架的组装，致使胞吐速度变慢，花粉管壁酸性果胶质、胼胝质等多糖分布的变化及总多糖含量的减少，最终抑制了花粉管的正常生长。

水稻(Oryza sativa L. sspjaponica)成熟与萌发花粉的蛋白质组学研究

花粉是高度退化的两细胞或三细胞生物体。作为雄配子体，花粉储藏了父本的全部遗传信息，并通过与柱头识别、萌发和花粉管极性生长将精子送到雌性的胚囊中，完成双受精作用。由于花粉在植物有性生殖过程中的特殊作用和花粉管极性生长的独特细胞学过程，几十年来一直被作为研究这一系列精细细胞学过程的模式，但是其中关键事件的分子机制并不十分清楚。 我们利用蛋白质组学技术鉴定了水稻成熟花粉三个不同组分（花粉外被蛋白、花粉外被／细胞壁相关和可释放蛋白、花粉内在蛋白）中表达的共322种蛋白质。其中，参与信号转导(10%)、细胞壁重塑和代谢(11%)、蛋白质代谢(14%)以及糖类和能量代谢(25%)的蛋白质被高度代表。并且很多是首次被在成熟花粉中得到鉴定的具有重要功能的蛋白质，包括蛋白激酶、受体激酶相互作用蛋白、GDP解聚抑制因子、含有C2结构域蛋白质和亲环蛋白等参与信号转导的蛋白质，eIF4A、线粒体加工肽酶、UFD1和AAA+ATP酶等参与蛋白质合成、装配和降解的蛋白质，以及逆糖基化多肽、似纤维素合酶OsCsLF7等参与细胞壁重塑和代谢的蛋白质等。生物信息学分析表明，在我们鉴定的蛋白质中有11%的蛋白质功能未知并且不含有任何已知的功能结构域。另外，我们利用从头测序技术鉴定了5种新蛋白质。这些首次在花粉中被鉴定的蛋白质、未知功能蛋白质和新蛋白质在花粉萌发过程中的生物学功能值得进一步研究。 进而，我们利用比较蛋白质组学技术获得了水稻花粉体外萌发过程中差异表达的160个鉴定结果（代表120种蛋白质），生物信息学分析表明它们隶属于13个功能类群。其中，参与细胞壁代谢（占24%，如UDP-葡萄糖焦磷酸化酶和第三类过氧化物酶）、蛋白质代谢（占11%，如eIF4A和20S蛋白酶体的亚基）、细胞骨架动力学（占8%，如肌动蛋白、微管蛋白和profilin）和胁迫反应（占7%，如抗坏血酸过氧化物酶）以及糖类和能量代谢（占24%）的蛋白质被高度代表。共有94个鉴定结果(73种蛋白质)在花粉萌发过程中表达丰度上调，包括几乎全部参与蛋白质代谢的蛋白质，多数参与细胞骨架动态变化和离子转运的蛋白质，以及部分参与糖类和能量代谢的蛋白质等。并且有53个鉴定结果（41种蛋白质）可能在萌发过程中被释放到培养基中（柱头上），可能参与了柱头细胞和花粉管通道细胞细胞壁的松弛和水解（如第三类过氧化物酶家族成员、多聚半乳糖醛酸酶、1，4-beta-木聚糖酶和一些花粉过敏源蛋白），或者参与了花粉．柱头的信号识别过程（如钙网蛋白和含有C2结构域的蛋白）。有8种传统认为是参与糖类和能量代谢的酶可能在萌发过程中被释放到培养基中（柱头上），如烯醇酶、磷酸丙糖异构酶和磷酸甘油酸激酶。 同时，我们发现在鉴定的成熟花粉表达的蛋白质中，有23%的蛋白质以多个同工型的形式存在，并且有29种蛋白质的多个同工型的表达丰度在萌发过程中发生变化。它们主要参与了细胞壁代谢、糖类和能量代谢、细胞骨架、胁迫反应和离子运输等代谢过程。我们利用荧光染色技术，检测到其中14种蛋白质可能被磷酸化或者糖基化修饰。这意味着由于翻译后修饰形成的同工型蛋白质在花粉萌发和花粉管生长过程中具有重要作用。 总之，我们以水稻为模式研究其成熟花粉和萌发花粉的蛋白质表达特征，首次报道了单子叶植物成熟花粉不同组分中表达的蛋白质及其功能类群特征，并且首次报道了被子植物花粉萌发过程中表达丰度变化蛋白质的功能类群特征，为进一步揭示花粉萌发和花粉管生长的分子机制提供了重要的蛋白质水平信息。

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制分析

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 虎杖 (Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc) 属于蓼科蓼属多年生草本植物，在中国和日本民间曾被广泛用于动脉粥样硬化、高血压、咳嗽、化脓性皮肤炎以及淋病的治疗，具有祛风利湿、散瘀定痛、止咳化痰等功效。而在现代医学上最令人瞩目和具有发展前景的是其在抗肿瘤、心血管保护、抗氧化方面的作用，相关疗效主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮化合物及其衍生物资源。这些聚酮类化合物主要包括蒽醌、大黄素、大黄素-甲醚、大黄酚、芪类以及类黄酮化合物等。其中，大部分聚酮类化合物生物合成途径机制尚不明确，但可以肯定的是植物类型III聚酮合酶type III polyketide synthases (PKSs) 在这些聚酮化合物的生物合成起始反应中行使着关键的作用。因此，除了我们所熟悉的类黄酮化合物、芪类化合物之外，进一步分离和分析虎杖中其它重要聚酮类化合物生物合成所涉及的类型III聚酮合酶基因的是非常值得期待的。 目前，已经有14个植物类型III PKS基因被克隆和功能分析。植物类型III PKS的共同特征包括基因结构、序列相似性、保守的活性中心、酶学性质以及共同的催化机制等。显花植物（裸子植物和被子植物）中，植物类型III PKS的基因结构绝对保守，除了一个早期报道的金鱼草（Antirrhinum majus）查尔酮合酶chalcone synthase (CHS) 含有第二个内含子外，迄今为止所有已知的植物类型III PKS基因均含有一个内含子且该内含子位置保守。有趣的是，在本研究中，两个含有3个内含子的类型III PKS基因从虎杖中被分离，且两个基因3个内含子的位置完全保守，这是三内含子类型III PKS基因首次得到分离。除了新奇的基因结构外，体外功能分析显示上述两个基因还具有特殊的酶学性质和功能。 本论文围绕上述2个三内含子基因开展了以下工作： 虎杖中一个由三内含子基因编码的新型类型III聚酮合酶 一个类型III PKS的cDNA及其相应的基因（PcPKS2）从药用植物虎杖中被克隆。序列分析结果表明，PcPKS2的开放阅读框被3个内含子分隔，这是一个出人意料的发现，因为截至到目前为止，除了金鱼草一个CHS基因外，所有已知的类型III PKS基因均在固定位置上含有一个内含子。除了特殊的基因结构外，PcPKS2显示了一些有趣的特性：(i) CHS“守卫”苯丙氨酸——Phe215和Phe265在PcPKS2中双双缺失，它们分别被亮氨酸和半胱氨酸取代;(ii) 体外功能分析结果表明，当酶促反应体系的pH值为6.5-8.5时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS2高效地合成丁烯酮非环化产物——4-香豆酰甘油酸内酯（4-coumaroyltriacetic acid lactone (CTAL)）为主产物，而丙烯酮非环化产物bis-noryangonin (BNY) 以及苯亚甲基丙酮为副产物;而当酶促反应体系的pH值为9.0时，PcPKS2高效地合成苯亚甲基丙酮为主产物，而CTAL、BNY为副产物。另外，除了上述3种产物外，在不同的pH条件下，还有痕量的柚皮素查尔酮能被检测到。此外，在4-香豆酰辅酶A（4-coumaroyl-CoA）的类似化合物中，除了4-香豆酰辅酶A外，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS2接受作为起始底物。PcPKS2不接受脂肪酰辅酶A——异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS2基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，在根茎和幼叶中，PcPKS2表达量很高，而在根中无表达。叶中的PcPKS2的表达受病原菌诱导，但不受伤诱导。 虎杖中一个编码双功能类型III聚酮合酶的三内含子基因的鉴定 显花植物中，所有已知的类型III PKS 基因均含有一个内含子且位置绝对保守。本研究中，综合运用PCR技术，从富含聚酮类化合物的植物虎杖中克隆得到一个类型III PKS 基因（PcPKS1）及其cDNA。序列分析结果表明，PcPKS1含有3个内含子。系统发育分析结果表明，PcPKS1与其它植物的CHSs归为一类。然而，体外功能分析结果表明，当酶促反应体系pH值为7.0时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS1高效地合成柚皮素查尔酮（naringenin）为单一产物;而当pH值为9.0时，苯亚甲基丙酮（p-hydroxybenzalacetone）几乎为重组PcPKS1的唯一产物。后续的研究表明，与典型的CHSs相比，PcPKS1具有另外一些不同的特点：在pH值为9.0时（PcPKS1的苯亚甲基丙酮合成活性最适pH值），在4-香豆酰辅酶A的类似化合物中，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS1接受作为起始底物。与CHSs展现出的对脂肪酰辅酶A宽泛的底物特异性不同，在不同的pH条件下，PcPKS1不接受异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。以上数据指出重组PcPKS1是一个具有查尔酮合酶（CHS）和苯亚甲基丙酮合酶（BAS）活性的双功能酶。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS1基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，PcPKS1可能在防御病原菌和草食动物方面起着重要作用。PcPKS1和PcPKS2共同从虎杖中被分离的事实极有可能暗示了苯丁烷类化合物（phenylbutanoid）及其衍生物存在于虎杖中。 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制研究 高山红景天（Rhodiola sachalinensis A. Bor）是景天科（Crassulaceae）红景天属多年生草本植物，作为一种适应原性中草药在中国的应用史已经超过800年。最近红景天提取物作为一种重要的商业药用制剂资源，其应用遍及欧洲、亚洲和美国，其主要治疗范围包括抗变应性和消炎，提高心理机敏性等。目前已经非常明确，红景天甙（salidroside）和甙元酪醇（tyrosol）是红景天属植物的主要功效成分，主要分布于这类植物的根中并且具有抗缺氧、抗疲劳、延缓衰老、预防紫外线辐射伤害等功效。红景天甙为酪醇8-O-β-D葡萄糖甙，是酪醇在葡萄糖基转移酶UDP-glucosyltransferase (UGT) 的催化下糖基化后形成的，可以认为是酪醇在植物体内的贮存形式。酪醇作为一种重要的活性分子，同样存在于橄榄树和葡萄酒中。 虽然已经非常明确酪醇来自于莽草酸代谢途径，然而其具体的生物合成途径及其调控仍不明确。总结以往的报道，在酪醇的生物合成上主要存在两种观点：一是酪醇可能来自于苯丙烷代谢途径产生的4-香豆酸（4-coumaric acid）前体;二是来自于酪氨酸的酪胺（tyramine）可能是酪醇生物合成的直接前体。我们的工作兴趣主要围绕着鉴别高山红景天中的酪醇生物合成途径展开： 高山红景天内源苯丙氨酸解氨酶PALrs1的过表达对红景天甙积累的影响 红景天甙是来自于药用植物高山红景天的一种适应原性新型药物，其生物合成途径可能起始于苯丙氨酸或酪氨酸。由于高山红景天野生植物资源的匮乏和相对含量很低，阐明红景天甙的生物合成途径对于增加红景天甙的供给至关重要。在我们以前的工作中，运用cDNA末端快速扩增技术（RACE），一个编码苯丙氨酸解氨酶phenylalanine ammonia-lyase (PAL)的cDNA从高山红景天中被克隆，命名为PALrs1。在本研究中，PALrs1置于35S启动子+Ω增强子序列的控制下通过农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法转化回高山红景天。PCR 和 PCR–Southern blot分析结果表明，PALrs1已经整合到了转基因植物的基因组上。Northern blot杂交结果表明，PALrs1已经获得在转录水平上的高水平表达。与预期的结果相同，高效液相色谱High-performance liquid chromatography (HPLC)测定结果显示PALrs1的过表达引起4-香豆酸含量增长3.3倍。然而，与之相反的是，酪醇和红景天甙含量与对照相比反而分别下降4.7和7.7倍。此外，我们发现PALrs1的过表达造成酪氨酸含量下降2.6倍。这些数据暗示着PALrs1的过表达和4-香豆酸的积累并不能促进酪醇的生物合成。酪醇，作为一种苯乙烷类衍生物并非来自苯丙氨酸，而酪氨酸含量的下降则极有可能是酪醇生物合成和红景天甙积累大规模下降的直接原因。

水稻幼苗脱黄化过程以及灌浆期茎的蛋白质组学研究

水稻既是我国三大粮食作物之一，又是基因组学研究的模式材料，在生产实践和科学研究中都占有极其重要的地位。基因组学研究取得的巨大成就以前所未有的深度和广度推动了生命科学各个研究领域的飞速发展。水稻基因组的破译是水稻科学研究的重要里程碑，同时也宣告了功能基因组学时代的到来。蛋白质组学是研究细胞内全部蛋白质的动态表达及其相互关系的新兴学科，是功能基因组学研究的重要组成部分和战略制高点。 本论文采用高分辨率的蛋白质双向电泳分离技术和高通量的蛋白质质谱分析技术以及生物信息学等手段，开展水稻灌浆期茎蛋白质组表达模式和水稻幼苗脱黄化过程的比较蛋白质组学研究，探讨茎生长发育规律和水稻应答光信号相关蛋白质及其网络调控机制，是学科前沿与实际应用的有机结合，在科研和生产实践中都具有重要的意义。 首先，分别构建了灌浆期水稻顶端茎段和水稻黄化幼苗的蛋白质组表达谱。并对其中185个目的蛋白点进行了MALDI-TOF/MS分析和数据库检索鉴定。共有149个蛋白质得到了鉴定，蛋白质鉴定的成功率为80.5％。这些被鉴定的蛋白质分属118个基因的表达产物，根据它们功能可以分为13种不同的类别，其中绝大多数为能量产生和代谢以及抗性相关的蛋白质。 在水稻灌浆期顶端茎段表达的蛋白质中，与能量和物质代谢相关的蛋白质例如ATPase、磷酸丙糖异构酶，6－磷酸葡萄糖异构酶等占有很高比例，说明茎段组织中具有很强的代谢活动。与生长发育相关的蛋白质包括beta-tubulins、无机焦磷酸酶（inorganic pyrophosphatase）、液泡质子ATP酶（vacuolar proton-ATPase）以及UDP葡萄糖焦磷酸酶等的大量累积，显示出顶端茎段细胞分裂和生长迅速;同时，贮存多糖和结构多糖也在旺盛合成。G蛋白、GDP释放抑制因子等信号传导蛋白以及苯丙氨酸氨解酶、谷胱苷肽S转移酶（glutathione S-transferase，GST）、抗坏血酸过氧化酶（ascorbate peroxidase，APX）以及超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等抗性相关蛋白质在该时期丰度表达，表明在灌浆期水稻顶端茎段能够迅速感受并传递外界信号，从而使得其在遭受胁迫时能够立刻启动抗逆防御系统，最大限度地降低不利环境对种子发育的影响。 在黑暗中萌发和生长的水稻黄化幼苗随着光照时间（0~24小时）的延长，能通过双向电泳后检测到的蛋白质逐渐变少，24小时后趋于稳定，相当于正常光照条件下生长的水稻幼苗蛋白质组表达谱。进一步分析表明，在黄化苗中，分解代谢及能量产生相关的蛋白如丙糖磷酸异构酶、琥珀酰辅酶A连接酶、异戊酰辅酶A脱氢酶与ATPase等的表达量比较丰富;另外，还可能启动了脂肪酸的α氧化分解途径，以供黑暗中生长所需的物质和能量。当黄化幼苗光照后，与光合作用及物质合成相关的一些蛋白质表达量增加，而那些分解代谢相关酶类则有所下降。同时，鸟核苷酸结合蛋白β亚基类似蛋白、20S proteasome以及Bowman Birk trypsin inhibitor等信号传递及抗性相关蛋白随着光照时间的延长而减少，说明黑暗胁迫条件下水稻幼苗启动了相关的抗逆途径。叶绿素合成途径中的蛋白酶胆色素原脱氨基酶和金属鳌合酶在脱黄化过程中表达量有所下降，可能是因为叶绿素合成产物具有反馈抑制作用。 本研究首次利用蛋白质组学方法来解析水稻灌浆期茎蛋白质组表达模式和水稻黄化幼苗响应光因子的蛋白质组变化情况，鉴定了一些有价值的蛋白质，并得到了它们的表达特点和相关数据，为更好地理解水稻顶端茎秆的生长特点和功效、水稻应答黑暗胁迫和光形态建成以及光合作用机理等提供了分子证据。

硒对水稻的生态毒理效应及临界指标研究

通过土壤添加硒盆栽试验,研究了黄棕壤不同浓度Se对水稻生物量、叶绿素含量、抗氧化酶系统的影响.结果表明,低浓度Se(<8mg·kg-1)对水稻根和地上生物量、叶绿素a含量、叶绿素a/b有促进作用,并整体提高了作物抗氧化酶系统,使MDA下降,SOD、CAT、POD、GSH Px活性相应提高.而高浓度Se(>16mg·kg-1)对水稻根和地上生物量、叶绿素a含量、叶绿素a/b有明显的抑制作用,对抗氧化酶系统产生胁迫效应,使GSH Px明显上升,MDA上升,SOD、CAT、POD酶活性明显下降.各项生理指标与土

湖北江汉平原农田生态系统锌素的平衡分析

湖北江汉平原农田生态系统麦-稻、稻-稻、油菜-大豆、油菜-花生、小麦-芝麻、小麦-棉花、青椒-大白菜、萝卜-茄子等8种种植模式农田Zn素的循环研究表明,土壤Zn的输入途径和输入量顺序菜田和水田为有机肥>降雨>归还>灌溉>种子(种苗),旱地为降雨>有机肥>归还>灌溉>种子(种苗),输出途径作物收获占96％～97.6％,平均96.7％,农田Zn流失和淋溶损失相对较少。该区域菜田Zn素盈余较多,稻田一盈一亏,旱田施有机肥和施Zn肥处理Zn有盈余,不施Zn肥和有机肥2种模式出现亏缺。

湖北江汉平原农田生态系统铜的循环与平衡

对湖北江汉平原农田生态系统 8种种植模式中Cu的输入、输出和平衡进行了分析 .结果表明 ,农田Cu的输出主要是作物收获 ,其输出量占总输出量的 85 .9%～ 95 .1% ,流失和淋溶输出很少 .农田Cu的输入主要是有机肥输入和降雨输入 ,其次是降尘、作物自然归还和灌溉 ,而种子种苗和无机肥输入占很少的比例 .农田Cu的平衡分析表明 ,按照当地施肥习惯 ,菜田和水田Cu盈余较多 ,而旱地 4种种植模式基本平衡 .

江汉平原农田生态系统B素循环及平衡分析

以江汉平原农田生态系统为研究对象 ,通过对当地农户小麦 -稻、稻 -稻、油菜 -大豆、油菜 -花生、小麦 -芝麻、小麦 -棉花、青椒 -大白菜、萝卜 -茄子 8种种植模式农田 B素的输入、输出和平衡研究。结果表明 ,B素的输出主要是作物收获 ,占 B素总输出量的 4 4.8%～ 6 4 .7% ;其次是淋溶损失占 2 5 %～ 4 1 .4 % ,B素流失占总输出量的 9.2 %～ 1 7.4 %。B素的主要输入途径是施有机肥和 B肥 ,此外 ,降雨也是 B素输入的主要途径 ,该区域各种类型农田生态系统

As污染区农民头发中As含量与环境中As含量的关系

为研究As污染区农民头发中As含量与环境中As含量的关系,采用分层整群随机抽样方式,抽取湖北省气型和污灌型As污染区6个村农民头发样660份,同时采集这6个村的饮用水、土壤、食物(大米、小麦、蔬菜、鸡蛋、鸡肉、猪肉)样品,用原子荧光光谱法测定As含量.研究结果表明,两种类型As污染区农民头发中As含量污染区明显高于对照区,农民头发中As含量有随着区域土壤和食品中As含量增高而相应增高的趋势.对不同年龄组研究表明,高龄组头发中砷含量最高,反映出人体慢性暴露As蓄积的现象,而污染区人群男女头发中As含量差异不