Studies on terrestrial interface processes in arid areas, China

In the present paper, we have elucidated the importance of energy and water cycling in arid areas to investigate global climate and local economics. Then, we were concerned with the physical arguments as how to stratify the soil, and the stability of the numerical scheme in the mathematical model for predicting temperature variation and water motion. Furthermore, we discuss the methods to estimate evaporation in arid areas. Numerical simulation of energy and water cycling at the Acsu Observatory, CAS, Xinjiang province and Shapuotou Observatory, CAS, Ningxia Province are conducted as case studies. The results show that the laws of terrestrial processes are rather typical in these arid areas. Planting drought-endurable trees can alleviate unfavourable conditions to a certain extent. (C) 1997 Academic Press Limited.

伞形科囊瓣芹属的系统学研究

囊瓣芹属Pternopetalum Franchet是伞形科Apiaceae/Umbelliferae芹亚科Apioideae芹族Apieae重要成员。全属包括约32个分类群（包括变种），分布于南朝鲜、日本、中国的西南部和邻近的喜马拉雅地区，中国西南部的横断山区是其多样性中心。典型的东亚特有格局和对东亚亚热带森林环境的偏爱是其东亚区系故有份子的特征。 基于19个标本馆标本材料、野外调查以及相应的实验证据，本博士论文从三个研究主题对囊瓣芹属展开了全面而系统的研究。一是通过标本观察和野外调查，利用标本管理系统BRAHMS和表型分析软件包DELTA系统，完成了囊瓣芹属的世界性分类修订；二是基于上述的分类方案，选择伞形科其它属的44个种作为参考性类群（Reference taxa），利用Winclada, NONA和MESQUITE软件包开展了分支系统学研究；三是基于坐标化的点分布数据，利用DIVA-GIS系统的生态位模型，进行潜在分布预测和生态地理分布特征的分析。研究的主要初步结论如下： 一、分类修订 根据对19个标本馆标本材料（包括85个模式采集）的考证，以及对云南、四川、贵州等地野外居群的观察，结合DELTA系统的表型分析，本研究确认囊瓣芹属包含14个种，提出了14个新异名，属下分为东亚囊瓣芹组Sect. I. Pteridophyllae H. Wolff和囊瓣芹组Sect. II. Pternopetalum H. Wolff两个组的分类方案。前者包括东亚囊瓣芹P. tanakae (Sav. & Franchet) Hand.-Mazz.、高山囊瓣芹P. subalpinum Hand.-Mazz.、洱源囊瓣芹P. molle (Franchet) Hand.-Mazz.等5个种；后者包括五匹青P. vulgare (Dunn) Hand.-Mazz.、囊瓣芹P. davidii Franchet和澜沧囊瓣芹P. delavayi (Franchet) Hand.-Mazz.等9个种。萼齿、花柱基、和花柱的形态是区别两个组比较好的形态学特征。叶的着生位置、最终末回裂片的形状（是否异形）、分裂回数以及伞形花序着生的位置和果棱表面的附属构造是种间识别有用的检索特征。 二、系统发育分析 根据如上的14个种的分类方案，另外选取了伞形科小芹属Sinocarum H. Wolff、丝瓣芹属Acronema Falc. ex Edgew.和鸭儿芹属Cryptotaenia L.等10个属共44种作为参考类群，基于63个广义形态学性状和58个种的形态学矩阵，利用最大简约法对囊瓣芹属进行了分支分析。结果表明，囊瓣芹属的14个种与日本特有单型的仙洞草Chamaele decumbens (Thunb.)Makino.形成一个单独分支，处于分支图的基部位置。表明囊瓣芹属与鸭儿芹属有较近的亲缘关系。长枝吸引可能是造成Chamaele Miq.与东亚囊瓣芹分支的非正常聚合的原因。囊瓣芹属可能是单系内群，但它与Chamaele Miq.属间关系需要进一步研究。属下形成以五匹青P. vulgare和东亚囊瓣芹P. tanakae为代表的两个主干演化线。分支进化（Cladogenesis）在两个主干演化线形成了形态和地理上对称分布的“种对”。根据形态特征的变异和地理分布，这些“种对”分为三种类型：1、形态上多变而地理上广布的类型，以东亚囊瓣芹P. tanakae和五匹青P. vulgare为代表；2、形态上稳定地理上狭域特有的类型，以薄叶囊瓣芹P. leptophyllum (Dunn)Hand.-Mazz. 和川鄂囊瓣芹P. rosthornii (Diels) Hand.-Mazz.为代表；3、形态上趋同而多变，地理分布上几乎完全重叠的类型，以洱源囊瓣芹P. molle和澜沧囊瓣芹P. delavayi为代表。 性状状态的分析显示，属下形态特征的趋异具有较强的同朔性。不等长的伞辐和花梗，以及囊状的花瓣基部三个形态学特征可以标识包括仙洞草在内的囊瓣芹分支。祖征状态的重建表明，东亚囊瓣芹分支相对保留了更多的祖征，是属下相对原始的类型；五匹青分支是后期生境需求的特化，适应潮湿和荫蔽环境的衍生类型。 三、生态地理分布 基于1128个坐标化的点分布数据和生态位模型，利用地理信息系统软件包DIVA-GIS对囊瓣芹属的物种多样性、现代地理分布、潜在分布进行了分析。结果表明，二郎山-峨眉山地区以及重庆金佛山及其临近地区是囊瓣芹属的两个主要的多样性中心。分布区内局部尺度上的异常性多样性（Diversity abnormalies）可能有两个来源：一是高的异质性生境条件下物种形成速率的差异；二是中国西南山地的“冰原岛峰效应”（Nunataks），比如峨眉山和金佛山，对属的早期演化线成员所起到的“避难所”（Refuge）的作用。 所预测的潜在分布范围与观察到的地理分布范围是一致的，说明对特化的气候忍耐性是限制囊瓣芹属物种地理分布的主要因素。温度和降水的季节性变化对囊瓣芹属代表中的地理分布限制作用比较大。亚热带-高山针阔常绿林是属下物种比较适宜的生境。属的地理分布可能形成于中新世以后，生态位的保守性是解释囊瓣芹属东亚本土就地分化和多样化的原因。属的分布范围的形成可能经历了一个早期南退西进的过程，后期分布范围变化可能主要是东西方向上的迁移和扩展。喜马拉雅—横断山—峨眉山/金佛山/神农架—日本、南朝鲜一线是囊瓣芹属多样化过程中分布范围东西延伸的重要通道。喜马拉雅—中国西南—日本朝鲜亚热带森林植被的完整性和连续性是囊瓣芹属演化和分布区形成的基本条件。

喀斯特植物适应高钙的方式与干旱及外源钙诱导基因的克隆和表达

喀斯特环境是一类发育在可溶性碳酸盐类岩石上的环境系境，其生境具有高钙和干早等特征。喀斯特生境中的优势/特征植物也多具适应高钙、耐旱的特性。旋蒴苣苔(Boea hygrometrica)是喀斯特地区一种典型的抗旱和适应高钙的植物。本文在探讨了喀斯特地区植物适应高钙环境的不同方式的基础上，从旋蒴苣苔中克隆了两个受脱水和外源Ca2+诱导表达的基因，并对其表达调控和蛋白质产物进行了分析。本研究将为治理西南喀斯特地区日益退化的生态系统提供理论基础。 本文测定了贵州4个地区采集地内45种优势/常见种的地上部分和地下部分的全钙含量以及土壤的交换性钙含量。通过分析喀斯特地区植物与土壤钙含量的特征发现：喀斯特地区植物具有较高的钙含量平均值；土壤交换性钙含量对植物地上部钙含量的影响总体上不显著，对植物地下部钙含量的影响显著；不同类别的植物钙含量存在显著差异，蕨类植物地上部钙含量平均值明显低于被子植物；不同类别植物的钙的分布部位也存在显著差异，在蕨类植物和单子叶植物中地上部和地下部的钙含量相近，而双子叶植物的地上部钙含量明显高于地下部。根据地上部分与地下部分钙含量的差异性以及与土壤交换性钙含量的相关关系将其中14种优势植物对土壤高钙的适应方式分为3种类型：随遇型，高钙型和低钙型。随遇型植物地上部和地下部的钙含量均与土壤交换性钙含量成显著正相关关系；高钙型植物具有较强的钙富集能力，其地上部即使在低钙含量的土壤中也可维持较高的钙含量；低钙型植物的地上部即使在高钙的土壤中亦可维持较低的钙含量。对贵州和北京等地采集到的旋蒴苣苔钙含量和土壤含钙量的分析发现，其地上部和地下部钙含量即使在高钙土中也呈低水平，推测可能是通过控制根部对钙的吸收和向上运输来维持低钙水平。 从旋蒴苣苔cDNA 文库中筛选到两个片段，经5’RACE 得到cDNA 全长，分别命名为BhOMT1 和BhC2DP1。BhOMT1 编码一个包含359 个氨基酸的蛋白质，蛋白序列分析表明BhOMT1 为植物O-甲基转移酶。BhOMT1 基因组序列包含一个内含子，与其同源基因的基因结构相似。BhC2DP1 编码一个包含154 氨基酸的小分子蛋白质，内含一个C2 结构域，该结构域在很多植物蛋白中均存在。通过5’RAGE 的方法分别克隆了1465bp BhOMT1 启动子序列和1113bp 的BhC2DP1 启动子序列，分析发现其中均含有多种逆境胁迫诱导元件。通过对BhOMT1 和BhC2DP1 表达分析和Western 杂交发现这两个基因均受脱水和外源Ca2+的诱导表达，表明这两个基因可能参与了旋蒴苣苔的脱水保护和对高钙环境的适应。

锡林郭勒典型草原 四种禾本科技牧草对水分胁迫的生理生态防御机制的比较研究

本文以不同水分胁迫下的四种禾本科牧草（羊草、冰草、洽草、糙隐子草）为对象，比较研究了水分胁迫对植物的生理生态损伤，以及植物的渗透调节、内源保护酶系统与水分胁迫的关系。 结果表明：水分胁迫对植物造成一定的影响／伤害，表现在相对含水量、高度、生物量、总叶绿素、总糖及蛋白质含量均降低。在同一水分胁迫梯度时，植物的保水能力以羊草最高，糙隐子草、冰草次之，洽草最低。参与渗透调节的物质以K+、游离非必须氨基酸为主;以Na+，游离必须氨基酸、糖为辅，不同植物渗透调节物质不同。供试植物的渗透调节能力以羊草最强。 在水分胁迫下，植物细胞膜的脂质过氧化程度降低，说明这几种植物具有较强的内源保护酶系统，表现在SOD、POD活性明显增高;ASA和还原性糖的缓慢变化。说明在水分胁迫下植物通过维持较高的保护酶活性，以减轻膜脂过氧化作用和膜的损伤。保护酶系统中的各组分所起的作用与物种有关。在供试植物中冰草、隐子草的这种保护能力强于羊草、洽草。渗透调节和内源保护酶系统或其一可能是这四种牧草具较强抗旱性的原因之一。

夏玉米不同生育期对干旱胁迫的响应与适应机制

干旱化问题将在全球环境变化下进一步加剧，并可能严重影响玉米。玉米是我国主要粮食和最重要的饲料作物，其重要性日益突出。水分是制约玉米产量的关键因子。为此，本研究利用大型活动遮雨棚对玉米进行了出苗后全程水分控制试验，研究大田条件下玉米不同生育期对不同土壤水分（包括水分充足well-watered, WW;适度干旱moderately stressed,MS;和严重干旱severely stressed,SS）的响应及适应机制。研究结果表明： 在吐丝和籽粒形成期，Ms对叶片相对含水量和相对电导率的影响没有达到显著或极显著水平，而SS则极其显著地降低叶片相对含水量和增加质膜透性。并且干旱胁迫下，夏玉米生育进程中保护酶SOD、POD和CAT活性基本呈现一致下降的态势，膜脂过氧化作用增强。短期干旱胁迫对SOD）和POD（在第十三叶期）保护酶有一定的激发效应，但此效应维持不长，其后骤降。 干旱会引起叶绿素a，b含量及总叶绿素含量的减少。MS下营养阶段的叶绿素含量没有明显变化，但随着MS的延续，叶绿素含量在生殖阶段显著降低。而SS的叶绿素含量最初就呈现降低并逐渐扩大。另外，在干旱胁迫下叶净光合速率(PN)和蒸腾速率(E)的降低因干旱强度和时间以及发育阶段而异，而且Ss所引起的不利影响更为凸现。SS显著降低营养和生殖阶段的水分利用效率( WUE)，然而MS基本导致前中期WUE增加，后期则减少。 土壤干旱胁迫下，绿色LAI明显降低，特别是生殖时期最高穗位叶面积显著降低：地上部生物量积累在各生育期均为减少。而且，干旱显著减少各生育期的根干重，但MS对第十八叶期(V18)的根干重有短期的促进作用。干旱胁迫下，根冠比在不同生育时期有增有减。MS对第十七叶期(V17)的叶面积、抽雄吐丝出现、叶片展开、最终叶片数以及收获指数影响不大，但其却显著减少各阶段株高、叶面积（第十七叶期除外）、茎粗和生物量积累。随着MS的延续，产量性状诸如穗粒数、百粒重均为降低，而SS对各生育阶段所有生长特性、产量性状及收获指数的影响都较MS更为不利。 生育前期遭遇干旱，可使叶片展开明显迟缓，并且最终叶片数减少。尤其SS减少最终叶片数1～2片，并且延迟抽雄4—5 d，吐丝4—5 d，从而可能导致成熟期推迟。 植物器官的营养吸收动态在短期干旱作用和长期作用之间有所不同。而且P和K元素的积累方式也有别。基本上，干旱胁迫显著降低植物器官在不同生育期的全P和K元素的吸收，尽管后期一些器官诸如叶、鞘和茎等的吸收有所增加，特别是干旱严重影响了根的吸收能力，而且SS较MS对全P.K吸收影响更甚。总之，干旱所导致的生物量减少与植物器官的全P、K吸收的减少是相伴而生的。 与WW相比较，MS和SS的产量两年内分别降低了20,4%—26,1%和59.2%～84.5%，穗粒数分别降低了12.1%～19.7%和39,8%～88.1%，以及百粒重分别降低了2.1%~2.7%和17.7%—46,9%。研究进一步表明，干旱胁迫对多数玉米籽粒的营养品质有利。与WW相较而言，N含量、可溶性总糖、可溶性还原糖、Zn. Ca. Cu. Mg和Mn元素在MS下分别提高了5.9%，39-0%，97.5%，12.1%，4.4%，7.5%，6.1%和2.9%，而在SS下则分别提高了8.6%，99.3%，300.0%，27.8%，24.0%，1 5.3%，9.8%和7.9%。但是，一些玉米籽粒的营养品质诸如淀粉、P和K含量却受到干旱胁迫的不利影响，与WW相比较，MS使籽粒淀粉、P和K含量分别降低了8.3%．12.6%和3.7%，而SS则分别降低了33.3%, 14.6%和18.6%。粗脂肪含量则表现有所不同，与WW比较而言，MS对之有利，2年平均增加9.2%，而SS对之不利，2年平均减少11.3%。 总之，玉米生理生态特征、地上部各部分干物质生产、根系生长、营养吸收、产量性状、营养品质对干旱胁迫的响应和适应不仅依赖于干旱的严重程度（包括强度和时间），而且也依赖于玉米发育阶段。本研究认为，在半湿润地区水分缺乏的条件下，有限灌溉（最低土壤相对含水量55%士5%）在营养阶段抽雄前实施可行。

贵州喀斯特森林优势木本植物水力结构特征

水力结构就是植物在特定的自然环境条件下，为适应生存竞争的需要所形成的不同形态结构和水分运输供给策略，它对于植物物种的分布、抗逆能力等方面起关键性作用。喀斯特常绿阔叶林生长的特有植物种类以其独特的形态解剖特征和生理适应性，很好的适应了喀斯特地区独特的水分和土壤环境，以维持自身的生存和最适生长。植物的水分关系是喀斯特地区特有植物种类适应环境的核心生理生态学问题之一。贵州喀斯特地区石漠化正日益加剧，因此，对贵州植物水力结构和环境适应性进行研究具有重要的意义。 目前，国内外学者在“冲洗法”中使用的不同冲洗溶质可能对植物木质部水力结构的测定结果等产生较大影响，因此本文首先研究了三种溶质的冲洗溶液对毛白杨(Populus tomentosa)和油松(Pinus tabulaeformis)枝条的水力导度和抵抗空穴化能力的影响。实验结果表明: 相对于去离子水，用0.01 M 的草酸和0.03 M KCl溶液作为冲洗溶液，均导致毛白杨木质部导管和油松管胞的水力导度测定值的增大。KCl导致毛白杨和油松木质部抵抗空穴化能力的测定值提高，草酸导致杨树抵抗空穴化能力测定值增强但导致油松抗空穴化能力测定值显著(P<0.01)减弱。小枝水平上，毛白杨和油松的水分运输效率和抗空穴化能力之间没有显著相关性。另外，在截枝实验中发现毛白杨小枝木质部水力导度随长度增加变化不大，而油松枝条的木质部水力导度有逐渐增大的趋势。以上的实验结果表明不同溶质下毛白杨和油松枝条的木质部水力导度和抵抗空穴化能力不同，草酸和KCl可能对木质部管道系统及纹孔处的果胶等产生作用，从而使毛白杨和油松的水力结构发生变化。毛白杨与油松水力结构在去离子水、草酸和KCl的作用下的不同结果及两物种截枝试验下水力导度的不同变化趋势，表明导管运输系统和管胞运输系统可能具有不同的水分运输影响因素。 在贵州花江、普定、荔波等地选择当地森林中39种优势木本植物作为研究对象，对其枝条的水力结构进行研究，结果表明: 该地区优势木本植物的水力结构与其他森林类型相比，其木质部抗栓塞化能力介于热带雨林和热带干热森林之间，而水力导度高于各森林类型的平均值。在石漠化程度不同的地区，植物总体的水力导度和水分运输的安全性没有呈现出明显的规律，但是同种植物在较为干旱的严重石漠化地区，其木质部安全性较高，植物在周围环境的影响下木质部水力结构朝着更适应周围环境的方向发展。 贵州喀斯特地区常绿植物和落叶植物的水力结构差异较为明显(P<0.05)。落叶树种主要在夏季生长，其最大水力导度较高，而冬季依靠落叶等方式度过不利的生长环境，因此其木质部安全性较常绿树种更为脆弱。总体而言，贵州喀斯特森林优势木本植物的在水力导度与安全性之间存在权衡关系，说明在大尺度水平上随着水力导度的提高即水分运输效率的提高，植物木质部抗空穴化的能力降低。

中国冬小麦品种对臭氧、二氧化碳和干旱的响应

臭氧属于二次污染物，它是由机动车、工厂等人为源以及天然源排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等一次污染物在大气中经过光化学反应形成的。O3 是光化学烟雾的主要成分，可对植物生长产生抑制。近几十年来，全球O3 污染的格局正在发生着巨大改变。由于北美及西欧等经济发达地区采取了有效控制臭氧形成前体物的措施，其空气中的O3 浓度在减少，而亚洲等经济发展中地区的O3 形成前体物的排放却在急剧攀升，导致大气中O3 浓度显著增加。中国经济的快速发展以及汽车保有量的迅猛增加导致O3 前体物的大量排放，许多经济较发达的地区空气中的O3 浓度超过了75ppb。由于O3 污染将导致农作物产量显著降低，因此，亚洲尤其是中国O3 污染对本地区农业生产的影响引起了国内外科学家的广泛关注。然而，在中国开展的关于O3 对植物生长及生产影响的研究相对较少，但已有的几篇研究报道确实指出目前中国部分地区的O3 浓度可导致冬小麦产量大幅下降，并预测到2020 年由O3 污染将引起小麦产量进一步降低。 植物对臭氧的反应或敏感性取决于诸如叶片导度、叶片结构及生化解毒等很多方面。首先，由于高叶片导度将吸收较多的臭氧量，因此，叶片导度通常被认为是决定抗性最为重要的因子。处于湿润条件下的植物，通常具有较高叶片导度，受到臭氧危害的程度一般也较大。其次，植物抗氧化胁迫能力的大小也决定着其对臭氧的敏感性。同一植株的老叶首先表现出伤害症状，这是由于老叶的抗氧化能力差于新叶，体现在抗坏血酸和谷胱甘肽含量及抗坏血酸氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性低于新叶。另外，叶片对臭氧的敏感程度与其叶片结构关系密切，拥有较大的细胞间隙对抗污染特性至关重要，由于叶片上表面的栅栏组织较海绵组织致密，因此通常较早表现出伤害症状。 影响植物对臭氧反应的环境因子很多，诸如光照、水气压亏、温度等。由于臭氧主要通过气孔进入植物体内，因此目前的研究主要集中在能显著调节气孔导度的环境因子，如土壤水分状况和在未来可能会与大气中臭氧浓度同步增加的CO2 浓度。CO2 浓度升高可降低植物的气孔导度，因此，CO2 浓度升高可减少叶片对O3 的吸收量。同时，大气CO2 浓度升高可提高净同化速率，可导致气孔的部分关闭而减少蒸腾，从而显著提高植株的水分利用效率，最终促进作物生长并提高产量。然而，二者对作物产量的交互影响尚不明确。水分胁迫被认为是影响O3 对植株伤害的一个重要环境因子。与正常供水相比，水分胁迫常常伴随着气孔导度的降低，导致进入到植株体内的O3 量相对较少而减轻植株受到的伤害程度。然而水分供应不足本身将导致小麦生长降低及产量下降。因此，水分亏缺可能会保护植株免受O3 伤害，同时也可能会加剧对植株的胁迫。 高浓度臭氧环境下，植物表现出较低的气孔导度。但研究表明，对臭氧敏感性不同的植物其气孔导度对臭氧的反应程度不同。臭氧对气孔的作用将影响植物生产力，同时也将影响植物对其它环境胁迫如干旱等的反应。短时间臭氧熏蒸小麦导致叶片细胞膜系统受损、光合产物输出受阻;而长期受臭氧污染后，小麦叶片的光合速率、光化学效率、叶绿素含量和蔗糖含量均显著降低，并与臭氧剂量的大小和峰值出现的早晚有关。O3 浓度升高将抑制光合作用，减少气孔导度，加强呼吸作用，改变C 同化物分配，加快叶片的衰老。众多研究表明，O3 导致的光合能力下降主要是由Rubisco 最大羧化效率降低导致;而O3 对光合器官捕获光的能力及光合电子传递速率的影响是光合作用下降的另一个原因。 尽管已有不少关于不同物种间对O3 敏感性的种间差异研究，然而育种方法或育种地点对中国不同冬小麦品种的O3 敏感性的影响尚不清楚。因此，我们假设育种年代、育种方法及地点将交互影响冬小麦品种对O3 的生长及生理响应。为进一步明确基因对冬小麦O3 敏感性的控制，研究了普通六倍体冬小麦的近缘体对O3 敏感性的差异。CO2 浓度升高及干旱胁迫对小麦臭氧敏感性的影响也进行了研究。论文主要从生理生化、生长及产量水平上来阐释O3 浓度升高、CO3加倍、干旱对冬小麦生长及生产影响的机理。 本研究主要是在温室中的上部开口的生长箱（open-top chamber, OTC）中进行。先后开展了四个盆栽实验研究，主要目的是确定中国不同基因型冬小麦种或品种对臭氧的敏感性及其反应机理;确定CO2 浓度升高及干旱在减轻O3 伤害方面的作用及其机理。实验材料为中国不同年代选育出的小麦品种，即1745年至2004 年间选育出的20 个品种和7 个小麦材料。主要评价指标包括相对生长速率、异速生长系数、叶绿素荧光、抗氧化活性、可溶性蛋白质含量、膜酯过氧化、气体交换、光合能力、叶绿素含量、暗呼吸、生物量及籽粒产量。实验研究得到的主要结果如下： 1) O3 升高显著降低整株及地上和地下部分的相对生长速率，显著降低异速生长系数、可变荧光、最大光化学效率、量子产额、光化学淬灭系数以及电子传递速率，但提高了非光化学淬灭系数。冬小麦不同品种对O3 的敏感性随育种年代的增加而增大，并与对照植株相对生长速率呈正相关。尽管近年来环境中的O3 浓度比过去显著增加，但新近育出的品种对臭氧的抗性却没有表现出协同进化效应。通过杂交选育的品种对臭氧的敏感性大于通过引进的和重选的品种。从生长和光合生理上来看，不同小麦品种对臭氧的敏感性与育种地点没有相关性，表明冬小麦品种对臭氧的适应能力与其生长环境下的臭氧浓度无关。因此，对臭氧相对敏感的冬小麦品种主要是由培育中较高相对生长速率或较高光合能力的杂交育种方式决定的，而与选育地点环境中的臭氧浓度无关。 2) 臭氧显著降低叶片中抗坏血酸（AsA）和可溶性蛋白的含量，但提高了过氧化物酶（POD）的活性和膜酯过氧化物（MDA）的含量。臭氧浓度升高抑制饱和光强下的净光合速率（Asat），降低气孔导度（gs）和总叶绿素含量，而显著提高暗呼吸速率（Rd）和胞间CO2 浓度（Ci）。臭氧导致总生物量降低，但地下部生物量受到的影响大于地上部。不同基因型小麦对臭氧的潜在敏感性与实际观察到的抗臭氧能力存在很大差异。冬小麦品种对臭氧的敏感性与臭氧环境下植株气孔导度和暗呼吸速率相关。臭氧导致Ci 浓度升高以及膜酯过氧化，由此得出臭氧导致的净光合速率主要是由于臭氧降低了叶肉细胞活性及细胞膜的完整性。新品种对臭氧相对敏感，主要是由于其具有较高的气孔导度抗氧化能力下降幅度较大以及较低的暗呼吸速率，从而对蛋白和细胞膜完整性造成较高的氧化伤害。 3) 臭氧对冬小麦光合和生长的影响存在着显著的种间差异。原初栽培种表现出最大的抗性，当代品种次之，而野生种对臭氧最为敏感。在普通冬小麦不同基因组供体中，钩刺山羊草（Aegilops tauschii，DD）对臭氧最敏感，其次为栽培一粒小麦（T. monococcum，AA），而圆锥小麦（Triticum turgidum ssp.Durum，AABB）对臭氧的抗性最大。因此，当代冬小麦品种对臭氧的敏感性可能是与其D 染色体供体-钩刺山羊草对臭氧敏感有关，而与其A、B 染色体供体-圆锥小麦的关系相对较小。 4) CO2 浓度升高提高了老品种和新品种的Asat，最大羧化速率（Vcmax），最大电子传递速率（Jmax）、光和CO2 饱和光合速率（Amax）。与之相反，臭氧显著降低了这些生理参数。虽然两品种对CO2 的响应没有显著性差异，但CO2浓度升高均有效保护了臭氧对它们的伤害。这种效应与CO2 浓度升高引起的气孔导度降低无关，而与代谢活性的提高有关。 5) 水分胁迫和臭氧分别都显著降低了 Asat 和gs。干旱显著降低Vcmax 和羧化效率（CE），而对Jmax 和暗呼吸（R）的影响不显著。臭氧显著降低冬小麦不同基因型的Vcmax，Jmax，R 和CE。二者均降低了生物量的积累及最终籽粒产量。与六倍体小麦相比，四倍体小麦对干旱相对敏感，但对臭氧却表现出较高抗性。干旱降低了气孔导度从而显著减少了植株对臭氧的吸收量，但两基因型的反应截然不同。干旱使臭氧对六倍体小麦产量和收获指数的伤害分别减少了约16%和50%，而干旱对该四倍体小麦的保护效应不大。

复苏植物牛耳草Boea hygrometrica干旱诱导基因的筛选和功能分析

干旱对植物的影响和植物对干旱的反应是十分复杂的，涉及到植物的各种生理活动，由胁迫强度及时间、植物本身的遗传特性、发育阶段和生理状况以及其他环境因子共同决定。现代分子生物学和生物技术的发展深化了对植物逆境反应的研究，对植物抗旱分子反应的研究成为这个领域的热点，也引发了抗逆基因资源的争夺战。 以拟南芥等植物为实验材料的研究对深入了解植物对干旱胁迫感知和反应机制提供了重要信息, 但对植物抗旱机制的了解仍然十分匮乏。其中， 限制人们对抗旱机制深入了解的一个重要因素就是植物抗旱机制的复杂性和多样性，这种抗旱机制的复杂性决定了不是所有的机制都可通过拟南芥等植物来加以揭示。因此利用特殊生境植物来研究相关基因的表达对揭示植物对环境适应机制有着极为重要的价值。 我们实验室以复苏被子植物旋蒴苣苔（Boea hygrometrica (Bunge) R Br.，牛耳草）为实验材料，开展了多方面的工作，以期从复苏植物的角度加深人们对抗旱机制的了解。目前我们实验室已成功地建立了利用cDNA微阵列技术研究牛耳草基因表达谱的体系，并比较了4562个cDNA克隆在干旱前后的表达差异, 发现434个cDNA在干旱条件下表达水平增加一倍以上。 本工作是在上述工作的基础上，对这些表达差异的cDNA克隆并测序，利用Northern blot进一步验证这些基因。序列分析表明，这434个cDNA片段实际上代表着42个基因。根据序列同源性分析表明其中36个克隆与已知功能的基因具有同源性，它们分别是细胞壁相关基因、LEA基因和糖类、抗氧化酶类的编码基因等。另外，4个克隆未能找到同源序列，这可能意味着它们是一些新基因；2个克隆虽找到同源基因但功能未知。36个克隆中有3个编码的是细胞壁相关基因，它们在干旱早期就被诱导，而编码LEA蛋白的基因在干旱中期或后期大量诱导，这说明牛耳草耐旱反应的启动是程序化的，随干旱时间的延长和程度的加强，一步步地启动相应的基因来发挥作用，多方面地对植物细胞进行保护和修复。 本实验室的前期工作表明牛耳草脱水复水过程中细胞超微结构分发生了明显变化，其中细胞壁脱水时发生折叠复水时恢复原状。鉴于细胞壁如此显著的变化及其重要作用，我们以两个细胞壁相关的基因BhGRP1和BhGLP1为对象，对其表达的时间空间特点和对不同胁迫信号的应答、编码产物的理化性质、过量表达或抑制表达的转基因植物的表现型及转基因植物对不同逆境胁迫的抗/感性状等方面的进行研究，综合分析其在耐旱反应中可能参与的代谢途径或信号途径，以期为揭示牛耳草耐旱复苏机制提供有力的佐证。 我们利用Northern blot和半定量RT-PCR对两基因进行了表达模式分析，发现BhGRP1在干旱早期被诱导，干旱后期其转录本水平下降。而BhGLP1在早期诱导后一直保持高的表达。两者在不同胁迫、激素等处理下都有不同的响应。经PSORT分析两基因编码的蛋白都具有N-端信号肽，意味着两蛋白定位于胞外基质。构建BhGRP1-GFP和BhGLP1-GFP融合蛋白进行亚细胞定位分析，质壁分离后BhGRP1-GFP的信号仅保留在细胞壁，而BhGLP1-GFP则在胞壁胞膜上都存在。过量表达BhGRP1后发现它能赋予植物更强的耐旱复苏能力及机械强度，而抑制GLP表达的植株的抗旱性明显弱于野生型，表明BhGRP1和BhGLP1与牛耳草的耐旱复苏有密切的关系。

冬小麦对二氧化碳、臭氧和温度升高的生理生态响应

CO2浓度升高和气候变暖已成为不可逆转的现实，而具有强氧化性的臭氧浓度升高也被认为是全球变化的重要组成部分，已经或将对植被生长产生严重威胁。冬小麦（Triticum aestivum L.）生长发育期内受到环境变化的影响相对较大。小麦是对臭氧最为敏感的作物之一，华北地区冬小麦灌浆期容易发生臭氧污染。本研究以冬小麦为试材，研究了CO2浓度加倍和2oC增温对中国北方不同年代推出的冬小麦品种幼苗生长的效应；研究了不同小麦品种对花后短期臭氧胁迫的反应；分别研究了干旱、增温与臭氧污染对冬小麦旗叶光合和产量的交互影响。研究结果如下： 1) CO2浓度加倍和温度升高加快冬小麦幼苗的生长速率。CO2浓度加倍主要是促进了幼苗的分蘖(+1.54分蘖)，而增温加快了发育进程(主茎叶片数比对照多1叶)。不同品种对CO2浓度加倍和增温的响应存在着差异，但与育种年代没有显著相关关系。从20个品种的总体情况来看，CO2浓度加倍和2.0℃增温对冬小麦幼苗的生长具有叠加效应。生长较慢的冬小麦品种对CO2浓度加倍的反应越大。 2) CO2浓度加倍显著提高了小麦新展开叶的净光合速率（Psat），显著降低了气孔导度（gs）和蒸腾速率（E），从而显著提高了瞬时水分利用效率（ITE），但不同小麦品种对CO2浓度加倍的反应与其育种年代没有明显的相关性；增温对冬小麦叶片Psat的效应不显著，但显著降低了gs，而E显著增大，从而导致ITE显著降低，其中，Psat对增温的反应与品种育种年代呈显著正相关（R=0.525, p<0.05），并与叶片比叶面积（SLA）显著正相关（R=0.45, p<0.001）。CO2浓度加倍和增温同时处理时对Psat、gs和ITE的效应显著大于CO2浓度加倍处理。 3) 冬小麦灌浆初期，短时间的臭氧胁迫对旗叶的同化能力带来了显著的负效应，而且光合性能最大的叶片中部受到的抑制最为严重。同化能力的下降导致最终产量的降低。然而，不同品种对臭氧的敏感性存在着很大差异。臭氧对具有较高收获指数和产量的当代品种-烟农19的效应（-19%，p<0.01）明显大于产量较低的老品种-农大311（-8%，p<0.05），主要表现在叶片可见伤害程度较大，旗叶净光合速率受到的负效应较大，籽粒重量以及穗粒数均显著降低。 4) 短期高浓度臭氧胁迫对处于中度干旱胁迫下的小麦植株产生了可见伤害（<20%），但伤害程度明显低于处于土壤含水量较高的植株(>30%)。短期臭氧处理显著降低了处于较高土壤含水量下的小麦旗叶Psat（-36%），干旱胁迫也显著降低了旗叶Psat（-34%），但臭氧仅使处于中度干旱胁迫下的植株旗叶Psat进一步降低了7.8%。gs的变化趋势与Psat的变化基本一致。臭氧处理结束并复水后，干旱处理植株的Psat与对照基本相同，而臭氧处理过的植株均明显低于对照，其中臭氧处理期间处于良好土壤含水量条件下的植株旗叶Psat显著低于对照，并且随着植株的衰老，其下降的速度明显快于其它处理，表明衰老速度加快。而中度干旱胁迫可减轻臭氧对小麦产量的危害程度。 5) 正常供水条件下，短期臭氧处理结束2天后，小麦旗叶Psat与对照植株的值接近，然而随着时间的延长，Psat下降的速度明显快于对照。臭氧处理结束后，植株若遭受干旱胁迫，旗叶Psat显著低于对照。虽然gs的变化趋势与Psat基本一致，但臭氧处理后光合的降低主要是由非气孔限制因素引起的。旗叶光合能力下降、叶片提前衰老，是臭氧处理导致产量显著降低的主要原因。穗粒数没有显著变化，而千粒重却显著降低。而臭氧处理后若遇干旱胁迫，旗叶的光合能力以及光合有效期进一步减少，导致不育小花数增多，因此籽粒产量进一步减少。 6) 灌浆期臭氧浓度升高显著降低了小麦叶片的光合能力，导致产量显著降低；2oC升温加快了植株的衰老，然而并没有对产量性状产生显著效应；温度和臭氧两因子对旗叶的气体交换参数具有交互效应，但对各产量性状均没有交互效应发生。 综合以上研究结果，不同品种对环境变化的响应存在着显著差异，意味着可以通过育种途径来减轻未来环境变化对农业生产的负面影响；灌浆期臭氧胁迫显著降低冬小麦的产量，环境因子可影响臭氧胁迫效应，但之间的交互作用比较复杂，有待进一步深入研究，以保证未来全球变化环境下的粮食安全。

水稻抗旱性与光合特征的资源评价及其根系抗旱生理基础的研究

为了挖掘和利用野生资源抗旱和高光效的有益基因性状，本研究针对野生种的抗旱生理性状、光合作用和抗旱关系进行了测定，同时利用野生稻和栽培稻远缘杂交获得不同光合特点的后代材料进行了胁迫反应试验，并以栽培稻（陆稻和水稻）为材料研究了抗旱反应中根系的激素信号变化。旨在明确水分胁迫条件下，水稻不同野生种对干旱反应的差异及其机理，以及进一步鉴定有效的抗旱指标，为今后育种和生产实践提供理论依据和指导。主要结果如下： 1．通过对具有不同抗旱性状的四个野生种O.Granulata、O.Alta、O,Officinalis、O.Latifolia水分胁迫处理的抗旱相关生理性状的变化特点的研究表明：(1)在胁迫早期，野生种间黎明前叶片水势没有明显的差别，随着胁迫加剧，种间差异显示明显。耐旱性弱的野生种（O.Granulata、O.Latifolia）黎明前叶片水势和中午水势下降幅度大于耐旱性强的野生种( O.Alta、O.Officinalis)。这表明在一定的干旱处理程度下，黎明前叶片水势和中午水势可以反映出不同种间植株忍受干旱胁迫的能力。(2)四个野生种的植株在轻微胁迫时，膜稳定性呈现出增强的趋势，这可能与干旱胁迫的适应性相关。随着胁迫时间的延长，胁迫程度的加重，叶片膜稳定性破坏，植株叶片渗漏率增加。(3)在胁迫条件下，不同野生种表现出茎杆中糖分增加，叶片的光合酶和光合速率下降，且抗旱性弱的品种这种变化比抗旱性强的品种更加明显。这可能是由于干旱处理降低了同化物的运转和淀粉合成，导致了糖分积累。(4)在水分胁迫条件下，植株中的ABA浓度增加而IAA浓度下降，其中ABA的浓度增加与种间的抗旱性相关。抗旱性差(O.Granulata、O.Latifolia)的野生种叶片ABA浓度增加幅度高于抗旱性强的野生种（O.Alta、O.Officinalis）。Officinalis和Alta在水分胁迫下，仍比Granulata 和Latifolia具有较高的分蘖，这可能与其在胁迫下具有较高GA3浓度有关。 2．通过对20个野生种叶片膜电解质泄漏率的比较，研究其叶片细胞膜稳定性的特点表明，46℃的温度，水浴时间24小时是较适宜的条件。在适宜的处理条件下，Longistaminata、Punctata渗漏率较低，表明其具有良好的膜稳定性：O. Officinalis、O.Glumaepatula、O.Glaberrima，O.Latifolia、Meridionalis、Rufipogon (105697)、100889、Nivara (80683)、Sativa( IR-36)电解质泄漏率居中在60-80%;O.Alta、Rampur6、Azucena、Rufipogon (105599)、Bartlic、Rufipogon(104640)、105429、Minuta (101099)、HP4的渗漏值均较高，表明其膜稳定性较差，尤其是Minuta。此外，叶片光合速率和叶片膜稳定性的关系并不完全一致，在育种时应选择光合速率较高而叶片膜稳定性好的品种，O.Longistaminata因其具有较高的光合速率和较好的膜稳定性，是一个值得关注的材料。 3．研究了栽培稻（Oryza sativa）和普通野生稻（Oryza rufipogon）的杂种后代F3，即：Azucena×Rampur6杂交得到的Fi植株(25007-10)，通过自交得到其F3代植株，在水分胁迫下不同光合速率类型植株以及相关的抗旱生理特点。结果表明， (1)光合速率高的株系黎明前叶片水势下降较大，而中午叶片水势下降却较小：光合速率低的株系黎明前叶片水势下降幅度较小，而中午叶片水势下降幅度却较大，这表明水分胁迫下，植株中午叶片水势与植株的光合速率密切相关。(2)在轻微水分胁迫下（缓慢干旱0-40天），所有株系经受抗旱锻炼的植株，其叶片渗漏率均下降，膜稳定性增强;随着胁迫时间延长（胁迫后40-80天）其叶片泄漏值上升，这可能是由于：水分胁迫下通过植株的渗透调节能力，使得叶片中累积的有机溶质增加：且干旱胁迫使得叶片的质膜破坏，电解质外渗，相对电导率提高。 (3)水分胁迫下，从不同光合速率类型的植株，其光合速率的变化看：高光合速率类型的植株，在水分胁迫下光合速率的下降幅度，要大于光合速率较低类型的植株。在水分胁迫下，SHPl-2株系后代比SHPl-1株系具有较强的抗旱性，能维持较高的光合速率。 (4)在水分胁迫下，不同光合速率的株系，其气孔阻抗均增加：低光合速率的株系，气孔阻抗上升幅度大于高光合速率类型的株系，并且其气孔阻抗上升的时间要早于高光合速率的株系。 4．研究了两个陆稻品种Azucena、IRAT104和两个水稻品种IR64、Salumpikit，在干旱胁迫下根系木质部汁液中内源激素的变化。(1)干旱复水后不同时间进程中，各品种木质部汁液内源激素的变化看，IRAT104和Salumpikit木质部汁液中ABA含量迅速降低，其下降幅度较大。说明ABA作为胁迫信号，通过木质部汁液传递干旱信息;在干旱胁迫解除后，ABA的浓度亦发生相应的变化。(2)在对根系施加不同压力后，测定其木质部汁液内源激素变化，结果表明：在不同的根系压力下，不同品种间（IR64、Salumpikit、IRAT104和Azucena） 木质部汁液中GA3含量变化较大，其中两个陆稻品种IRAT104和Azucena均较高，两个水稻品种IR64和Salumpikit均较低。这表明，在不同的压力下，陆稻品种（Azucena和IRAT104）比水稻品种（IR64和Salumpikit）具有较高的GA3含量;在胁迫条件下，维持较高的GA3含量，这有利于其维持正常的生长发育。(3)在干旱胁迫及复水过程中，根据木质部汁液中ABA和GA3含量变化的结果表明，虽然Azucena和IRAT104均属于陆稻品种，但二者的抗旱性不同。(4)水稻品种木质部汁液的pH值高于陆稻品种。木质部汁液中pH在干旱胁迫下升高，复水后又降低，其可作为干旱胁迫的一个信号，它与木质部汁液中ABA联合调节植株对干旱的生理生化反应。 上述结果表明，叶片水势与水分胁迫密切相关，可作为植株抗旱性的鉴定指标;抗旱性强的品种，叶片水势下降幅度小，有利于维持较高的水势，保证植株生长发育的需要。严重干旱使得所有品种的质膜稳定性降低，电解质外渗，相对电导率提高;抗旱性强的品种的质膜伤害程度小，电导率上升幅度小，表明其质膜稳定性好，对干旱的忍耐能力强。质膜稳定性的变化实际上反映了品种的耐旱性，所以是一种综合而又比较准确的抗旱鉴定指标。对于酶和激素的测定方法，由于操作比较烦琐，且数据分析和产量比较复杂等原因，不太适合于常规的大田选育工作中。水稻的抗旱性是多种生理生化变化综合作用的结果，因此进行水稻抗旱性鉴定时，不能使用单一的生理生化指标，而应对多个指标进行综合分析，依据综合值对水稻品种的抗旱性进行评价较为科学。

根茎在羊草响应短期盐胁迫和干旱胁迫过程中的作用

羊草 (Leymus chinensis (Trin.) Tzvel.) 又称碱草，隶属禾本科，赖草属，因其营养价值高，富含蛋白质，适口性好，抗旱，耐盐碱，耐贫瘠，抗逆性强，适应广等优点，对我国发展草原畜牧业和退化草地、荒漠化治理方面具有举足轻重的作用。近年来，由于自然环境变劣，荒漠化加剧，以及过渡放牧等不利影响，已对我国草地构成了严重威胁，严重制约了我国人工草地建设和天然草地的改良和沙化治理的步伐。目前, 国内外关于羊草的报道大多集中在草原生态等宏观领域，在羊草根茎生理学方面的研究却十分匮乏。作为一种典型的根状茎型克隆植物，羊草根茎在无性繁殖和克隆基株间的克隆整合、形态可塑性和分工合作等方面具有重要的作用,但羊草根茎在羊草感应环境胁迫中的作用却研究甚少。为了探讨根茎在植物感应环境胁迫中的作用, 本文以羊草为实验材料，通过分别处理羊草根茎和根，研究和比较了短期NaCl、PEG胁迫根、根茎、根和根茎三种处理方式下羊草对盐胁迫和干旱胁迫的生理响应。主要研究结果如下： 1、200 mmol• L-1 NaCl处理羊草根、根茎、根和根茎24小时显著降低羊草叶片净光合速率和蒸腾速率，增加叶片渗透浓度与脯氨酸含量;其中同时处理根和根茎，叶片蒸腾速率和净光合速率的降低程度显著高于分别处理根和根茎。在分别处理根与根茎的情况下，叶片含水量、脯氨酸含量、净光合速率、蒸腾速率均无显著性差异。不论单独胁迫根、根茎还是同时胁迫根和根茎，羊草根、根茎和叶片内钠离子（Na+）含量增加，而钾离子（K+）含量和K+/Na+ 比降低。 这些结果表明：（1）羊草根茎在感应和响应盐胁迫的生理过程中与根系具有类似的功能;（2）羊草根茎在盐胁迫条件下参与Na+ 吸收和向地上部的转运;（3）鉴于根茎的生物量和表面积都明显的低于根系，在盐胁迫下羊草根茎吸收Na+ 的效率高于根系。 2、15％ 聚已二醇（PEG－6000）处理羊草根、根茎、根和根茎24 小时显著降低羊草叶片含水量、净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率，增加叶片脯氨酸含量。在分别胁迫根与根茎两种处理下，处理根茎对叶片的净光合速率影响程度更大，表明根茎对干旱胁迫反应更敏感。

Impacts of a small dam on riverine zooplankton

In order to explore the temporal impacts of a small dam on riverine zooplankton, monthly samples were conducted from November 2005 to June 2006 in a reach of Xiangxi River, China, which is affected by a small hydropower plant. A total of 56 taxa of zooplankton were recorded during the study and rotifers were the most abundant group, accounting for 97% of total taxa, while the others were copepod nauplii and copepod adults. This study indicated that: (1) the small dam in the Xiangxi River study area created distinct physical and ecological conditions relative to free-flowing lotic reaches despite the constrained channel and small size of the dam; (2) the existence of the plant's small dam had a significant effect on the zooplankton community. In long periods of drought or dry seasons the effect of the dam on potamoplankton was more pronounced (e.g., November, February, March, and May). But the downfall or the connectivity of channel appeared to decrease the effect of small hydropower plants on riverine zooplankton (e.g., April). The present observation underscores the need for additional studies that provide more basic data on riverine zooplankton communities and quantify ecological responses to dam construction over longer time spans.

Sediment sources and the flood record from Wanghu lake, in the middle reaches of the Yangtze River

A sediment core was collected from the centre of Wanghu Lake, in the Middle Reaches of the Yangtze River. The recent part of the core was dated using a combination of Pb-210 and spheroidal carbonaceous particle (SCP) techniques. Extrapolating this chronology dated the laminated section of the core, between 723 and 881 mm, to the first half of the 18th century and this section was selected for detailed study. The thicknesses of the laminae were measured using reflecting and polarizing microscopes whilst geochemistry was determined by an electron probe. The thickness of the dark layers was found to be positively correlated with titanium concentrations, and negatively correlated with aluminium and potassium concentrations. The thickness of the light layers was found to be negatively correlated with the concentrations of titanium. It is concluded that the dark layers were deposited from the Fushui River, a tributary of the Yangtze River, under periods of normal flow whilst the light Layers were mainly deposited from the Yangtze River itself during flood periods. Documentary evidence for floods occurring in the take catchment corresponded with thick laminations of high titanium concentration. Further, two of the three thickest, light laminations with low titanium concentrations were found to be synchronous with recorded flood dates of the main Yangtze River in its Middle Reaches, but one was synchronous with a local drought. These data suggest that the Lake sediment provides an archive of the relative water levels of the Yangtze and Wanghu including floods of both the main Yangtze River and the local hydrological regime. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

不同pH缓冲液处理下蚕豆幼苗叶片SOD、POD和CAT活性的变化

利用不同pH值的酸碱溶液处理蚕豆或者离体蚕豆叶片,研究酸碱胁迫下蚕豆叶片保护酶活性的变化。结果表明,离体蚕豆叶片处理10 min和30 min的SOD活性相差不大,整株处理5 h的蚕豆叶片SOD活性远大于处理12 h的SOD活性;离体蚕豆叶片和整株蚕豆处理,较长时间处理下的CAT活性基本上高于短时间处理的CAT活性,短时间处理下(10 min、5 h)POD活性均显著低于对照值,较长时间处理(30 min、12h)下POD活性变化的规律性不强,且变化幅度较小。

高产抗旱优质谷子新品种辐谷7号的选育与推广利

利用400Gy 60Co γ射线处理87070谷子品系干种子,选育出辐谷7号新品种。该品种具有株型紧凑、茎秆矮、高产抗旱优质并且适应种植地区广等特点。2002年2月通过陕西省农作物品种审定委员会审定,截止2008年在黄土高原地区累计推广10.8万hm2。