水稻小G蛋白Arf GTPase激活蛋白OsAGAP功能研究

　　锌指蛋白在植物生长发育中具有重要功能，它们可以识别并结合特定的DNA序列进行转录调控，还能够参与蛋白之间相互作用的调节。我们根据锌指蛋白等转录因子特征结构域的序列特点，从来自10 K水稻芯片的EST数据库中筛选出编码58个EST序列。通过对器官表达特异性的比较分析，从中选出七个只在单一器官表达的基因，并对这七个基因的功能进行研究。对其转基因水稻的表型分析发现，C1基因调节水稻的株高和穗的发育;LIM 家族的F9影响小花的形态，主要体现在雌蕊与雄蕊的发育;锌指蛋白S34调控叶倾角的变化;F14基因编码一个核定位的TFIIIA类锌指蛋白，具体功能尚不清楚;锌指蛋白F35转基因水稻主根缩短，侧根数目显著减少。它编码一个推测的ArfGAP (Arf GTPase activating protein)，据此我们将其命名为OsAGAP，并对其进行深入研究。 　　OsAGAP的cDNA全长为1328bp，编码的蛋白由320个氨基酸组成，含有两个保守结构域：锌指结构域和C2 结构域。其中锌指结构域属于CX2CX16CX2C类，即ArfGAP domain的特征结构。GTP酶活性测定试验表明，OsAGAP蛋白能够激活水稻Arf的GTP酶活性，另外，OsAGAP还能够恢复酵母ArfGAP缺失突变体的表型。说明OsAGAP编码的蛋白是水稻中的一个ArfGAP。 　　OsAGAP在水稻各器官中均有表达，但强弱有所不同。RNA原位杂交结果显示，它在茎尖分生组织与侧生原基及侧根部位表达强烈;它在根尖主要分布于中央维管组织、分生区、皮层细胞，最有趣的是恰好与生长素在根尖极性运输路径相吻合。在亚细胞水平，OsAGAP广泛分布于细胞膜、细胞质、细胞核。 　　OsAGAP超表达水稻主根、不定根长度缩短，侧根数目显著减少表现出类似于生长素极性运输突变体的表型。其主根伸长对TIBA的抑制作用不敏感，这暗示OsAGAP超表达水稻的生长素极性运输被破坏;另外，其对各种生长素的作用敏感性也发生变化，对IAA、2,4-D的不敏感，而对NAA的反应与野生型一致，根据各类生长素进出细胞机制不同，可以推测超表达水稻的输入能力存在缺陷。极性运输实验结果表明，超表达水稻极性运输能力被破坏;对生长素输入能力的测定进一步表明，超表达水稻根载体的介导的生长素输入能力显著下降。另外，NAA处理能够恢复超表达水稻中侧根发育受抑的表型缺陷。由此可见，OsAGAP在水稻中超表达破坏了生长素极性运输的输入能力。 　　FM1-43是一类特异标记囊泡运输的荧光染料。经其染色标记后，OsAGAP超表达水稻细胞内囊泡成片聚集，形成“BFA区间”，表现出囊泡运输被破坏的典型特征。透射电镜观察发现，超表达水稻细胞内有大量的小液泡，其中积累了电子密度很高的颗粒物质。由此推测，可能由于细胞的囊泡运输被破坏，导致胞内的代谢物质不能被正常运送或分泌，而在液泡中暂时贮存以维持细胞环境的稳定。 　　在酵母和动物细胞中的研究表明， ArfGAP是调控囊泡运输的一个重要因子，然而目前还没有关于ArfGAP在植物细胞中生理作用的报道。我们的结果说明，OsAGAP作为的一个ArfGAP，它通过调控水稻中的囊泡运输，而影响了生长素的极性运输，具体表现在对生长素输入能力的调控。由此，我们推测ArfGAP可能在生长素的极性运输中也起着重要的调控作用。 　　但OsAGAP在拟南芥中却通过调控植株生长素的水平，而影响了转基因拟南芥根的发育。每种生物都有多个ArfGAP，它们之间的分工存在联系，但各不相同。OsAGAP是拟南芥的外源基因，它在拟南芥中可能以不同于水稻的机制起作用。

黄土高原植被恢复与新产业带形成的生态学基础研究

从生态地理背景论草地畜牧业产业在黄土高原农业可持续发展中的战略地位 黄土高原要实现生态与生产双赢的目标，契机是退耕还林还草，突破口是建立能兼顾生态生产协调发展的主导产业。从地形地貌、水热分布及自然植被特征的角度分析，黄土高原实施以农为主或农林牧综合发展的方略，均有悖于黄土高原生态地理背景。而草地畜牧业产业的生产要素及其过程在较大程度上吻合了黄土高原的生态地理背景，具有生态的适应性和生产的有效性，应作为黄土高原优化的生态生产范式建制中的主导产业。未来黄土高原产业的发展格局应该是以草地畜牧业为主导，农业和林业作为补充和完善的产业发展体系。此外，未来黄土高原草地畜牧业家畜养殖应以舍饲为主。 黄土高原自然植被演替过程中的物种特征与土壤养分动态研究 在3—149年的时间尺度上，对黄土高原自然植被次生演替过程中物种特征和土壤养分动态进行了研究。结果表明：1）随着演替时间尺度的延伸，土壤全C、全N含量呈增加趋势，而土壤全K、全Na和土壤pH值呈下降趋势，土壤全P变化趋势不明显;此外，表层( 0~10 cm)土壤Ca0含量呈下降趋势，深层( 20-30 cm，40-50 cm)则呈增加趋势。演替过程对土壤养分动态影响的程度随着取样深度的增加而减弱;2）植物群落物种丰富度在演替的中间阶段最高，后者对应于中等土壤养分水平;3）在演替的早期阶段，植物群落优势种往往具有稳定的土壤种子库，CR-生活史对策和S．繁殖对策，在贫瘠的土壤上具有较强的竞争能力;而具有较强的水平扩展能力和克隆繁殖能力，C-生活史对策、对土壤C，N具有较强竞争能力的多年生植物在演替中后期占据群落的优势地位。此外，在所涉及的物种生物学特征中，多年生生活史，C-、CR-、SC-、SR-、S．对策，以及R-、W-、Bs-、VBs-和V-繁殖对策等在非优势物种中有较高的出现频率。4）C-、 SC-对策，克隆能力，多年生生活史，水平扩展能力，种子的动物传播方式，秋季开花，荚果、坚果等特征的比例在一定程度上与土壤全C，全N和全K含量正相关; 而S一、SR-、R-、CR-对策，一、二年生生活史，种子繁殖，S．繁殖对策，以及胞果、蒴果等特征的比例与土壤全Na，Ca0含量和土壤pH正相关。在演替过程中出现的物种均属草本植物生活型，因此，草原可能是黄土高原上受制于大尺度环境条件（显域生境）下的优势植被类型（特别是降雨量不超过550 mm的地区）。 黄土高原植被恢复过程中几种优势植物叶片碳稳定性同位素和氮含量的动态特征 探讨了黄土高原植被恢复过程中六种优势植物叶片碳稳定性同位素(6 13C)和氮含量的季节动态、种间差异及其与植被恢复过程的关系。六种优势植物分别是猪毛蒿( Artemisia scoparia)，出现在演替的先锋阶段：达乌里胡枝子( Lespedeza davurica)，出现在演替的第二阶段;长芒草(Stipabungeana)、万年蒿(Artemisia gmelinii)和茭蒿(Artemisia giraldii)，出现在演替的第三阶段; 白羊草( Bothriochloa ischaemun)出现在演替的顶级阶段。六种优势植物叶片碳稳定性同位素比率分别是-26.89±0.66‰，-26.24±0.48‰, -26.21±0.49‰, -26.86±1.09‰, -27.61±0.39‰和-15 .81±1. 79‰;氮含量分别是2.36±0.63%，2.38±0.29%，2.0±0.29%，2.0±0.25%，1.50±0.37% 和1.24±0.19%。白羊草、长芒草、茭蒿和达乌里胡枝子叶片氮含量季节变化与土壤水分呈正相关．猪毛蒿和铁杆蒿叶片氮含量季节变化与土壤水分呈负相关。白羊草叶片δ 13C与土壤水分呈正相关，而其他5个优势种叶片δ 13C与土壤水分呈负相关。不同演替阶段优势种的δ 13C值和氮含量特征表明：处于演替顶级阶段的优势种具有最高的水分利用效率，净光合产量较低，但光合作用动态对土壤水分的季节波动表现出较强的可塑性;相反，处于先锋阶段的优势种水分利用效率较低，叶片净光合产量较高，光合作用对土壤水分波动的可塑性较低。本文的主要结论是：黄土高原植被恢复过程中处于不同演替阶段的优势种无论是在叶片δ 13C，氮含量均存在差异。优势种叶片δ 13C和氮含量季节动态反映了不同物种在环境（主要指土壤水分）波动条件下的生理生态对策。具有最高的水分利用效率（而非最高光和能力）和最高光合可塑性的物种将成为黄土高原自然植被顶级植物群落中的最终统治者。 黄土高原草地畜牧业产业形成与发展的牧草生产力基础 遵循生产-生态兼顾的原则，在黄土高原197个区县土地利用方式重新规划的基础上，对支撑黄土高原畜牧业产业形成与发展的牧草生产潜力进行了分析预测。结果表明：规划的牧、林、农、果用地占生产用地的比例分别是草地44%、林地22%、基本农田20%、果园14%; 197个县区预测的总牧草生产潜力达1，0488，1028t.y-l，可载畜1，0488，1028个羊单位．y-1。按1999年不变价格计算，黄土高原预测的畜牧业总产值将达到524，4051万元．y-1，是1999年畜牧业总产值的5.3倍，超过1999年黄土高原农业总产值14 %。农业人口人均预测畜牧业产值大于1000元的区县占59%;小于1000元的区县占41%。此外，黄土高原预测的农业总产值将达到1147.2234亿元RMB.yr-1。畜牧业、果业、林业和基本农田产值占农业总产值的比例分别是46%、27%、14%和13%。随着畜牧业产业链的逐步建立与完善，产业发展布局的日趋合理，黄土高原畜牧业生产总值将有较大幅度的提高。黄土高原草地畜牧业蕴藏着巨大的发展潜力，有望成为黄土高原优化的生产．生态范式建制中的主导产业。

火烧、施肥、刈割及其交互作用对草原土壤净氮矿化的影响

我国北方温带草原地处干旱半干旱区，是欧亚大陆草原生物区系的重要组成部分，也是我国重要的畜牧业生产基地。土壤氮素作为陆地植物生长和生态系统初级生产力的主要限制因子之一，了解其矿化和可利用性对各种人为干扰因素的响应，有助于我们充分认识草地退化机理，维持草场生产力并进一步促进畜牧业的可持续发展，为草地恢复、重建和维护提供理论依据。本实验在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的多年围封退化样地，分别实施了火烧、施肥、刈割及其交互作用的人为干扰处理，利用原状土野外培养的方法，在两年时间中，研究不同的人为干扰因素（火烧、施肥、刈割及其交互处理）对土壤净氮矿化作用的影响。 火烧显著影响草原的氮循环过程，季节和年际的气候变化参与调节氮循环对火烧处理的响应。多年围封后的初次人工火烧处理显著降低了第一个生长季（2006 年生长季）和其后冬季的土壤净氮矿化速率，但是，火烧处理仅在冬季对土壤无机氮含量产生显著降低作用；2007 年生长季，火烧处理对土壤净氮矿化速率和土壤无机氮含量没有显著作用，但是在个别月份，不同的火烧频率对土壤净氮矿化速率和无机氮含量的影响表现出差异。2006 年生长季，未火烧样地和火烧样地净氮矿化积累量分别为3.07±0.26 g N m-2 和2.18±0.21 g N m-2；冬季，未火烧样地和火烧样地净氮矿化积累量分别为1.18±0.25 g N m-2 和0.51±0.08 g N m-2；2007 年生长季，未火烧样地（BC）、每年火烧样地（B1）和两年一烧样地（B2）净氮矿化积累量分别为1.32±0.21 g N m-2、0.54±0.30 g N m-2 和 0.77±0.24 g N m-2。较为湿润的2006 年生长季的净氮矿化积累量显著高于较为干旱的2007 年生长季，冬季也存在相当丰富的净氮矿化积累量。我们推论，长时间围封后的单次火烧处理对土壤净氮矿化作用的影响可能是短效的，但是年际间气候变化对土壤净氮矿化作用影响显著。 施肥显著提高了土壤的无机氮含量，并且与施肥梯度呈显著正相关关系。施肥对土壤无机氮含量的影响具有累加效应，第一次施肥和第二次施肥后的首次取样，+N5.25 、+N17.5 、+N28.0 三个施肥梯度的样地土壤无机氮含量比未施肥样地分别高出56%、219%、1054%和514%、891%、1811%。施肥处理在2006 年和2007 年对土壤净氮矿化作用都没有显著影响，仅在2007 年的个别月份有一定效果。以上结果说明，无机氮肥的添加可以明显提高土壤中无机氮的含量，满足植物生长的需求，但对于土壤氮转化过程的影响可能还要受其它环境和生物因子的制约。 刈割对土壤无机氮含量和净硝化速率没有显著作用，对土壤净氮矿化速率仅在个别月份表现显著效果。2007 年生长季，未刈割样地和刈割样地净氮矿化积累量分别为1.32±0.21 g N m-2 和1.08±0.35 g N m-2，不存在显著差异。我们推论，长期围封后的单次刈割处理在短期内对生长季的土壤氮动态仅有微弱影响，并且这种效果还可能受水分因素的制约。 火烧、施肥、刈割的交互处理在2007 年生长季对土壤无机氮含量产生显著作用，但是，对土壤净氮矿化速率和净硝化速率没有显著效果，然而，在不同的取样时间，火烧、施肥、刈割的交互处理对土壤无机氮含量、净氮矿化速率和净硝化速率的影响存在显著差异，说明火烧、施肥、刈割的交互处理对土壤无机氮和净氮矿化作用的影响可能受各种环境因子的制约，尤其是在水分相对缺乏的半干旱内蒙古草原，非生物因子和生物因子可能共同影响着土壤中的氮平衡。 本研究初步分析了长期围封后火烧、施肥、刈割及其交互处理对土壤净氮矿化的影响，初步探究了人为干扰和环境气候变化对土壤可利用性氮的调节作用，为科学地进行禁牧、割草、人工养份添加等草原管理提供了数据支持。