青蒿素生物合成调控的研究章焰生

青蒿 (Artemisia annua) 是目前唯一用来生产抗疟药剂青蒿素的一种药用植物，由于青蒿植株中青蒿素的含量过低，使得青蒿素的生产不能满足市场的需要，提高青蒿植株中青蒿素的含量显得尤为重要，本论文围绕着调控青蒿素的生物合成作出了以下一些研究： 一、紫穗槐二烯合酶基因启动子的克隆 　紫穗槐二烯合酶是参与青蒿素生物合成的一个关键酶，以法呢基焦磷酸为底物，催化形成青蒿素分子所具有的杜松烯环状结构, 此酶被认为是青蒿素分支途径中的第一个关键限速酶，因此它的表达水平高低关系着流向青蒿素生物合成的碳流量。为了了解紫穗槐二烯合酶的表达模式，用Tail-PCR的方法我们从青蒿高产株系001中克隆得到紫穗槐二烯合酶基因的两个启动子，分别命名为AMSP1与AMSP2，序列比较分析可看出两启动子有三处大的差异片段，由此推测紫穗槐二烯合酶基因在青蒿基因组中可能是一个多拷贝形式存在，Southern杂交验证了这一点，结果表明，紫穗槐二烯合酶基因在青蒿基因组中至少存在三个copy;利用PLACE数据库对克隆的启动子的顺式作用元件进行分析，发现其中有光、茉莉酸甲酯等调控元件。5'RACE分析确定了紫穗槐二烯合酶基因的转录起始位点位于翻译起始位点上游44bp处。通过PCR的方法，我们对启动子AMSP2进行5′端缺失，缺失的5个启动子片段克隆进报告基因GUS的上游，以进行下一步启动子的特性分析。 二、紫穗槐二烯合酶的表达特性分析 　　RT-PCR半定量分析表明：光正调控于紫穗槐二烯合酶的转录表达，黑暗培养条件下，青蒿植株中紫穗槐二烯合酶的转录水平较低，一旦进行光照培养，紫穗槐二烯合酶的转录水平显著上升;茉莉酸甲酯对青蒿植株中紫穗槐二烯合酶的表达调控具有光依赖性，在连续黑暗条件下，茉莉酸甲酯对紫穗槐二烯合酶的转录水平并无影响，而在正常光照与黑暗循环培养条件下，茉莉酸甲酯明显诱导了青蒿植株中紫穗槐二烯合酶的转录表达。鉴于在正常的培养条件下，茉莉酸甲酯正调控于紫穗槐二烯合酶的转录表达，我们研究了茉莉酸甲酯对青蒿植株中青蒿素生物合成的影响，结果表明，茉莉酸甲酯并未促进青蒿素的生物合成，却诱导了青蒿素生物合成的前体青蒿酸的生物合成。 三、真空介导农杆菌转化青蒿植株瞬时表达系统的建立 　　探讨了真空强度、青蒿苗龄、农杆菌的浓度、共培养方式、共培养时间以及光对青蒿植株瞬时表达的影响，结果表明真空强度70－80mbar、30天的青蒿苗龄以及侵染农杆菌浓度OD600为2.0时有利于青蒿植株的瞬时表达;液体共培养极大地抑制了外源基因在青蒿植株的瞬时表达，固体共培养与滤纸共培养适合于青蒿植株的瞬时表达系统，二者之间无明显差异;共培养时间也是影响基因瞬时表达的关键因素，结果表明，3天或4天较2天共培养有利于外源基因在青蒿植株的瞬时表达;光对青蒿植株的瞬时表达有极大地抑制作用，而黑暗条件适合于青蒿植株的瞬时表达;此系统可用于不同基因型的青蒿植株。 四、青蒿过氧化物酶基因的克隆及功能分析 　　利用RACE方法，从青蒿高产株系001中克隆了一个第三大类植物过氧化物酶的cDNA。克隆的青蒿过氧化物酶氨基酸序列与白羽扇豆、辣根菜、小麦、烟草、蕃茄的过氧化物酶的同源性分别为42.0%、36.2%、38.9%、33.6%和32.8%。青蒿过氧化物酶的编码区被克隆进原核表达载体PET-30a，并在大肠杆菌BL21(DE3)pLysS中诱导表达，过量表达产物主要以包涵体形式存在，但也有相当一部分可溶性蛋白出现。表达的蛋白具有明显催化抗坏血酸、愈创木酚的过氧化物酶活性，催化愈创木酚活性大约是催化抗坏血酸的1.8倍。氨基酸同源性分析与过氧化反应表明克隆的过氧化物酶属于植物第三大类过氧化物酶。青蒿过氧化物酶间接促进了青蒿细胞提取液中青蒿酸向青蒿素的生物转化，但不能直接以青蒿酸作为催化底物。 五、外源赤霉素处理与开花对青蒿素、青蒿酸生物合成的影响 　　研究结果发现在青蒿的营养生长期喷施外源赤霉素明显促进了青蒿素的生物合成，同时青蒿酸含量呈下降趋势;从营养期至生殖期，青蒿酸的含量逐渐下降，至开化前期青蒿酸含量下降到最低，从开化前期至开花后期，青蒿酸的含量无多大变化，随着青蒿的发育，从营养生长期至开花期，青蒿素的含量呈上升趋势，至开化盛期时青蒿素含量达到最高。外源赤霉素处理与开花打破了青蒿素生物合成的瓶颈，诱导了青蒿酸向青蒿素的生物转化。

青蒿高效遗传转化体系的建立与青蒿素生物合成的分子调控

青蒿素是从中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）中提取的新型抗疟特效药。青蒿素在国际市场上供不应求，而青蒿植株中青蒿素的含量很低，因此如何提高青蒿素的产量成为近年来研究的热点。通过基因工程获得转基因青蒿高产株系是提高青蒿素产量的最有潜力的途径之一。 对不同基因型青蒿进行不同的激素浓度配比的比较研究，得到丛生芽诱导率较高、生根诱导率较高的激素配比，从而建立了青蒿高效再生体系。然后系统地分析了青蒿丛生芽诱导、丛生芽生长、丛生芽生根诱导对Kan的敏感性。对影响根癌农杆菌介导青蒿转化的转化效率的两个主要因素，即农杆菌类型和青蒿基因型，以及其它影响因素，即预培养时间、侵染液的组成、共培养的方式和时间进行比较研究，建立了根癌农杆菌介导的青蒿高效转化体系。本高效转化和再生体系的转基因植株的得率为4%至10%，而且转基因植株再生周期短，再生能力强。 通过基因工程，在青蒿高产株系中过量表达本实验室从青蒿中克隆的FPS基因，结果转基因青蒿中FPS的酶活性是非转基因青蒿的2-3倍;转基因青蒿的青蒿素含量最高可达0.9%（DW），是非转基因青蒿中青蒿素含量的1.34倍。这些结果进一步论证了FPS在青蒿素生物合成代谢中的调控作用。

反义鲨烯合酶基因表达对青蒿素生物合成的影响

青蒿素是从中药青蒿中提取的新型抗疟药物，然而，青蒿素在青蒿中的含量非常低。近年来，随着青蒿素生物合成途径相关酶基因的克隆，基因工程成为提高青蒿素含量的有效途径之一。在对青蒿进行遗传转化过程中，高效稳定的丛生芽诱导体系是青蒿转化成功的关键。然而，随着继代次数的增多，青蒿丛生芽诱导能力存在退化现象。本文首先研究了滤纸对青蒿丛生芽诱导的影响和在遗传转化中的应用，进而研究了反义鲨烯合酶基因表达对青蒿素生物合成的影响。主要结果如下： 研究了在丛生芽诱导培养基上加铺滤纸对青蒿丛生芽诱导的影响，结果发现，加铺滤纸后青蒿丛生芽诱导率显著提高，丛生芽诱导率能够达到97%左右。在此高效丛生芽诱导体系的基础上，我们进一步探讨了滤纸在青蒿遗传转化中的应用。结果表明，在筛选培养基上加铺一层滤纸，青蒿的抗性丛生芽诱导率能够达到59.7%，其中在12.5%的抗性丛生芽中能够得到抗性生根植株，生根植株PCR检测均为阳性，在部分PCR检测阳性的植株中检测到了GUS的稳定表达。 利用上述改进的青蒿遗传转化体系，我们得到了反义鲨烯合酶基因的青蒿转化植株。PCR检测和Southern杂交检测结果证明了反义鲨烯合酶基因已经整合到青蒿基因组中。RT-PCR检测发现，在转基因株系ASQ3和ASQ5中鲨烯合酶基因在mRNA水平上得到部分抑制，鲨烯含量比对照降低了20%左右;青蒿素的含量分别提高了23.2%和21.5%，结果表明抑制鲨烯合酶表达能够有效促进青蒿中青蒿素的生物合成。

青蒿素生物合成相关基因的功能分析及遗传转化研究

从中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）中提取的青蒿素及其半合成衍生物如蒿甲醚等是一类新型的抗疟特效药，特别是对抗氯喹的恶性疟疾和脑型疟疾有很好的疗效。由于青蒿素在植物中的含量极低，使得其价格很高，特别是对于亚非拉等第三世界国家来说。因此如何提高青蒿素的产量成为近年来研究的热点。各种传统的育种、生理生化手段和细胞培养技术均未取得较好的结果，因此，利用植物基因工程技术提高青蒿素产量已成为研究的重点之一。 本论文围绕青蒿素的生物合成途径开展了以下的工作： 一、中药青蒿紫穗槐二烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定 利用RT-PCR方法，从中药青蒿高产株系001中克隆到的中药青蒿紫穗槐二烯合酶(ADS) cDNA, 其推测编码蛋白与前人报道的有两个位点的突变。将其开放阅读框插入到原核表达载体pET30a(+)的BamHⅠ和XhoⅠ酶切位点之间，构建N端携带有HIS6表达标签的紫穗槐二烯合酶重组表达载体pETADS。将pETADS转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta -D-thiogalactoside)诱导重组紫穗槐二烯合酶的表达。表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（含FPP），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示重组紫穗槐二烯合酶可以催化FPP向紫穗槐二烯的转化。体外酶促动力学分析表明，两个位点的氨基酸突变，并没有影响到青蒿紫穗槐二烯合酶的催化活性。基因组DNA杂交表明，紫穗槐二烯合酶基因在001株系基因组中至少有4个拷贝。 二、中药青蒿鲨烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定 将经RACE方法克隆到的中药青蒿鲨烯合酶cDNA(AF302464) 开放阅读框的3'末端截短99 bp，插入到原核表达载体pET30a(+)的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间，构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的鲨烯合酶重组表达载体pETSSA。将pETSSA转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta-D-thio galactoside)诱导重组鲨烯合酶的表达。表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（含FPP和NADPH），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示重组鲨烯合酶可以催化FPP向鲨烯的转化。青蒿鲨烯合酶的功能鉴定，为进一步利用反义或RNAi技术限制甾类生物合成，从而提高青蒿中的青蒿素含量提供了基础。 三、中药青蒿法呢醇合酶原核表达、纯化与功能鉴定 将经RACE方法克隆到的中药青蒿倍半萜合酶cDNA ( AF304444) 开放阅读框插入到原核表达载体pET30a(+)的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间，构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的重组表达载体pET30SESQ。将pET30SESQ转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta-D-thioga lactoside)诱导蛋白表达，表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（FPP），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示此重组酶可以催化FPP向法呢醇的转化。 四、中药青蒿FPS、ADS双功能酶基因的构建、表达与功能鉴定 将青蒿素生物合成途径中催化两步连续反应的酶：法呢基焦磷酸合酶和紫穗槐二烯合酶的基因进行融合，经大肠杆菌表达后鉴定融合蛋白的功能，结果表明融合蛋白具有了双功能酶活性。进一步将融合酶基因转入酿酒酵母中，发酵后检测紫穗槐二烯的含量，并与同时转入法呢基焦磷酸合酶和紫穗槐二烯合酶单个基因的酵母、单独转入紫穗槐二烯合酶基因的酵母进行了比较，结果表明，转入双功能酶的酵母发酵获得的紫穗槐二烯含量要比两个对照酵母高，这表明，获得的双功能酶的催化效率要比两个单独酶的催化效率高。 五、过量表达青蒿紫穗槐二烯合酶对青蒿中青蒿素及其前体物含量的影响 利用根癌农杆菌介导，将青蒿紫穗槐二烯合酶转入青蒿株系001，分子检测证明，紫穗槐二烯合酶整合到了青蒿基因组中并在mRNA水平得到了高效表达。部分转基因青蒿的青蒿素含量有明显增加，最多的比001株系提高了41%。青蒿酸和二氢青蒿酸含量测定表明，转基因青蒿株系的青蒿酸和二氢青蒿酸含量最多的比对照分别提高了47%和79%。这些结果表明，紫穗槐二烯合成在青蒿素生物合成途径中是一个限速步骤，同时，也显示青蒿酸或二氢青蒿酸的进一步转化也可能是青蒿素生物合成中下游的限速步骤。

青蒿素生物合成相关基因对烟草遗传转化的研究

　　青蒿素是存在于中药青蒿(Artemisia annua L.)中的一种含有过氧桥的倍半萜内酯化合物，是中国科学家研发出的当今最有潜力的抗疟药剂，较传统抗疟药很少或无毒副作用，因此青蒿素的生产备受人们关注。目前，青蒿素的生产主要以植物提取为主，但由于青蒿植株中青蒿素的含量很低（约占干重的0.01%～0.8%），从而导致青蒿素价格昂贵，使许多贫困地区的疟疾患者无法得到医治，故提高青蒿植株中青蒿素的含量或扩大青蒿素的来源，降低生产青蒿素的成本具有重要的意义。　　 　　本论文基于扩大青蒿素的来源和提高青蒿植株中青蒿素含量的目的，开展了以下两方面的工作： 一、紫穗槐二烯在烟草中组合生物合成的研究 　　紫穗槐二烯合酶（amorpha-4,11-diene synthase，ADS）是青蒿素生物合成的关键酶之一，为了能在烟草中合成青蒿素的前体，本研究将青蒿的紫穗槐二烯合酶基因置于CaMV 35S启动子控制下，通过根癌农杆菌介导转入烟草（Nicotiana tobacum L.），并获得了转ADS基因烟草植株。经PCR及Southern杂交分析表明，ADS基因已经整合到转基因烟草基因组中；RT-PCR及对转基因烟草中ADS酶活性和产物中紫穗槐二烯和植物甾醇的测定分析，进一步证明整合的ADS基因在转录、翻译水平上均已经表达。上述结果表明，利用基因工程将青蒿素生物合成途径的关键酶基因导入植物，转基因植物中能够合成青蒿素的前体，这一研究结果为利用转基因植物生产青蒿素或其前体奠定了基础。 二、青蒿鲨烯合酶双链干涉基因对烟草的遗传转化研究 　　鲨烯合酶（squalene synthase, SQS）是甾醇类生物合成分支途径的关键酶之一，利用RNA干扰技术(RNA interference，RNAi)抑制目标基因表达的技术已日趋成熟。本文根据植物中hpRNA(hairpin RNA)的原理，在与烟草SQS同源性高达80％的青蒿ASQS序列的5/端保守区选择622 bp作为构建RNAi的序列，借助中间克隆载体，经过三次亚克隆，最后形成含ASQS－RNAi表达盒的双元表达载体pART27－ASQS，并转入农杆菌EHA105。采用农杆菌介导的烟草叶盘转化法，共获得了12棵转基因植株。转基因植株经过PCR和PCR-Southern blotting 检测，证实外源ASQS基因已经导入烟草中，并已经成功整合到烟草基因组中；通过RT-PCR分析说明，转基因烟草中SQS基因的表达已被成功抑制，部分转基因植株中内源SQS的干扰效果高达90％以上。对SQS的直接产物鲨烯和最终产物植物甾醇的检测显示，转基因烟草的植物甾醇和鲨烯的含量明显低于对照。本实验的结果为下一步将此RNA干扰载体导入青蒿，抑制青蒿中ASQS基因的表达，从而提高青蒿素的含量提供了可能。

中药青蒿萜类代谢物谱分析及青蒿素生物合成的研究

青蒿素是从中药青蒿，学名黄花蒿（Artemisia annua L.）植物地上部分分离出的抗疟疾有效单体，为一种倍半萜内酯类化合物，其生物合成途径属于植物类异戊二烯代谢途径。青蒿素生物合成途径及其调控机制仍不完全清楚，本论文采用GC-MS 和GC×GC-TOFMS 方法对青蒿萜类代谢物谱进行检测，用多维统计学方法对检测结果进行整理和比较分析，研究青蒿素生物合成及其与青蒿中其他萜类代谢的关系，取得了以下结果： 一、通过GC×GC-TOFMS 方法对青蒿挥发油成分进行分析，共鉴定出303 种组分。其中挥发油中相对百分含量大于1%的10 种组分中有9 种为萜类化合物，含量接近总挥发油的50%。在相对百分含量大于0.1%的49 种成分中，有30 种萜类化合物。有27 种相对百分含量大于0.1%的成分首次在青蒿挥发油中报道，其中包括10 种萜类化合物。 二、利用GC-MS 方法分析了青蒿001 和SP18 两个青蒿素高产株系不同生长时期萜类代谢物谱，结果表明：青蒿中萜类化合物在不同时期合成和积累是动态变化的，萜类化合物的种类和数量在营养生长期随生长时间的延长而提高，在营养生长后期和现蕾前期达到最高水平，进入生殖生长后随生长时间的延长而迅速降低。通过多维统计PLS-DA（Partial Leasted Square Discriminant Analysis） 分析，确定001 中有17 个化合物的含量在不同生长时期有明显变化，其中15 个为萜类化合物。SP18 中有18 个化合物的含量在不同生长时期有明显变化，其中16 个为萜类化合物。青蒿素，青蒿酸，二氢青蒿酸，青蒿素B 都是含量变化明显的标记物。其中青蒿酸和二氢青蒿酸含量在营养生长后期达到最高水平，进入生殖生长后迅速下降，而青蒿素和青蒿素B 在整个检测时期含量变化相对较小，在营养生长时期含量已经较高，在现蕾前期含量稍有上升，进入现蕾期后有所下降，本研究确定现蕾前期为代谢物谱分析最佳取样时期，并为药材采收提供指导。 三、不同基因型青蒿代谢物谱研究表明，青蒿素高产株系SP18 和001 代谢物表现出一定的差异，通过多维统计PLS-DA 分析，共找出了22 种在两种基因型中差异明显的化合物，其中包括倍半萜化合物12 种，单萜化合物3 种，三萜化合物4 种。SP18 特征化合物为樟脑和两个未鉴定倍半萜化合物，而001 特征化合物是龙脑和β-法呢烯。另外两种基因型中青蒿素及相关前体化合物的积累模式差异明显，SP18 中二氢青蒿酸和青蒿素含量高，而青蒿酸和青蒿素B 含量极低；001 中二氢青蒿酸和青蒿素含量相对SP18 要低，但青蒿素B 和青蒿酸含量比SP18 要高。该结果表明在青蒿素高产株系中，青蒿素含量与二氢青蒿酸的含量呈正相关，结合Brown 等的活体标记研究结果分析，从二氢青蒿酸到青蒿素的转化可能是青蒿素合成的限速步骤。 四、利用GC×GC-TOFMS 方法对转基因青蒿萜类代谢物谱进行了分析，共对200 个左右化合物峰进行PLS-DA 和OSC-PLS (Orthogonal Signal Correction–Partial leasted Square)多维统计分析，结果表明：青蒿萜类代谢物谱在外源基因转入后发生显著变化，与对照株系相比均呈现显著差异。其中过量表达Amorpha-4,11-diene 合酶基因（ads）株系中青蒿素及相关化合物变化最明显，而过量表达FPP 合酶基因（fps）株系中青蒿素及相关化合物变化相对较小，在受到调控而成为差异标记物的化合物中，70%是倍半萜类化合物。 五、考察了外源茉莉酸甲酯对青蒿素生物合成的影响，结果表明：300 μM 外源茉莉酸甲酯能提高青蒿素含量，在处理后第8 天青蒿素含量提高38%。青蒿萜类代谢物谱研究表明，茉莉酸甲酯不仅可以诱导青蒿中青蒿素的合成，还能诱导很多化合物，特别是倍半萜和三萜类的合成。OSC-PLS 分析结果找出了9 个处理后含量明显提高的标记物，其中6 个倍半萜化合物，3 个三萜化合物。标记物鲨烯含量提高了67%，另一个未鉴定出结构的倍半萜提高了60%，这些化合物可能与青蒿素有着类似的调控机制，而外源喷洒茉莉酸甲酯可以作为提高青蒿素产量的有效途径之一。

中药青蒿紫穗槐二烯合酶基因表达及调控的研究

青蒿素是从我国传统药用植物中药青蒿（Artemisia annua L.）中提取的新型抗疟特效药，其生物合成途径属于植物类异戊二烯代谢途径。目前，青蒿素生物合成的组织部位及其调控机制仍不完全清楚。紫穗槐二烯合酶（amorpha-4， 11-diene synthase, ADS）作为青蒿素生物合成分支途径的第一个关键酶，催化倍半萜化合物的通用前体法呢基焦磷酸环化，生成紫穗槐二烯。本论文通过对ADS 表达特性的分析，研究了青蒿素生物合成的组织特异性及其调控机制，主要研究结果如下： 一．紫穗槐二烯合酶基因启动子功能的研究 从青蒿高产株系001 中克隆得到了2850 bp 的ADS 启动子调控区。通过比较5’RACE 的测序结果与启动子序列，确定转录起始位点位于翻译起始位点上游44 bp，TATA 盒下游27 bp。该启动子序列包含的顺式作用元件有脱落酸应答元件(ABRE )、乙烯应答元件(ERE)、生长素应答元件(AUXRE）等植物激素反应元件，以及低温应答元件（LTRE）、高温应答元件（HSE）等与逆境有关的反应元件，还有与真菌诱导有关的W-box 元件等。将不同长度ADS 启动子与报告基因GUS 融合，构建了植物表达载体，通过农杆菌介导的方法获得稳定整合的转基因烟草。经过组织化学、GUS 荧光活性检测及RT-PCR 分析，发现该启动子的转录活性很低，无法通过GUS 染色进行观察。GUS 荧光活性检测及RT-PCR 结果表明，转录起始位点上游346 bp 是ADS 基础表达所必需的。高温、低温、干旱、水杨酸、茉莉酸甲酯等处理均能促进青蒿中ADS 的表达，而脱落酸和乙烯的作用效果较小，与启动子序列分析的结果并不完全一致。 二．紫穗槐二烯合酶基因表达特性的研究 以青蒿高产株系001 为材料，在基因和蛋白水平揭示了ADS 的表达特性。RT-PCR 和Western 分析结果表明，ADS 在幼叶和花蕾中大量表达，在老叶和完全开放的花中表达量很低，而在青蒿的根和茎中几乎检测不到ADS 的表达。石蜡切片和整体原位杂交的结果表明，ADS 在顶端分生组织、叶原基及分泌腺毛中表达，在非分泌的T 型腺毛中不表达。当叶片完全展开后，ADS 只在分泌腺毛中表达，而且随着叶片的生长和老化，ADS 的表达量逐渐减少。另一个非常有趣的发现是同一叶片上的分泌腺毛，有些有ADS 的表达，有些则没有。用强光、低温、高温和水杨酸等因素处理后，有ADS 表达的分泌腺毛的比例没有明显的变化。 三．外源水杨酸促进青蒿素的生物合成 研究了外源水杨酸对青蒿素生物合成的影响，结果表明：1 mM 水杨酸处理后，青蒿叶片中的游离态水杨酸含量快速增加，处理后4 h 达到 0.79 μg g-1 FW，是对照的3.5 倍。外源水杨酸能够抑制青蒿中过氧化氢酶活性，提高抗坏血酸过氧化物酶活性，并通过对抗氧化酶活性的抑制引起青蒿体内活性氧水平的迅速升高。在处理后4 h，青蒿中H2O2 和O2-的含量分别达到对照的2.1 倍和2.4 倍。青蒿素含量在水杨酸处理后的前8 h 缓慢升高，随后升高的速度增加。外源水杨酸处理后8 h 和96 h，青蒿素含量分别达到9.1 mg g-1DW 和13.9 mg g-1DW，比对照高21.7%和75.8%。处理后8 h，青蒿酸的含量没有明显变化，随后开始增加。处理后16 h，青蒿酸的含量达到3.6 mg g-1DW，比对照高90%， 随后继续升高，至96 h 达到4.98 mg g-1 DW，比对照高127%。二氢青蒿酸的含量在处理后的8 h 内有所下降，随后缓慢升高。处理后8 h，二氢青蒿酸的含量降低了23.3%，随后二氢青蒿酸的含量开始升高，在处理后96 h，达到7.4 mg g-1DW，比对照高72.1%。外源SA 处理提高了青蒿素及其前体的总含量，在处理后1、2、4 天分别比对照提高了1.3、1.5 和1.8 倍。Northern 结果表明，水杨酸强烈诱导了青蒿素生物合成基因HMGR、ADS 的表达，但是对FPS、CYP71AV1 的诱导作用较小。这些研究结果表明，外源水杨酸至少通过两条途径诱导青蒿素的生物合成：一是通过诱导活性氧的产生促进二氢青蒿酸向青蒿素的转化；二是上调部分青蒿素生物合成相关基因的表达。根据这一研究成果，在青蒿田间栽培中，可以在收获前通过喷施水杨酸来快速、有效和低成本地提高青蒿素产量。

中国北方花粉--气候走势面研究及内蒙中部全新世环境变迁

本文在对中国北方表土花粉研究的基础上，采用多项式函数回归方法建造了中国北方松属(Pinus)、桦属(Betula)、栎属(Quercus)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Compositae)、云杉属(Picea)、麻黄属(Ephedra)、禾本科(Gramineae)等的花粉——气候趋势面，从而为利用化石花粉资料直接恢复古气候、古环境提供了一种方便易行的方法;采用多元分析方法对内蒙古中部草原区表土花粉进行了主成分分析，探讨了草原区表土花粉组合的规律及与植被类型的关系;本文还应用孢粉分析方法，结合14C测年技术，通过内蒙古中部察素齐泥炭剖面高分辨率的化石花粉数据，初步恢复了大青山山地南部及土默特平原地区分辨率为70年的全新世以来植被演替和环境变迁的状况，并与邻近地区的全新世古气候、古环境进行了对比研究，研究发现，本区域全新世古环境的变迁序列基本上可以与周围地区及华北地区进行对比，其环境变迁经历了凉干～温湿～暖湿～温干～凉干的变化，且气候最适宜期出现在5000～4100aB.P.期间;最后，对利用花粉——气候趋势面方法恢复古气候进行了尝试和探讨，经与常规方法对比，表明利用趋势面模型重建古气候是一种行之有效的新方法。

鄂尔多斯油蒿生物量遥感动态监测研究

本研究通过对油蒿灌丛及研究地区土壤连续5个月的光谱观测，指出干旱半干旱地区土壤光谱反射的特点，油蒿灌丛的光谱反射将无可避免受土壤背景的影响．分析了油蒿灌丛光谱反射的季节动态变化，指出油蒿灌丛光谱反射不仅取决于叶片，枝条也是重要的反射构件．引入植被指数(Vegetation Index)，采用常规方法与遥感技术相结合估测油蓠单丛生物量，获得较单纯常规方法更高的估测精度，表明在干旱半干旱地区，应用植被指数估测灌丛生物量是可行的．对油蒿单优群落现存生物量动态监测，表明油蒿群落生物量8月份达到最高，是适应生态气候因子，特别是水因子的结果．观测不同深度土壤光谱反射，显示了土壤持水的稳定性．通过对研究地区土壤光谱观测，得到一条适合本地区的土壤线(8011line)．通过比较几种植被指数消除土壤背景影响和估测生物量的效果，选取综合效果最佳的植被指数- SAVI( Soil-Adjusted Vegetation Index)．利用植被指数区分典型地块，提取油蒿地块面积．

放牧对内蒙古冷蒿小禾草草原植物群落特征的影响

了解天然草原放牧生态系统中，不同管理措施对草－畜系统的影响及系统中草－畜互作方式，是实现草原生态系统持续管理的基础。在内蒙古典型草原区，我们建立了24hm2围栏放牧实验样地。本文通过对试验样地5个放牧率（1.33，2.67，4.00，5.33和6.67羊／hm2）和两种放牧方式下（连续放牧与轮牧）一年排除放牧后植被变化的研究，试图揭示8年的放牧对草地群落的作用结果，探寻放牧率与植物群落生产力、种类组成和演替方向的关系，以求为建立合理的放牧制度提供佐证。 研究发现：①不同的放牧率下8年的放牧使地上生物量出现显著差异，中度放牧（SR3）下的草原群落达到了最大地上生物量，在较轻的放牧率（SR1，SR2）下有超补偿生长出现，地下生物量随着放牧率的升高而下降。②放牧使群落植物组成发生重大变化，随着放牧率的升高，表现出明显的向星毛委陵菜退化草原演替的趋势，无牧的群落表现出恢复演替的趋势。③在轻牧（SR1）处理下植物群落达到了最高的多样性，在多样性与生物量之间，不能发现较具规律性的关系。④轮牧群落的生产力潜力显著高于连续放牧，连续放牧方式造成植物斑块状分布，降低了草场的利用效率。⑤放牧造成了草原植物生态位分化。

中国东北样带孢粉-植被的定量关系及古生物群区的反演

基于中国东北样带（NECT）30个植被样方调查和表土孢粉资料，从个体、群落水平研究了孢粉－植被关系，结果表明，孢粉类型与植被关系密切，在 ＝ 0．05的显著性水平上，相关系数大于0．5;表土孢粉组合与植物群落间有较大的相似性，相似系数大于50％。采用定量描述花粉与植物关系的参数：联合指数（association）A、超代表性指数（over-representation）O、低代表性指数（under-representation）U、相关系数（correlation coefficient）C和代表性系数（representation coefficient）R等值，应用TWINSPAN分类、PCA排序和回归分析，把表土花粉类型划分为4类：具代表性类群组Group1，它们能正确反映植被;超代表性类群组Group2，它们常具有高花粉值与植被不成比例;低代表性类群组Group3，它们的花粉很难分离提取;以及低代表性类群的Group4，其花粉在土壤地层中较常见;指出一些常见花粉类型：松（Pinus）、桦（Betula）、栎（Quercus）、椴（Tilia）、槭（Acer）、榆（Ulmus）、蒿（Artemisia）、藜（Chenopodiaceae）、禾本科（Gramineae）和莎草科（Cyperaceae）的回归参数在东部森林区和西部草原区是有变化的，因此回归参数在应用于古植被恢复中要注意适用范围。 以Biomization模型为基础，根据植物的生理生态特性，定义了NECT孢粉类型的植物功能型（PETs）各种生物群区（Biome）的PFTs组合，构建了经表土孢粉检验的适用于NECT的以孢粉数据为驱动的模型框架，该模型模拟的生物群区与其化指标（气候、植物生理、土壤等）模拟划分的BIOME（Holdrige, BIOME3）是可比的，与植被类型有较好的对应性。 根据29剖面（986个样品）的孢粉数据，重建了NECT 6 kaB.P以来的生物群区。从时空二方面阐述了NECT6kaB.P以来生物群区的分布特点： （1）6ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～4℃，降水比现在多50％。落叶阔叶林分最广，面积最大。森林草原、落叶阔叶林、针阔混交林向西延伸最远。 （2）5ka B. P 是一降温期，气温比现在低2℃，降水多30％。有苔原、寒温带针叶林分布。 （3）4ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～2℃，降水比现在多50％。针阔光林和森林草原有最大分布面积。 （4）3Ka－2kaBP的气温与现代相似，降水比现在多20％左右。与4Ka B. P相比，森林和森林草原过渡带都向东移动。 （5）1Ka B. P的气温与现代相似，降水比现在多10％左右。草原向东大幅度扩张，森林分布面积减小。 （6）东部森林，中部森林草原，西部草原的分布格局的3Ka B. P基本确定，此后随着气候的不断变干冷，草原向东扩张。 （7）森林向扩张最大距离的时期发生在6Ka B. P，此时也是森林草原向西扩张最远时期。落叶阔叶林、针阔混交林、森林草原向西移动最大距离的时间是6Ka B. P，草原向西移动最远距离的时期发生在3Ka B. P。

毛乌素沙地优势植物对全球气候变化的响应研究

毛乌素沙地是中国半干旱地区典型沙地，这里的干旱生态系统对全球的水热配合格局的变化具有很灵敏的响应。随着未来全球气候变化，如温度和降水量变化，将给这里的陆地生态系统分布格局和生产力以及水分平衡带来巨大影响。故本文人工控制157. 5mm、315. Omm、472. 5mm和630. Omm4种施水量水平以及25/20℃和28/23℃（白天／晚上）两种温度，来研究与模拟毛乌素沙地优势植物对水分和温度变化的响应。 以沙柳、杨柴和油蒿幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨它们的水分平衡对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，随着施水量的增加，沙地贮水量及其它的变化量、湿度、蒸发量和蒸腾量均逐渐增大。并且157. 5mm和315. Omm施水量的植物沙地出现水分亏缺现象。相同施水量下，沙地蓄水量和湿度均杨柴沙地>沙柳沙地>油蒿沙地，而植物蒸腾量却油蒿>沙柳>杨柴。 以沙柳和油蒿幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物气体交换过程对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，施水量的增加显著提高了两种植物的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和光能利用效率，并且显著降低了叶片温度。同时，157. 5mm施水量造成沙柳和油蒿的净光合速率和蒸腾速率具有显著的“午睡”现象，而充足施水却有效的解除或缓解这种“午睡”现象。 以沙柳、杨柴、油蒿和柠条幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物叶绿素荧光对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，不同施水量对这4种植物的初始荧光、最大荧光、可变荧光和PSII光化学效率均具有显著影响。157. 5mm施水量的沙柳、杨柴、油蒿和柠条以及630. Omm施水量的柠条出现明显的光抑制现象。 以沙柳、杨柴、油蒿和柠条幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物生长对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，施水量的增加对沙柳、油蒿和杨柴枝叶形态和生物量等都具有显著正效应。而157. 5mm和630. Omrn的施水量对柠条生长具有负作用。另外，沙柳、杨柴和油蒿根冠生物量比随着施水量增加均逐渐减小，而不同施水量的油蒿根冠生物量比之间差异不显著。 以柠条、杨柴和油蒿幼苗为研究对象，人工控制两种温度水平来探讨植物形态、生物量和气候交换特征对增温的响应。结果表明，增温显著提高了柠条和杨柴株高、叶数、叶面积、生物量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，却显著降低了水分利用效率。增温对油蒿叶数、叶大小、叶面积、生物量、蒸腾速率和气孔导度没有显著影响，却显著提高了油蒿的树高和净光合速率。柠条、杨柴和油蒿之间的种间生长和生理特征均有显著差异。

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。

浑善达克退化生态系统恢复研究

　　浑善达克沙地是我国四大沙地之一，地处北方干旱半干旱区，为草原区向荒漠区过渡的地带。长期以来，由于人类不合理的生产活动，加上这里脆弱的生态环境，已引起了严重的土地退化问题：流动沙丘面积由1950s年占沙地总面积的2%增加到1990s的近50%。因此浑善达克沙地成为我国研究土地退化、防治沙尘暴的重点地区，本文从自然科学和人文科学相结合的角度出发，对浑善达克沙地草地退化原因、自然恢复潜力、恢复过程、适宜物种选择，以及社区生存、生产等方面进行了综合研究，得出以下主要结论： 　　 1) 浑善达克沙地土壤种子库中含有大量的种子，在退化草地自然恢复中表现出极大的潜力。这些种子在摆脱人和牲畜干扰的前提下，可以萌发、定居并形成植物群落，使退化草地恢复;当地表达到一定程度的植被覆盖，可有效减少沙尘暴的危害。土壤种子库中的植物种类与地上植被有极显著的相似性(P<0.05)，这是地上植被形成稳定群落的基础。种子库中的物种组成影响植被恢复演替的进程;反之，恢复演替也制约着种子库组成和幼苗建立。 　　2)退化沙地草地围封后，对不同恢复阶段草地的群落学调查表明，该地区自然恢复过程大致分为3个阶段：围封2年的恢复早期，流动沙丘向半固定沙丘转变;围封3-5年的恢复中期，半固定沙丘向固定沙丘转变;围封6年后的恢复后期，为固定沙丘稳定发展阶段。根据生活型及植物种类随恢复演替的变化规律，浑善达克沙地植被演替的总体趋势可归纳为：沙米 (Agriophyllum squarrosum)+ 雾冰藜(Bassia dasyphylla)群落→黄柳(Salix gordejevii)+ 冰草(Agropyron cristatum)群落→褐沙蒿(Artemisia intramongolica) + 冰草群落→沙地榆(Ulmus pumila var. sabulosa)疏林+冰草群落。在围封禁牧下，浑善达克退化沙地草地在较短时间内实现自然恢复，因此制约退化草地恢复演替的关键因素主要是人为和牲畜的干扰，只要排除了这种干扰因素，浑善达克大面积的退化沙地草地完全能够借助自然力实现生态恢复。 　　3) 浑善达克沙地3种生境下84种植物叶片渗透势值和含水量，表现出不同功能型上的差异。总体变化趋势为： 深根系 > 浅根系;灌木 > 乔木 > 草本;分布在湿地和丘间低地的植物叶片渗透势和含水量较高，而生长在沙丘上的植物叶片渗透势较低，需要有发达的根系吸收土壤深层的水。不同植物具有独特的水分利用特性，使它们能共存于同一生态系统中。这些不同植物功能型表现出的植物水分生理生态特性，表明浑善达克天然分布的植物群落发育有完善的利用水资源的能力，能够保证在很大降水波动条件下分布有丰富的植物群落和较高的生物生产力，构成该特殊类型生态系统很强的恢复潜力。另外，浑善达克沙地沙丘的存在是该类生态系统恢复弹性较高的另一重要原因。 　　4)本地种与引入种在生理生态上表现出不同的适应能力。在相似的太阳辐射和叶片温度下，引入种旱柳的叶片水势较高，而净光合速率、气孔导度、水分利用效率则较低。这表明它的光合潜能在改变环境中没有正常发挥。同时，引入种较低的最大光化学效率进一步表明它抵抗环境胁迫的能力较低。当土壤水分可利用程度降低而导致水分竞争时，引入种很可能在竞争中被淘汰。因此，在生态恢复中，应尽量避免引入外来种，大量使用本地种。 　　5) 生态恢复不仅是自然科学问题，更重要的是社会经济问题。为了充分认识当地社区的参与对生态恢复的作用，在实验过程中，调查了当地居民自本实验开展以来的思想观念、经济收入和生产效益等变化。在生态恢复中当地社区的积极参与是保证恢复成功与否的关键因素。从发挥“自然力” 和“以人为本”的指导思想出发，在生态恢复中应注重充分利用自然的力量;在管理方面，要以解决社区居民的生产生活实际需求为目标。只有这样，才能保证生态、社会和经济可持续发展。

毛乌素沙地种子萌发特性及浑善达克沙地荒漠化成因分析

毛乌素沙地与浑善达克沙地为我国著名的沙地。本文以毛乌素沙地荒漠化防治中常用的飞播植被恢复技术为突破口，研究飞播采用的主要植物种种子萌发与幼苗出土对沙埋与水分的响应，以改善植被飞播恢复技术。近年来浑善达克沙地快速发展的荒漠化进程引起了人们的极大关注，本文应用统计方法对浑善达克沙地荒漠化成因进行了系统研究。 羊柴(Hedysarum leave Maxim.)、柠条(Caragana korshinskii Kom.)、籽蒿(Artimisia sphaerocephala Krasch)与油蒿(Artimisia ordosica Krasch.)为鄂尔多斯高原广泛分布的植物种，也是该地区飞播选用的主要植物种。通过温室实验，对四种植物萌发特性及出苗与水分和沙埋深度的关系进行研究，阐明了种子萌发的最适水分条件和沙埋深度。四种植物种子萌发与出苗最适宜的供水量都接近于当地生长季的平均降水量 (50mm/month);最适宜的沙埋深度为0.5cm-1cm, 羊柴、柠条、籽蒿和油蒿的沙埋深度分别为：0.5、1.0、0.5和0.5cm。过多的水分和过深的沙埋显著降低种子萌发与出苗，反映了四种植物对沙区环境的生态适应。基于实验结果及当地气候特点，建议将鄂尔多斯地区的飞播时间由6月初提前至5月中下旬，以提高飞播植物的出苗率。 近年来浑善达克沙地荒漠化的发展呈现加剧的趋势。通过对位于浑善达克沙地中心区正蓝旗的自然和社会因子变化趋势的研究寻求该区荒漠化发生发展的原因，应用数理统计方法对正蓝旗一些重要的气候及经济因子在近40年的变化过程进行了系统分析，发现过度放牧及人口的急剧增加是导致正蓝旗乃至浑善达克地区荒漠化加剧的主要原因。同时，温室效应造成的全球增温也是重要的诱因之一。基于上述分析，对浑善达克沙地的荒漠化防治工作提出了一些具体的建议和措施。