OsRMC基因调控水稻根生长发育的机理研究

实验室前期工作证明OsRAA1在玉米泛素启动子驱动下组成型表达，可以抑制水稻初生根的生长，促进不定根的形成，形成不同程度螺旋状的初生根，根的向地性反应减缓，这些表型和野生型水稻用生长素处理的表型类似，而且OsRAA1基因的转录受生长素诱导，这些结果表明OsRAA1可能参与了生长素的信号转导途径。但这些表型产生的机理还不是很清楚。在水稻中，茉莉酸在根发育过程中的作用多为生理实验的报道;拟南芥中的研究表明生长素信号转导和茉莉酸信号转导可能都受26S蛋白酶体的调控。由此我们推测茉莉酸在根的发育过程中可能也起着同样的促进作用。本论文在超表达OsRAA1水稻基础上旨在克隆新基因，并对新基因功能进行研究，以探讨茉莉酸在水稻根发育过程中的分子机理，并对生长素和茉莉酸信号转导的关系进行探讨。 　　首先运用双向电泳技术结合质谱分析技术，在超表达OsRAA1水稻背景下发现了受体激酶家族DUF26的一个成员明显下调，我们命名为OsRMC（Oryza sativa Root Meander and Curling，AAL87185），Western杂交进一步证明了这个结果。 　　OsRMC位于4号染色体，信息学分析表明只有一个拷贝，没有内含子，ORF阅读框为777bp，编码的蛋白分子量为27.9 kDa，等电点（pI）为5.01。对该蛋白进行同源性比较发现，其含有2个C-X8-C-X2-C基序（Cys-rich repeat, CRR）即半胱氨酸富集区，其中第四个半胱氨酸残基不保守，该基序会形成二硫键，编码两个未知功能的DUF26（Domain Unknown Function 26）结构域。OsRMC由一个信号肽和两个CRR区组成，但没有跨膜区和激酶区。RT-PCR显示OsRMC可能是组成型表达的基因;亚细胞实验表明OsRMC是膜定位的蛋白。Western blot显示OsRMC受茉莉酸诱导表达，受生长素的抑制。 　　RNAiOsRMC转基因水稻在暗处培养时，抑制了初生根的生长，使侧根数目减少，但促进了不定根的生长和数目的增加;第二叶鞘变短，这些表型和前人报道的外源茉莉酸处理野生型的表型一致。转基因对生长素信号转导和合成没有影响，但初生根和第二叶鞘对外源茉莉酸更加敏感，说明RNAiOsRMC转基因水稻可能增强了茉莉酸信号转导途径。分析转基因水稻的茉莉酸信号转导途径部分相关基因的表达变化，根中受茉莉酸信号转导特异诱导的病原相关基因RSOsPR10的表达明显增多，而JAmyb和OsNDPK1的表达没有变化，证实转基因增强了茉莉酸信号转导其中的一个路径;进一步分析茉莉酸合成途径12-OXO-PDA（12-氧代-顺，顺-10，15-植物二烯酸）还原酶基因OsOPR的表达发现与野生型没有明显差别，说明转基因可能没有影响体内的茉莉酸合成途径。RNAiOsRMC转基因水稻的初生根比野生型的更容易发生弯曲，实验表明培养过程中茉莉酸和背触反应（negative thigmotropism）共同作用使转基因的初生根更容易发生卷曲，而光信号会增强卷曲程度。但RNAiOsRMC转基因水稻并没有影响根的向地性，暗示RNAiOsRMC转基因可能增强了根的回旋运动或（和）背触反应，从而促进了根的弯曲和卷曲。这些结果证明OsRMC参与的茉莉酸信号转导过程在水稻根的发育、弯曲和卷曲过程中起着重要的促进作用。通过对超表达OsRAA1和RNAiOsRMC转基因水稻的分析，说明水稻中存在着生长素信号转导促进茉莉酸信号转导的途径。 　　综合以上实验结果认为，OsRAA1调控了受体激酶家族DUF26的一个成员OsRMC，使其表达量降低，该过程增强了茉莉酸信号转导途径;确认了受体激酶家族DUF26的基因具有重要的生物学功能，证实了OsRMC调控的茉莉酸信号转导在水稻根系发育、根弯曲和卷曲过程中具有重要的促进作用;证明水稻中存在着生长素信号转导促进茉莉酸信号转导的途径，为完善各种植物激素调控水稻根系发育的网络提供了新的实验证据。 　　 　　

水稻RAD21/REC8家族基因的分离与功能分析

染色体黏着是有丝分裂和减数分裂的关键事件，是保证姊妹（或同源）染色体正确分离并分配到子细胞中的关键调控环节之一，它建立于细胞分裂前的S期将新复制的姊妹染色体紧密联系在一起。来自酵母的研究结果已经证明姊妹染色体之间的黏着是由多亚基的蛋白质复合体－黏着素所介导的。在芽殖酵母有丝分裂中，黏着素由Scc1，Scc3，Smc1和Smc3四个亚基组成。减数分裂黏着素的组成与有丝分裂中的相似，只是Scc1被其减数分裂特异的Rec8变体所替换。目前，已经从高等真核生物线虫，果蝇，人，鼠以及拟南芥中分离到了黏着素相关的基因，但是对于这些基因在高等真核生物特别是植物细胞分裂中的功能还知之甚少。即使在酵母中人们对于减数分裂和有丝分裂过程中有关染色体黏着与分离的许多基本问题仍然不清楚，而且许多现象表明减数分裂的详细机制在各种生物中存在重大差异。 我们通过同源克隆的方法证明水稻（和拟南芥）基因组编码4个RAD21/REC8-like基因。这4个基因均以单拷贝存在，在核苷酸水平上没有相似性。它们所编码的蛋白质的相似性主要局限于其N-末端结构域和C-末端结构域。这4个蛋白质的中间区域没有（或者仅有极低的）相似性，但是中间区域都含有潜在的核定位信号，PEST序列，分离酶的识别序列以及多个磷酸化位点。 半定量RT-PCR，原位杂交以及Western杂交结果显示这4个基因都在生殖器官中优势表达，但是它们在花发育过程中的表达动态是不同的。OsRAD21-1和OsRAD21-3都在减数分裂时期的颖花中表达量最高，但是OsRAD21-3还在成熟花粉中高表达;OsRAD21-4在减数分裂前的颖花中表达量最高;OsRAD21-2则在雌雄蕊形成时期表达最强，之后逐渐降低。这些结果暗示这4个基因的功能可能是不同的。 免疫荧光定位分析表明，OsRad21-1和OsRad21-3 特异地定位于有丝分裂的染色体上，其分布动态表明这两个蛋白可能都参与了有丝分裂姊妹染色体之间的黏着。由于水稻四个RAD21/REC8类基因中，只有OsRAD21-3在花粉发育过程中表达，同时水稻花粉的发育成熟要经过两次有丝分裂，推测OsRad21-3蛋白可能参与这两次有丝分裂过程姊妹染色体之间的黏着。OsRad21-4则特异地定位于减数分裂前间期到中期Ⅰ的染色体上，说明它可能特异地介导减数分裂过程姊妹染色体之间的黏着。与其它已知的Rad21/Rec8-like蛋白不同，不论在有丝分裂还是在减数分裂过程中，OsRad21-2蛋白都不定位于染色体上而是特异地定位在核仁中，并且它的动态变化与核仁重建和解体的动态规律在时间上也是相一致的，这说明OsRad21-2是一种新的核仁蛋白质而与染色体的黏着无关。 OsRAD21-4 RNAi转基因水稻植株的花粉活性受到严重影响，种子结实率降低。雄性减数分裂过程中染色体出现多种异常行为：前期Ⅰ染色体异常凝集;同源染色体提早分离;染色体出现片断化。进一步的FISH实验结果证明RNAi株系中同源染色体配对和姊妹染色体臂的黏着均发生异常。因此，OsRad21-4是酵母Rec8的同源蛋白，是正确的减数分裂所必需的。 与表达分析和功能分析所得的结果相一致，进化树分析可以将Rad21/Rec8-like蛋白质分为三个亚家族：（1）Rad21亚家族，参与有丝分裂姊妹染色体黏着;（2）Rec8亚家族，参与减数分裂染色体黏着;（3）Rno亚家族，目前仅发现于高等植物中，是一种核仁蛋白质而与其它的Rad21/Rec8-like蛋白的功能不同，可能不参与染色体之间的黏着。

OsLIC1基因参与水稻株型调控的功能研究

CCCH型锌指蛋白是进化上比较保守的一类锌指蛋白家族，其典型的氨基酸的基序为C-X7-8-C-X5-C-X3-H，其中X为任意氨基酸，这类锌指基序一般以重复的双拷贝形式存在。本论文克隆并鉴定了一个全新的、只含有一个CCCH型锌指基序的基因，利用反义RNA策略研究该基因功能，结果发现该基因的反义转基因植株表现出叶夹角增大的表型，因此我们将该基因命名为OsLIC1（Oryza sativa Lamina Increased Leaf Angle Control 1）。生物信息学分析发现该基因定位于水稻6号染色体近端粒的一端，位于BAC克隆AP004324中。OsLIC1与通常的CCCH型锌指蛋白含有多个重复的CCCH锌指基序不同，它只含有一个CCCH型锌指基序。除了CCCH锌指结构域以外，该蛋白在靠近C-端的位置还有一段丝氨酸（Ser）富集的区域，在此区域之前，还有一个在真核生物中相对保守的，以EELR为核心基序的结构域。采用基因枪将含OsLIC1-GFP融合构建的瞬时表达载体轰击入洋葱内表皮细胞，激光共聚焦显微镜观察发现OsLIC1-GFP可以定位到细胞核中。利用酵母转录激活系统发现以EELR为核心基序的结构域具有转录激活的功能。体外核酸结合活性分析显示OsLIC1蛋白可以结合双链DNA，这些结果证明OsLIC1是一个转录因子，这也是在植物中首次发现CCCH型锌指蛋白可以作为转录因子的方式调节基因的表达。 用玉米泛素启动子（Maize Ubiquitin promoter）驱动OsLIC1基因的反义表达载体转化水稻，获得的内源OsLIC1基因表达量下降的转基因植株表现出三个明显的表型：转基因植株的叶夹角增大;转基因的株高低于对照以及转基因植株的穗粒数减少。扫描电镜观察发现转基因植株叶夹角增大是由于近轴面细胞排列发生了改变以及维管束发育受阻引起的。转基因植株的Southern Blot和RT-PCR分析，结合Western Blot分析证明了转基因植株的表型与转基因事件之间的直接联系，并证明了转基因植株中内源OsLIC1在蛋白水平的确受到了抑制。采用RT-PCR技术、Promoter：：GUS和RNA in situ杂交三种方法相结合研究OsLIC1基因的表达模式，结果表明OsLIC1基因主要在叶颈、节以及分蘖原基中表达，这与转基因植株的表型相吻合，进一步证明了转基因植株的表型与基因功能之间的关系。Affymetrix 水稻全基因组芯片分析结果显示许多受油菜素内酯诱导表达的基因在转基因植株的叶颈材料中表达量上调，RT-PCR进一步验证了这一结果。由于在转基因植株中出现的叶夹角增大的表型和水稻油菜素内酯的作用相似，而基因芯片的结果又从分子水平提供了证据和线索。进一步采用RT-PCR和Promoter：：GUS相结合的方法研究OsLIC1基因对油菜素内酯的响应，结果发现OsLIC1基因可以被油菜素内酯诱导表达。而且，OsLIC1基因的反义转基因植株与野生型相比，表现出对油菜素内酯信号更敏感的响应。根据以上结果，推测OsLIC1可能是水稻油菜素内酯信号转导途径的负调控因子。水稻油菜素内酯合成和信号转导的突变体d2-1和d61-1具有直立的叶片的特征。用反义OsLIC1转基因植株以及野生型水稻与d2-1和d61-1突变体分别进行遗传杂交，结果发现在反义OsLIC1转基因植株与d2-1和d61-1突变体的杂交F1代中，都表现出叶夹角增大的表型。但是，在F2代中，在d2-1和d61-1纯合背景下，分别表现出叶夹角增大和叶片直立的表型，说明OsLIC1上位于d2-1，而d61-1则上位于OsLIC1。这一结果进一步证明了OsLIC1是通过参与水稻油菜素内酯信号调节而发挥对水稻叶夹角的调控作用。

水稻减数分裂基因OsDMC1的功能研究

减数分裂是有性生殖物种世代交替的转折点;减数分裂不仅维持了基因组的稳定性，而且通过重组创造了遗传多样性。在减数分裂过程中，DNA复制一次后进行两次连续的细胞分裂。第二次减数分裂与有丝分裂类似，涉及到姊妹染色单体的分离;而第一次减数分裂是独一无二的，在这次分裂中同源染色体分离。为保证同源染色体的准确分离，同源染色体在减数分裂前期I通过一系列复杂的过程结合在一起形成稳定的二价体。这些复杂的前期I事件包括同源配对、联会和重组。分子遗传学、细胞学和生物化学研究已经表明酵母DMC1基因在减数分裂重组、配对和联会过程中起了重要作用。OsDMC1基因是酵母DMC1基因在水稻中的同源基因。本课题应用RNA干扰技术分析了该基因在水稻生长发育过程中的功能。利用本实验室设计的RNAi工具载体pWTC605构建OsDMC1-RNAi载体;并通过农杆菌介导的水稻愈伤组织转化法获得了转基因株系;进而通过PCR和Southern杂交鉴定筛选出阳性的OsDMC1-RNAi株系。OsDMC1-RNAi株系的营养生长正常，但结实率显著降低;成熟花粉的Alexander染色显示这些OsDMC1-RNAi株系的花粉是败育的。通过内源OsDMC1基因表达量的半定量RT-PCR、Western杂交分析以及OsDMC1特异性small RNA的Northern杂交鉴定，证实OsDMC1-RNAi株系的不育表型与RNA干扰介导的内源OsDMC1 mRNA和蛋白水平的降低是相关的。进一步深入的细胞学观察显示，OsDMC1基因的knockdown导致OsDMC1-RNAi株系的雄性减数分裂异常，表现为二价体形成缺陷、染色体不等分分离和异常四分体的产生;OsDMC1基因的knockdown同时还诱导了雄性减数分裂进程的改变。荧光原位杂交实验揭示OsDMC1-RNAi株系的减数分裂同源配对过程是缺陷的。这些研究结果表明OsDMC1基因是水稻减数分裂的必需基因，该基因在减数分裂同源配对过程中起了重要作用。

水稻AP2/EREBP转录因子基因OsDRE和OsRAF的功能分析

AP2是一个大的转录因子家族，因其成员含有一个60-70 个氨基酸残基的保守结构域即AP2结构域而得名，它们的功能涉及植物花的发育以及植物对生物或非生物逆境的应答反应。根据它们所含的AP2 结构域的数目，这个家族可分为AP2亚家族和EREBP 亚家族。 AP2亚家族成员含两个AP2结构域，EREBP 亚家族成员含一个AP2结构域。一般来说，AP2 亚家族的成员主要参与植物发育过程的调控;EREBP 亚家族成员则主要参与对逆境的应答反应。按照它们响应外界刺激的类型和AP2结构域中结合顺式作用元件的核心氨基酸的不同，EREBP亚家族又可分为ERF和CBF/DREB两大类群，ERF 类主要响应生物类逆境的诱导，CBF/DREB类则响应干旱、低温等非生物胁迫的刺激。 根据AP2保守结构域搜索，水稻基因组中一共有147个AP2/EREBP成员，但其中功能得到证实的还非常有限。为了解更多AP2基因在植物生长发育过程中的功能，我们先从水稻基因组数据库中搜索到含有AP2/EREBP 结构域的推测基因序列，选择其中40个扩增并成功扩增出31个，将这些DNA片段点在尼龙膜上，然后用水稻叶片cDNA 作模板标记探针，与固定在膜上的推测基因杂交。杂交结果作为选择基因进行功能分析的重要依据。 OsDRE就是我们选择进行研究的一个表达较强的基因。首先，通过RACE 克隆得到OsDRE 的cDNA全长 1589bp，它编码318个氨基酸。Blast 搜索和保守结构域序列比对分析以及进化树分析显示它是一个新的ERF 基因。RT-PCR分析表明该基因在水稻各种组织中表达量比较一致，而且，OsDRE 既不对植物生长物质如乙烯，水杨酸（SA），茉莉酸甲酯（MJ），脱落酸（ABA），赤霉素（GA3），油菜素内酯（BR）的诱导起反应，同样也不响应环境因子如低温、干旱条件的处理。这些结果说明OsDRE是一个不响应胁迫相关因素的诱导的、组成型表达的水稻基因。用OsDRE的非保守区域构建的RNAi 载体转入水稻后未能使转基因水稻产生异常表型，然而，OsDRE在水稻和拟南芥中的过量表达都导致转基因植物出现植株矮小、开花延迟、生长周期延长以及育性降低等表型，说明OsDRE对生长和发育的影响在水稻和拟南芥中是一致的。 基于以上原因，我们选择在遗传分析方面有明显优势的拟南芥作为材料，对OsDRE基因功能进行研究并得出以下结论：（1）瞬时表达和随后的过量表达证明OsDRE定位于细胞核中，过量表达OsDRE引起转基因植株的生长周期变长、抽苔时间延迟和抽苔时莲座叶的数量增多;（2）过量表达OsDRE通过一种不影响细胞数量的方式抑制了细胞的膨胀从而导致植物器官以致整个植株变小，而且，在此过程中部分器官的形态也受到了影响;（3）OsDRE过量表达能激活已知位于乙烯信号途径下游的基因表达并且转基因植株幼苗在黑暗中出现下胚轴及根缩短变粗的现象，提示OsDRE 可能部分参与了乙烯信号途径下游的反应。 除此之外，我们还初步分析了另一个EREBP基因，并将其命名为OsRAF。氨基酸序列分析表明该基因与大麦的RAF 基因在蛋白水平上相似性最高。Northern 杂交结果进一步显示，与RAF 一样，OsRAF 也是根中优势表达的基因，并且它的表达量在乙烯或低温的诱导下增加。对转基因植株的观察和瞬时表达表明OsRAF 定位于细胞核中。 综上所述，对水稻基因OsDRE 和OsRAF的分析表明， OsDRE是一个新的ERF基因，它不受乙烯等因素的诱导并且过量表达该基因导致转基因植株出现细胞膨胀受到抑制等一系列的表型。另外，OsRAF在水稻根中优势表达并受乙烯和低温的诱导，目前，与之相关的功能研究正在进行。

水稻RAD21/REC8家族基因OsRAD21-3的功能研究

有丝分裂和减数分裂包含一系列协同作用的事件，姊妹染色体的黏着是其中非常重要的一个环节。通过对芽殖酵母的研究发现姊妹染色体的黏着是由一个多亚基的蛋白复合体——黏着素介导的，在有丝分裂过程中，黏着素由Scc1（裂殖酵母中为Rad21）、Scc3、Smc1和Smc3四个亚基组成，而在减数分裂中Scc1被其同源蛋白Rec8所取代。通过对其它真核生物包括线虫、果蝇、爪蟾、鼠、人以及拟南芥等进行的研究显示，黏着素介导的姊妹染色体黏着的基本机制在真核生物中具有保守性，但在不同的物种中，其具体的分子机制还存在着差异。开花植物的有性生殖过程包含了一个非常特殊的花粉发育阶段，其间发生了两次花粉的有丝分裂，对其我们还知之甚少。Rad21/Rec8作为黏着素的重要组分，对水稻中它的同源蛋白进行深入研究可以帮助我们对植物有丝分裂和减数分裂的染色体黏着机制有进一步的了解。 我们发现在水稻基因组中存在4个编码Rad21/Rec8家族蛋白的基因，其中OsRAD21-3位于水稻第8号染色体上，其编码的蛋白与其它的Rad21/Rec8家族蛋白一样，具有保守的N-和C-末端结构域。序列比对和进化分析的结果表明OsRad21-3蛋白属于Rad21亚家族，而免疫荧光定位分析显示OsRad21-3可以特异地定位于有丝分裂的染色体上，由此说明OsRAD21-3应当是酵母RAD21的直系同源基因。对OsRAD21-3进行半定量RT-PCR，Western杂交以及原位杂交的结果显示它在生殖器官花中优势表达，在营养器官中也能检测到表达。在花中它在从雌雄蕊形成期到成熟花粉期都有表达，其表达的位置主要位于减数分裂时期的小孢子母细胞以及减数分裂后的小孢子和花粉中。在水稻四个RAD21/REC8基因中，OsRAD21-3是唯一一个在花粉发育过程中表达的基因，说明它可能在减数分裂后的雄配子体发育过程中发挥了功能。 采用RNAi手段对OsRAD21-3的功能进行研究发现OsRAD21-3 RNAi转基因水稻植株的育性显著下降，进一步的分析表明其花粉活性受到严重影响。对OsRAD21-3i株系的雄性减数分裂过程及减数分裂后的小孢子和花粉发育过程进行观察发现，减数分裂过程中有少量细胞存在染色体的异常行为，但总体上没有对雄性减数分裂造成严重影响，而减数分裂后的小孢子和花粉发育过程则出现了显著异常，表现为花粉有丝分裂的停滞或有丝分裂染色体分离的扰乱，因此，OsRAD21-3应当主要是通过在花粉的有丝分裂过程中发挥功能而参与减数分裂后的雄配子体发育过程，而它在雄性减数分裂过程中可能也有一定作用。 利用原位杂交技术分析了水稻另外三个RAD21/REC8基因的表达特性，结果表明OsRAD21-1、OsRAD21-2和OsRAD21-4都在减数分裂前及减数分裂期的小孢子母细胞中表达，但在减数分裂后较晚时期的小孢子中则没有检测到表达。OsRAD21-4在小孢子母细胞中的表达为其参与减数分裂过程染色体的黏着提供了证据，而OsRAD21-1和OsRAD21-2在此过程中的功能还有待进一步研究。此外，OsRAD21-1和OsRAD21-2还在营养器官有丝分裂旺盛的区域表达，OsRAD21-1作为RAD21的同源基因可能与OsRAD21-3在参与有丝分裂染色体黏着方面存在功能上的冗余性，但OsRAD21-3参与花粉的发育过程则是其所特有的，这可能也在一定程度上说明了为什么水稻中会存在4个RAD21/REC8基因，并帮助我们更好地了解了它们在功能上的分化。

水稻中OsERD2和OsRAA1基因的功能分析

内质网中一些可溶性蛋白含有Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）基序作为内质网滞留的信号，这些内质网滞留蛋白可以离开内质网进入高尔基体进行糖基化修饰。目前的研究表明，KDEL基序可以被滞留蛋白受体识别，通过反向运输途径将其运回内质网。ERD2是第一个在酵母中被鉴定的内质网滞留蛋白受体。在人、拟南芥、弓形虫等生物中也鉴定出类似的内质网滞留蛋白受体。ERD2在拟南芥中的同源基因aERD2受内质网胁迫信号的诱导，在水稻中还未见该类受体的报道。 本工作从水稻中克隆到ERD2的同源基因OsERD2。OsERD2的cDNA全长为1081bp，编码一含215个氨基酸的蛋白。OsERD2与酵母、拟南芥、人中的内质网滞留蛋白受体的同源性分别为43.38%、72.56%、54.42%。疏水性分析显示该蛋白具有7个跨膜区；OsERD2呈组成型表达模式；亚细胞定位显示OsERD2主要分布于高尔基体中；利用酵母互补实验证明OsERD2可以恢复酵母erd2缺失突变体的表型。这些结果表明，OsERD2是水稻中的内质网滞留蛋白受体。 借助农杆菌介导的转化将OsERD2在水稻中超表达，分析转基因水稻对二硫苏糖醇（DTT）处理的响应。结果显示DTT处理抑制水稻幼苗生长，超表达OsERD2株系受抑制程度更为明显。表明OsERD2转基因水稻对内质网胁迫更加敏感。因此，OsERD2可能参与了水稻中的未折叠蛋白响应。 本论文还比较分析了OsRAA1/AtFPF1的一些新功能。OsRAA1（Oryza sativa root architecture associated 1）是拟南芥AtFPF1在水稻中的同源基因，参与水稻根发育的调控。我们将OsRAA1在拟南芥中异源超表达，发现OsRAA1的积累使转基因拟南芥的开花时间提前，同时发现在白光条件下转基因拟南芥的下胚轴长度增加。进一步分析表明，在蓝光、远红光和黑暗条件下转OsRAA1拟南芥下胚轴长度和野生型没有明显区别，但在红光条件下，转基因拟南芥的下胚轴长度是野生型的两倍。AtFPF1转基因拟南芥也表现出类似的表型，说明RAA1/FPF1蛋白不但可以调控拟南芥开花时间而且参与红光对下胚轴生长的光抑制过程，它们在进化过程中保留了这两个方面的功能。

CO2倍增对紫花苜蓿的生态生理作用及模型

本论文是国家自然科学基金重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”下子项目“对全球变化反应植物生态生理学的基础模型研究”中的重要部分。 本文研究了紫花苜蓿(Medicago Sativa L．)在C02倍增下光合作用、蒸腾作用、气孔导度、叶面积、物候进程、高度、以及生物量的生态生理变化，并在此基础上对苜蓿进行了生态生理模型化的研究。 在倍增(694ppm)和对照(375ppm) C02浓度下，对紫花苜蓿的生态生理学的研究表明，以整个生育期计，倍增组的表观光合作用比对照组可提高18.7%：气孔导度略有下降(2%);蒸腾作用减少了2.7%;水分利用效率提高了30.1%;叶面积增加了48.9%;每株植物白天的净光合总量可提高76.7%，另外，植株高度和整株生物量的测定也显示了C02增加对苜蓿的正效应。 本文还对生理指标的实测数据进行了模型化的研究。对光合作用模型和气孔导度模型中参数的拟合结果表明，C02倍增下，苜蓿的光能转化效率(α)，电子传递速率(Jmax)比对照组都有明显的提高，最大气孔开度(Gsmax)略有下降．

植物根系、根区微生物对大气CO2浓度倍增的反应及其生态学意

预测下世纪中叶，大气CO_2浓度将高到目前的两倍（即达到700μ1•1~(-1)）。CO_2倍增对植物地上部的影响已经有了较多的研究，胆是由于方法学上的困难，至今关于倍增CO_2对植物根及根区微生物的研究仍是非常匮乏。本文应用国际上最新的根研究方法，以根系为中心，研究开顶式CO_2C熏蒸培养室中，CO_2倍增条件下根系与地上部，根系与根区微生物[共生的泡囊－丛枝菌根（VAM）真菌，非共生的土壤微生物]的关系。 1. CO_2倍增对根系的影响目前CO_2倍增对根系影响的研究多集中在根生物量的测定，或根／冠比值的测定，而善于其它参数如根长度则很少涉及，而根表面的反应目前还未见文献报道。本实验以幼苗期小麦“青323”（Triticum aestivum）、水稻“中作 29”(Oryza sativa)、大豆“科农4号”（Glycine max）、玉米“农大3138”（Zea mays）、甜高粱“M－81E”（Sorghum saccharatum）为材料，研究CO_2倍增对植物生物量的影响，发现CO_2倍增使C_3植物水稻、大豆的地上部、根系干重均显著增加，使小麦的根系干重显著增加，地上部无显著差异;C_4植物玉米和甜高粱的地上部和根系均没有显著反应。植物干重反应资料表明在光合产物的分配方面，C_3和C_4植物之间存在巨大的差异。 为了解根系获取土壤资源的能力的变化，我们对根系总长度和总表面积进行了分析。用样格交叉法研究根系长度的变化，结果显示，幼苗期的小麦、大豆的根系长度均被显著促进，尤其值得注意的是，尽管玉米根系干重没有显著改变，但是根长度已发生显著变化。同时应用研究根系表面积的最新方法－Na NO_2吸附法，研究发现幼苗期小麦、水稻和大豆的根系表面积在CO_2倍增条件下均显著增加，C_4植物玉米的根表面积亦有显著增加，但甜高粱的根表面积却没有显著反应，这说明即使在C_4植物类型中，根系表面积的反应在不同物种间仍存在很大差异。由于根长度和根表面积增幅大于根干重的增幅，所以推断在CO_2倍增条件下，植物根系细根比例增加，这有利于植物获取更多的养分。由于不同植物之间根系的反应不同，这将改变群落中原有的根系竞争关系，从而影响群落中物种的组成。 2. CO_2倍增对VAM真菌侵染强度和活力的影响本文应用NBT染色法，并结合浸染强度等级和活力等级标准，首次对CO_2倍增条件下，植物VAM真菌的侵染强度和活力的变化进行了检测。对比常规的酸性品红乳酸甘油法和NBT法，发现两者在显示侵染强度时元显著差异，但后者能同时用于侵染活力等级的研究。对幼苗期大豆以及不同生长期的小麦和玉米根系VAM真菌的侵染强度和活力进行观测，结果显示，倍增CO_2对大豆的侵染强度和活力均没有显著效应;使幼苗期玉米的侵染强度显著增加，但侵染活力无显著差异，但随生长期的推移，侵染强度所受的CO_2倍增效应逐渐减小，与14天苗龄（DAP）和35DAP相比，侵染活力在22DAP时所受效应最大;使10DAP小麦的VAM侵染强度和活力均显著增加，而且这种效应在30DAP小麦中的表现与10DAP小麦的相同。说明C_3、C_4植物中，菌根真菌对CO_2倍增反应不同，这也许是C_3、C_4植物对CO_2倍增反应不同的原因之一。倍增CO_2改善了VAM真菌的发育，所以较之于非菌根侵染植物，菌根侵染植物将因为CO_2倍增而获益更多，另一方面不同种植物中，VAM真菌的发育反应不同，这将使植物群落中，根系获取无机营养的竞争能力发生变化，最终影响植物群落的物种丰度和生物多样性以及群落的演替。 3. CO_2倍增对非共生土壤微生物的影响CO_2倍增使生长70天的小麦、垂柳（Salix babylonica）、藜(Chenopodium album)、繁穗苋（Amaranthus cruentus）品种“红苋K112”的地上部和根系的生物量增加。以这些植物所在土壤为材料，用氯仿熏蒸直接提取法研究土壤微生物生物量C（C_(mic)）和生物量N（N_(mic)）的变化，发现CO_2倍增尽管使各类型植物的C_4植物）土壤中C_(mic)的变化趋势不完全相同（小麦和藜所在土壤的C_(mic)下降，垂柳中C_(mic)升高，而在繁穗苋中无显著差异），但N_(mic)在各物种所在土壤中均有不同程度的上升，在繁穗苋中增幅最大。C_(mic):N_(mic)比值在4个物种所在土壤中均明显下降，这意味着CO_2倍增后在植物生长后期，土壤微生物活性提高，分解植物凋落物和土壤中其它有机质的能力加强，从而改善贫瘠土壤中有机质质量。 4.CO_2倍增对植物呼吸和光合作用及C素积累的影响 1）CO_2倍增对植物暗呼吸的影响：以杜仲（Eucommia ulmoides）、紫花苜蓿(Medicago sativa)和玉米等10种植物的离体成熟叶片或整株为材料，研究不同测定温度（15～35 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸的影响。结果表明：在较低温度（15 ℃、20 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸没有显著效应;在较高温度（30 ℃、35 ℃）时，多数被测植物的暗呼吸显著增强。由于植物在不同温度时它们的暗咱吸受CO_2倍增的促进幅度不同，这将导致不同地区（环境温度不同）的植物暗呼吸反应有差异，而且由于不同物种的暗呼吸增幅不同，综合光合效应，它们的生物量的反应也会不同。 2）CO_2倍增对整株植物的CO_2气体交换及植物C素积累的影响：利用自行设计的一套CO_2气体测定装置，首次尝试同步测定CO_2倍增条件下幼苗期小麦地下部和地上部的气体交换在昼夜24小时内的变化及C素的积累。发现CO_2倍增不仅使小麦地上部C素的积累增加，也使地下部释放的C素增加，但整株植物的C素收入仍高于对照两倍多，这从植物与环境的CO_2气体交换角度为CO_2倍增促进植物生物量的增加提供了依据。并首次提出：植物的整体性及植物所在的环境条件（主要是温度和光照强度）决定着植物暗呼吸对CO_2倍增的响应方式：被抑制或无效应。

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。

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。

水杨酸在水稻抗冷性中的作用

近年来大量研究表明水杨酸（salicylic acid, SA）在植物抵抗生物胁迫与非生物胁迫中都发挥着重要作用。然而在一些单子叶植物如水稻中SA的作用迄今仍不是很清楚。为了更深入地了解SA在水稻抵御冷胁迫中的作用，本研究选用两个抗冷性不同的水稻品种：‘长白九’（Oryza sativa cv. ‘Changbaijiu’）和‘中鉴’（Oryza sativa cv. ‘Zhongjian’）作为实验材料，其中‘长白九’为抗冷性较强的品种，而‘中鉴’为冷敏感的品种。在水稻幼苗长至三叶期后，分别对其施以三种浓度（0.5 mM, 1.0 mM, 2.0 mM）的SA溶液预处理24 h，然后置于5 °C下进行冷处理24 h。形态学观察及各项指标的测定结果表明： 一、冷处理后，‘长白九’和‘中鉴’根与叶片中的SA含量都大幅提高，且结合态SA升高的幅度明显大于其自由态形式。 二、外施不同浓度的SA溶液于水稻根部，24 h后，大量SA尤其是结合态SA积累于根中，且其积累量与处理浓度成正相关;而叶片中积累的SA则较少。 三、形态学及生理指标的测定结果显示，SA预处理没有提高甚至降低了两个水稻品种幼苗的抗冷性。并且SA处理浓度越大，幼苗受到冷伤害程度的越高。 四、对水稻幼苗叶片与根中的抗氧化酶活性进行分析发现，常温下SA处理显著提高了‘长白九’和‘中鉴’根中过氧化氢酶（catalase, CAT）和谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase, GR）的活性;而在低温下SA预处理反而降低了两种水稻叶片与根中部分抗氧化酶的活性，推测低温下抗氧化酶活性的下降可能与水稻幼苗抗冷性的降低有关。 五、尽管两个水稻品种具有不同的冷敏感性，然而外施水杨酸均加剧了其低温伤害。分析认为，外施水杨酸后，水稻根部大幅升高的内源SA水平可能加剧了活性氧的产生，破坏了植物细胞内部的氧化还原平衡，从而导致水稻幼苗受到的冷害加重。

Studies on the energy release of rice mitochondria under different conditions by means of microcalorimetry

The thermodynamic and kinetic behaviors of energy release of mitochondria isolated from rice (Oryza sative L.) were studied by using a LKB 2277 Bioactivity Monitor under different conditions. The thermogenesis curves of energy release of the rice mitochondria (which had been kept at 0-3 degreesC for 15 h and 40 day before the determination) were determined respectively at 25 and 30 degreesC, and the difference in shape of the thermogenesis curves and thermodynamic and kinetic characteristics were compared. The thermodynamic and kinetic parameters of energy release of the mitochondria in the thermogenesis increasing stage have been calculated, and the experimental thermokinetic equations of the thermogenesis have been established. The results indicated that the lower the temperature, the slower the energy release of the rice mitochondria. Both the thermogenesis and the energy release late of the rice mitochondria increased after the mitochondria was kept at lower temperature for 40 days. One can use the methods to characterize the ability of the rice mitochondria to release energy under different conditions. (C) 2001 Published by Elsevier Science B.V.

不同生育期土壤-苜蓿系统水流阻力和水容变化规律研究

紫花苜蓿是水蚀风蚀交错带重要的人工种植牧草,具有较强的耐寒、耐旱性。自然条件下的模拟土柱试验在陕北神木试验站进行,采用抑制蒸腾法定量分析了水蚀风蚀交错带土壤-苜蓿系统水流阻力、水容等瞬态水流参数变化过程。结果表明:不同生育期内瞬态水流阻力及水容有明显差异:开花旺盛期平均水流阻力最小0.22×108Mpa.s.m-3,约为干枯老化期的1/9;平均水容最大5.38×10-4m3/Mpa;是现蕾期的4倍多。该研究结果有助于揭示紫花苜蓿体内水分调节作用及抗旱机制,对干旱半干旱地区植被恢复有重要指导意义。

生育年限对紫花苜蓿地上部生长的影响

2006年2-5月对杨凌区3年生和5年生紫花苜蓿(Medicago sativa L.)的株高、单株重量、产草量、生长速率、茎叶比、鲜干比和群落结构进行测定分析。结果表明5年生紫花苜蓿株高为132 cm,大于3年生紫花苜蓿109 cm(P<0.01);5年生紫花苜蓿单株重量152 g/株,大于3年生紫花苜蓿102 g/株(P<0.01);5年生紫花苜蓿的茎叶比0.43-1.67,小于3年生紫花苜蓿0.58-2.42。5年生紫花苜蓿产草量高于3年生紫花苜蓿(P<0.01),盛花期刈割时,鲜草产量分别达到6.17 kg/m2和4.10 kg/m2;5年生紫花苜蓿的鲜干比4.01-6.69,小于3年生紫花苜蓿4.12-7.26(P<0.01)。紫花苜蓿叶的最高密度位于地上80-100 cm层内;花序的最高密度位于120-140 cm层内;40 cm以下的生物量以茎为主,茎重由下层至上层递减;紫花苜蓿的茎叶比随植株高度的增加在不断的增大,60-140 cm之间各个层次3年生紫花苜蓿的茎叶比均大于5年生紫花苜蓿(P<0.01)。