银杏类植物的叶表皮特征及其气孔频度对大气CO2浓度的指示

本文以跨越漫长地质历史时期的银杏类植物为研究对象，首次尝试在大的时间尺度上利用单一植物类群的气孔频度估测古大气CO2浓度的变化趋势。 一、借助多种研究手段对现代银杏（Ginkgo biloba）和9种化石银杏的叶表皮特征进行调查，并对现代银杏叶片蜡质晶体的形态结构和气孔发育过程进行了研究。应用荧光显微镜观察晚三叠世一种拜拉植物的角质层特征，根据其气孔下生型和平直的表皮细胞垂周壁等特点建 立新种—宁蒗拜拉（Baiera ninglangensis sp. nov.）。 二、在大气CO2浓度相对稳定的条件下，对不同条件下（不同季节，长短枝间，不同冠层间，不同叶片面积，雌雄树间）银杏叶片气孔密度和气孔指数的调查结果表明，其它环境因子对银杏气孔频度的影响很有限，而且通过一定的采样、测量和分析策略，可以排除其他环境和生物因子对气孔特征的影响。 三、74年间，大气CO2浓度上升55μmol•mol-1的同时，银杏的气孔密度降低了27%。而3属8种中生代和新生代银杏类植物在9个时间点的气孔密度和气孔指数都低于现存最近对应种的值，意味着当时的大气CO2浓度都高于目前的水平。根据最新评估标准，以气孔比率定量估算各个地质时代的大气CO2浓度，与前人的工作以及通过地球物理化学方法获得的显生宙大气CO2浓度进行比较。

中华猕猴桃果实后熟过程中生理生化变化及氧和二氧化碳的气调效应

本文就中华猕猴桃采收后贮藏与后熟过程中的生理生化变化及O2、CO2的气调效用进行了初步探讨。 结果表明，在贮藏和后熟过程中，中华猕猴桃果实的呼吸强度和乙烯释放存在明显的高峰期，两者同时到达。硬毛变种的呼吸强度与乙烯产率较软毛变种低硬度、Vc、叶绿素随着采后时间的延长逐渐下降，可溶性固形物、蛋白质、chla/chlb则增加。果肉与果心组织中，SOD、MDA及蛋白质存在明显差异，显示了两者生理状态的不同。伴随后熟进程，SOD逐渐下降，脂类过氧化产物丙二醛（MDA）增加，显示了它们在中华猕猴桃的后熟过程中起着重要作用。 3% O2抑制了中华猕猴桃后熟过程中的生理生化变化，如抑制了呼吸和乙烯的上升，硬度的下降及可容性固形物的增加等。低氧保持了猕猴桃果实的良好品质。 20% CO2短期处理，抑制了呼吸作用，但刺激了乙烯的产生，同时加速了果实软化和腐烂的产生，表明中华猕猴桃对高CO2敏感，20%的浓度足可以产生伤害。

不同的成熟度和高CO2处理对山楂采后生理生化的影响

早采的山楂果实在贮存8个月之后可售率为98.7%，而晚采的为65.4%。在贮藏过程中对它们的乙烯释放率、呼吸强度、可滴定酸、Vc、可溶性固形物、可溶性果胶和原果胶、淀粉粒、色度进行了分析、观察和测定，发现早采的果实比晚采的衰老速率慢，因此贮存期长，品质保存得好。 我们还应用高CO2处理的短期气调与MA气调相结合进行了实验。发现采收2周后用10% CO2处理2小时，效果很明显。经高CO2处理的果实贮存8个月可售率为93.4%，而对照为65.4%，而且经CO2处理的果实可滴定酸和Vc都较高，可溶性固形物较低，PPO活性在体外比对照低60%。虽然CO2处理对乙烯产生有一定的刺激作用，但对呼吸作用有所抑制。

CO2倍增对禾本科植物幼苗形态结构的影响

本论文为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”的部分研究内容。 本文对C02正常浓度(350ppm)和C02倍增(700ppm)条件下，小麦（Triticum, aestivum）、半野生小麦(Triticum aestivum spp．tibeticumShao)、大麦（Hordeum vulgare）、野大麦（Hordeum brevisubulalum）、水稻（Oryza sativa,）、野生稻（Or7za sativa ssp．）、谷子（Setaria italica）、狗尾草（Setaria viridis）、高粱（Sorghum vulgare）、玉米（Zea mays）、旱雀麦（Bromus tectorum）、旱麦草（Eremopyrum triticeum）等12种禾本科植物幼苗的叶片厚度、叶肉细胞密度、维管束鞘细胞中的叶绿体数、叶肉细胞中的叶绿体数、表皮细胞密度、气孔密度、气孔指数、气孔长度、气孔阻抗及平均株高、鲜重、茎秆直径、根的直径、种子的萌发率及叶绿体超微结构等进行了比较研究。 结果表明，C02倍增使不同种类、不同测试项目反应不一。总体上看，CO2浓度倍增，使10种禾本科植物（野大麦、玉米外）的吐片厚度普遍增加。除个别种类外，C4种类的平均株高、鲜重、根直径倍增组比对照组减小;气孔平均密度增加，而C3种类则呈相反趋势o C4种类比C3种类的叶片气孔开度对C02倍增反应更为敏感。在高浓度C02条件下，C4种类的叶绿体超微结构变化较明显，淀粉粒显著增加。野生种类的表皮细胞密度，叶肉细胞密度，维管束鞘细胞中的叶绿体数及茎秆直径，C02倍增组比对照组减少，栽培种类则显著增加。气孔密度与气孔指数基本呈正相关;而气孔长度与气孔密度则大体上呈负相关。 文中对高浓度C02条件下，供试植物形态结构的变化和规律，及全球大气变化对未来农业可能产生的影响进行了讨论。

几种作物非叶器官结构和功能的研究

本论文以小麦、水稻等几种重要经济作物为材料，应用透射电镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜以及氧电极，低温荧光等生理技术手段，对作物非叶器官的结构和主要生理特性进行了较全面和系统的研究。其中，比较分析了非叶器官叶绿体超微结构的差异，测量了非叶器官的放氧和低温荧光等生理指标，尝试从结构与功能相结合的角度，探讨非叶器官在提高作物产量中所起的重要作用。 首先以不同品种的小麦为实验材料，对其主要非叶器官－茎秆，从解剖结构、木质素含量、以及抗倒伏的力学特性等方面做了详细的比较研究。结果表明：高产小麦品种茎秆的秆壁厚度、茎截面积、机械组织厚度及细胞层数、维管束与其韧皮部的截面积等，均明显优于一般小麦品种。在茎秆薄壁组织细胞、机械组织细胞（厚壁组织细胞）和维管束的木质素含量上，高产品种也显著高于对照品种。另外，通过分析证明，小麦植株抗倒伏的能力与其茎秆高度、直径和髓腔直径等均有密切关系。因此，在超高产小麦品种的选育上，重视外源基因的引进，改进茎秆的结构特性及提高其木质素含量，可能是一个重要的选育方向。 气孔是植物器官吸收CO2 和放出O2 的主要通道，对光合作用的强弱有着决定性的作用。因此，对非叶器官表面气孔的研究显得尤为重要。通过对几种作物非叶器官气孔频度、气孔大小和气孔指数的研究，结果发现，非叶器官的气孔频度均较对应功能叶低;而气孔大小和气孔指数则变化较大。另外，本文还着重讨论了非叶器官气孔频度对作物光合作用的影响，并提出了在非叶器官中可能存在与此相适应的未知的光合类型 叶绿体是作物进行光合作用的场所，通过对小麦、水稻非叶器官及功能叶叶绿体超微结构的比较研究，发现非叶器官单个光合细胞中叶绿体的数量较少，体积也较小。其中小麦芒和颖片有发育较好的叶绿体结构，其基粒数可达普通叶的水平，但比旗叶少;外稃和穗轴都有完整的基粒跺叠，只是跺叠的数量较少;而内稃基粒少，基粒内囊体跺叠不整齐。随着小麦芒的衰老过程，其中叶绿体的数量也随之减少，并且这种减少的趋势在旗叶中先发生。非叶器官中叶绿体超微结构的这种变化和差异，暗示着非叶器官可能在作物的不同发育时期，对籽粒有重要作用。 通过对非叶器官和功能叶光合特性的比较研究，发现不同种作物非叶器官具有与功能叶不同的光合特性。在436nm 激发光下，非叶器官的F686／F734 明显高于旗叶;若以放氧为标准，比较功能叶和非叶器官的光合活性，发现以叶绿素为单位，非叶器官的放氧速率与旗叶相当，或甚至高于旗叶;以单穗为单位，最高可相当于旗叶的28％。另外，比较不同发育时期芒和旗叶的放氧速率，发现芒在作物的衰老后期，仍保持较高的光合活性。

冬枣果实对不同贮藏条件的生理反应及耐贮性研究

本文以我国特有的冬枣果实为试材，系统地研究了冬枣果实在室温、低温和不同O2和CO2浓度气调贮藏条件下的生理特性、风味品质和贮藏性，提出了适合于冬枣果实生理特性的气调指标和贮藏时间;分析了冬枣在不同贮藏条件下果实硬度、颜色、叶绿素和花青素、可溶性固形物、可滴定酸、Vc、乙醇和乙酸乙酯等物质成分的含量变化及与果实风味品质的关系;同时也分析了多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）和脂氧合酶（LOX）的活性变化情况以及丙二醛（MDA）含量和膜透性的变化情况，揭示了它们与冬枣果实转红、酒化、褐变、软化、衰老、及耐贮性的关系。对冬枣果实在气调贮藏中的生理反应和品质变化的研究，为形成冬枣果实采后商业化贮藏的系列配套技术提供了理论依据。试验结果表明： 1、冬枣果实在不同贮藏环境下品质的变化：随着贮藏时间的延长，冬枣果实Vc含量呈明显下降的趋势，CA处理能有效地抑制果实Vc含量的下降;不同贮藏条件对冬枣果实SSC影响不大;冬枣果实花青素的含量随贮藏时间逐渐下降，高O2浓度（70%）动态气调与其它处理相比，能更有效保持冬枣果实果皮的颜色及花青素和叶绿素的含量，以及果实的亮度、颜色饱和度和色度;同时，还能降低贮藏前期冬枣果实乙醇释放量。 2、冬枣果实在不同贮藏环境下生理的变化：（1） PG 酶是影响冬枣果实软化的主要因素，冬枣果实中存在内切和外切两种PG 酶，在冬枣果实的成熟过程中，Exo-PG和Endo-PG迅速积累，并呈现较高的活性，多聚半乳糖醛酸酶活性与冬枣果实的软化密切相关。CA贮藏与普通冷藏相比，可有效地抑制冬枣果实多聚半乳糖醛酸酶的活性和延缓果实软化，其中以5% O2的CA贮藏的效果最好。（2）膜质过氧化是造成冬枣果实褐变的主要因素，在室温下冬枣果实细胞膜透性随贮藏时间逐渐上升，CA贮藏在贮藏前中期可有效控制MDA含量的上升和果实褐变的发生，有利于降低膜脂过氧化程度，保护细胞膜结构并延缓果实衰老。冬枣果实褐变与PPO活性关系不大，但与膜透性及膜质过氧化作用的产物—丙二醛（MAD）含量变化显著相关。（3）冬枣果实采收时的SOD活性很低，在25 C下，果实SOD活性急剧上升，低温贮藏条件下，果实SOD活性出现两次高峰，第一次高峰为果实后熟的标志，第二次高峰标志着果实的衰老。（4）在不同贮藏条件下，冬枣果实PAL活性均随贮藏期的延长而呈现下降趋势。 3、影响冬枣果实贮藏性的生理因素：冬枣果实的衰老与活性氧代谢失调和防御体系活力下降有关，随着果实衰老的出现，果实的POD、CAT等保护酶活性均呈现明显下降的趋势。气调贮藏在前期能显著提高冬枣果实POD的活性，而在后期又显著抑制了POD活性的上升，说明POD在果实贮藏初期表现为保护效应，而在后期则表现为伤害效应。 4、冬枣果实适宜的贮藏条件：与普通冷藏相比，气调贮藏（CA）能明显地延缓果实衰老，减少腐烂和褐变，保持风味品质和延长贮藏时间。其中以较高O2浓度的（10% O2 + 0% CO2）气调贮藏效果最好。气调贮藏与杀菌剂配合有利于延长冬枣的贮藏期，0.1%的施保克和0.1%戴挫霉处理能有效控制冬枣果实贮藏期间的腐烂，延长贮藏时间，施保克的防腐效果好于戴挫霉。 5、拮抗菌和病原菌处理对冬枣果实抗性相关酶的诱导：接种拮抗菌+病原菌或只接种病原菌能诱导冬枣果实蛋白含量的显著升高，说明拮抗菌和病原菌处理诱导了果实病原相关蛋白的积累。在常温条件下，拮抗菌和病原菌处理抑制了冬枣果实的CAT酶活性，诱导了SOD和POD活性的上升。同时果实的蛋白含量也显著升高。在低温条件下，CAT和SOD活性受抑制，POD、PPO和 PAL活性被诱导并显著高于正常果实。这说明拮抗菌处理的冬枣果实可能通过加强氧化酶活性的方式来达到抗病的效果。拮抗菌和病原菌处理后，该部分组织的氧化酶活性加强，它们可以分解毒素，促进伤口愈合，抑制病原菌水解酶活性，从而抵抗病害的扩展。PAL是催化莽草酸途径的关键酶，可合成酚、植保素和木质素，而这些物质均与植物抗性有关。

海藻糖提高酵母拮抗菌生活力和生防效力的作用机制

近年来，利用酵母拮抗菌进行果实采后病害的生物防治已经成为果实采后领域的研究热点。但是，在实际应用中生物拮抗菌制剂的防病效果远不如化学药剂稳定。由于生物拮抗菌是活体，生活力和生防效力易受诸多因素影响。在商品化制剂的剂型加工、销售、以及使用过程中的环境条件往往影响酵母拮抗菌的生活力和抑病能力，成为酵母拮抗菌产业化生产和商品化应用过程中的一个主要障碍。将酵母拮抗菌和其它化学物质配合使用可以提高拮抗菌的生防效力。另外，增加酵母拮抗菌对逆境条件的耐受力也是增加或稳定其防治效果的有效途径。本文研究了海藻糖与酵母拮抗菌生活力和生防效力的关系，通过生理手段提高了酵母拮抗菌内源海藻糖的含量，同时探讨了在多种逆境条件下内源海藻糖含量对酵母拮抗菌生活力和生防效力的影响及其作用机制。主要研究结果如下： 1. 以1 %海藻糖作为碳源培养酵母拮抗菌Cryptococcus laurentii可以提高其内源海藻糖含量。在in vitro试验中，提高内源海藻糖含量可以提高C. laurentii在低温（1 ºC）、气调（1 ºC，5 % O2，5 % CO2）条件下的生活力;在in vivo试验中，提高C. laurentii内源海藻糖含量可以提高其在苹果果实伤口上的种群密度和对苹果青霉病的防治效果。内源海藻糖的积累还能提高C. laurentii冷冻干燥后的生活力，海藻糖对酵母细胞质膜的保护作用可能是一个主要原因。 2. 以1 %海藻糖作为碳源能提高酵母拮抗菌Rhodotorula glutinis的内源海藻糖含量。内源海藻糖含量的增加可以提高C. laurentii和R. glutinis在慢速冷冻处理中的生活力。同时，海藻糖作为外源保护剂可以明显提高两种酵母拮抗菌在冷冻干燥处理后的生活力。在快速冷冻、慢速冷冻和冷冻干燥处理中，提高酵母拮抗菌的内源海藻糖含量并使用海藻糖作为外源保护剂可以获得更高的生活力。同时，这种内、外源保护因子的综合作用也可以提高两种拮抗菌在苹果果实伤口上的种群密度和对苹果青霉病的防治效果。 3. 脱脂牛奶和糖（葡萄糖，半乳糖，蔗糖，海藻糖）作为保护剂可以提高C. laurentii冷冻干燥后在常温（25 ºC）和低温（4 ºC）保存过程中的生活力。脱脂牛奶和糖保护剂的复合使用对C. laurentii的保护效果高于其单独使用的效果。通过对几种常用的碳源进行筛选，发现柠檬酸作为碳源对C. laurentii内源海藻糖的积累有明显的诱导作用。当使用相同的保护剂或保护剂组合时，高内源海藻糖含量的酵母拮抗菌生活力更强。当冷冻干燥前使用半乳糖 + 脱脂牛奶作为保护剂时，高内源海藻糖含量的C. laurentii在4 ºC保存90 天后对苹果青霉病的防治效果和与新鲜培养的酵母拮抗菌相当。 4. 酵母拮抗菌C. laurentii冷冻干燥后在常温(25 ºC)保存期间，细胞生活力下降，细胞膜的完整性降低，胞内活性氧水平增加，同时与抗氧化相关的超氧化物歧化酶（SOD）活性也增加，而过氧化氢酶（CAT）活性则下降。提高内源海藻糖含量和/或使用外源保护剂（5 %脱脂牛奶 + 10 %葡萄糖）可以减缓上述指标下降或上升的速度。内、外源因子的共同作用有利于提高对拮抗菌细胞的保护作用。 5. 利用褐藻酸钠制成的含酵母拮抗菌的胶球在干燥后能有效的保持C. laurentii的生活力。在3种不同粘度的褐藻酸钠中，0.5 % 3500 cp的褐藻酸钠表现出较好的保护效果。内源海藻糖的积累可以提高干胶球中C. laurentii的生活力，作为外源保护剂的4种糖（葡萄糖、半乳糖、蔗糖、海藻糖）中只有海藻糖在低温条件下可以提高C. laurentii的生活力，其它3种糖反而降低了C. laurentii的生活力。

拟南芥有性生殖模式和叶片特性对大气CO2浓度变化的响应

预计到本世纪末，大气CO2浓度将会增加到540～970ppm，大气CO2浓度升高所引起的全球气候变化已经受到广泛的关注。植物生长依赖CO2，并且对大气CO2浓度升高在结构和生理上产生响应。目前已有大量报道，从生态系统、群落、种群、个体、器官、组织、生理以及生化等水平上研究高浓度CO2所对植物产生的影响。但是有关高浓度CO2对植物有性生殖影响的报道却很少，同时多数实验均建立在短期的生殖响应，忽视了植物在长期高CO2浓度下具有的反馈作用和CO2浓度变化对植物的驯化作用。植物有性生殖与其生态适应性和农作物籽粒产量的关系极为密切;同时，植物有性生殖特性的变化，也可作为预测植物对全球气候变化响应的重要指标之一。为此，利用高浓度CO2对植物进行长期选择实验将很有必要。研究结果将为预测未来大气CO2浓度增加的条件下陆地生态系统的演变趋势、全球变化对植物有性生殖响应的方式和机制提供新的思路和有效方法。 　　在本研究中，我们以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)作为实验材料，利用370和700ppm CO2对其进行连续8个世代处理，首先研究高浓度CO2对每一个世代的拟南芥有性生殖特性的影响，然后比较各个世代中各种生殖特性指标变化的规律，从细胞、组织和个体尺度上揭示拟南芥有性生殖对全球变化的响应模式。此外，在700ppm CO2处理下，我们对拟南芥叶片生理、生化以及结构的变化进行了相关研究。两部分研究结果及主要结论如下： 　　首先，在每一个世代中，与370ppm CO2相比较，700ppm CO2处理显著促进了拟南芥开花，缩短生长周期，增加花、角果及种子等生殖的产量，降低种子N含量，提高种子C/N比、种子千粒重以及生殖生物量所占总生物量的比例等，而对种子萌发率、角果所含种子数目以及角果长度则无显著影响。但是， 通过对相同CO2浓度处理条件下，不同世代之间的研究结果比较发现，不同世代之间相关的生殖生物学指标并无显著差异。 　　其次，高浓度CO2显著降低叶片气孔密度、气孔指数、气孔导度以及蒸腾速率。在高浓度CO2处理下，叶肉细胞中叶绿体数目、叶绿体宽度和表观面积、淀粉粒大小和数量、叶片和细胞壁厚度等都显著增加，但是基粒内囊体膜的数量却显著下降。叶片中碳水化合物如可溶性总糖、淀粉以及纤维素含量在高浓度CO2下分别显著增加71.9%、78.7% 和 22.3%。此外，在高浓度CO2处理下，叶片中多数激素如如吲哚乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)、赤霉素(gibberellin, GA)、玉米素核苷(zeatin riboside, ZR)、二氢玉米素核苷(dihydrozeatin riboside, DHZR)和异戊烯基腺苷(isopentenyl adenosine, iPA)均都显著地增加，而脱落酸(abscisic acid, ABA)含量却有所下降。最后，叶片中各种矿物质元素含量如N、P、K、Ca和Mg等含量在高浓度CO2处理下也都显著下降，而C/N比增加24.8％。 　　以上结果表明： 　　(1) 在每一个世代中，700ppm CO2处理对拟南芥各种有性生殖特性具有显著的影响，但是高浓度CO2处理对植物所引起的效应在多个世代以内并不能够传递给后代，所以在多个有性生殖世代内，高浓度CO2处理对植物生长、生殖没有驯化作用。 　　(2) 在高浓度CO2处理下，拟南芥叶片中叶绿体超微结构的变化，可能主要是由于叶绿体中淀粉粒数量和体积大小显著增加而引起。 　　(3) 在高浓度CO2处理下，由于拟南芥叶片内与促进细胞分裂与伸长的激素含量显著增加，从而对拟南芥植株生长发育速率的提高起了重要的作用。 　　(4) 拟南芥生长在高浓度CO2条件下，其叶片中各种矿质元素含量（如N、P、K、Ca和Mg）均显著降低，究其原因可能是，第一由于叶片中碳水化合物含量的显著增加而对矿物质元素具有稀释作用;第二由于蒸腾速率下降，引起矿质元素从根部随着蒸腾流运输到地上部分的含量相应减少。