Self-formation of quasiperiodic void structure in CaF2 induced by femtosecond laser irradiation

We report the self-formation of quasiperiodic void structure with the length of several hundred micrometers inside the CaF2 crystal. The quasiperiodical voids along the propagation direction of the laser beam were formed spontaneously after the irradiation of a single femtosecond laser beam which was focused at a fixed point inside the crystal sample. The length of the void array varied with the focal depth beneath the sample surface. The possible mechanism of the self-formed void structure was discussed. (c) 2007 American Institute of Physics.

Self-organized microvoid array perpendicular to the femtosecond laser beam in CaF2 crystals

Microvoid arrays were self-organized when femtosecond laser beam was tightly focused at a fixed point inside CaF2 crystal sample. Except void array grown below the focal point which had been reported before, we found another void array grown vertical to the laser propagation direction. This result has potential application in the fabrication of integrated micro-optic elements and photonic crystals. The possible mechanism of the phenomenon was proposed and verified experimentally.

Self-adaptive optical systems for long-distance flying optics

The focusing characteristics of long-distance flying optics were studied systemically for TEMmn Gaussian beams. The results show that the ABCD law of parameter q can be extended to Gaussian modes of any order when waist radius w in the imaginary part of parameter q is replaced by Rayleigh range Z(R) of a certain resonator in the equation. The difference between the real focal length and the geometric focal length, defined as Delta f, was calculated for laser applications. A novel self-adaptive optical system was demonstrated for precisely controlling the focusing characteristics of long-distance flying optics, Theoretical analyses and experimental results were consistent. (c) 2006 Optical Society of America.

Encircled energy measurement for focusing lens based on scanning Hartmann test

The encircled energy of a focusing lens is one of the parameters directly affecting the target efficiency in high-power laser facilities. The direct measurement method of the encircled energy for the focusing lens based on the scanning Hartmann test is proposed in this paper. With the scanning Hartmann test setup, the information in the whole aperture of the focusing lens can be achieved. The encircled energy can be obtained by analyzing the spot diagram on the focal plane of the focusing lens. In experiments, the encircled energy of an aspheric focusing lens is measured using this method. The measurement result is in good agreement with that derived from measurement data by an interferometer and the difference is 7.7%. (C) 2006 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Nano-modification inside transparent materials by femtosecond laser single beam

Periodic nanostructures along the polarization direction of light are observed inside silica glasses and tellurium dioxide single crystal after irradiation by a focused single femtosecond laser beam. Backscattering electron images of the irradiated spot inside silica glass reveal a periodic structure of stripe-like regions of similar to 20 nm width with a low oxygen concentration. In the case of the tellurium dioxide single crystal, secondary electron images within the focal spot show the formation of a periodic structure of voids with 30 nm width. Oxygen defects in a silica glass and voids in a tellurium dioxide single crystal are aligned perpendicular to the laser polarization direction. These are the smallest nanostructures below the diffraction limit of light, which are formed inside transparent materials. The phenomenon is interpreted in terms of interference between the incident light field and the electric field of electron plasma wave generated in the bulk of material.

Periodic nanovoid structures via femtosecond laser irradiation

We have observed periodically aligned nanovoid structures inside a conventional borosilicate glass induced by a single femtosecond (fs) laser beam for the first time, to our knowledge. The spherical voids of nanosized diameter were aligned spontaneously with a period along the propagation direction of the laser beam. The period, the number of voids, and the whole length of the aligned void structure were controlled by changing the laser power, the pulse number, and the position of the focal point.

Thermal stress-induced birefringence in borate glass irradiated by femtosecond laser pulses

Thermal stress-induced birefringence in borate glass which has been irradiated by 800-nm femtosecond laser pulses is observed under cross-polarized light. Due to the high temperature and pressure formed in the focal volume, the material at the edge of the micro-modified region is compressed between the expanding region and the unheated one, then stress emerges. Raman spectroscopy is used to investigate the stress distribution in the micro-modified region and indicates the redistributions of density and refractive index by Raman peak shift. We suggest that this technique can develop waveguide polarizers and Fresnel zone plates in integrated optics.

近红外超快强激光在LiF晶体内空间选择性诱导产生色心

通过显微镜聚焦近红外超快强激光作用在垂直于激光束移动的LiF晶体样品上，在LiF晶体中连续地诱导产生色心。以一定的间隔．反复移动该激光束的焦斑可在LiF晶体内空间选择性地诱导产生稳定的色心区。测定了不同条件下形成的色心区的吸收光谱，结果表明用近红外超快强激光可在LiF晶体中诱导产生具有激光效应的色心。

基于TCP和MYB基因的表达模式，试探四数苣苔（Bournea sinensis）(苦苣苔科)中次生辐射对称花形成的进化发育途径

花对称性，作为花器官的一个基本而又非常重要的特征，它的进化发育过程，越来越吸引着科学家们的注意力。次生辐射对称花的形成也越来越受到关注。然而在分子发育水平上，除了模式植物金鱼草（Antirrhinum majus）和少数其他种外，次生辐射对称花演化的机制仍然是一个巨大的未被探索的领域。 在金鱼草和柳穿鱼（Linaria vulgaris）中，腹部化反常整齐花的形成各自是由CYC和LCYC基因沉默所致，二者基因沉默分别是由于转座子的插入和DNA广泛甲基化所导致;而在豆科（legumes）中，辐射对称花的形成是由于legCYC基因在五个花瓣上都有表达，这种情况和金鱼草中CYC基因同源异位表达所形成的背部化辐射对称花相似。然而，自然起源的两侧对称花支系中的次生辐射对称花的形成似乎并不是简单的花对称性基因功能丢失或获得。自然形成的次生辐射对称花究竟可能经历了怎样的进化途径？对此，我们选择了广义唇形目（Lamiales sensu lato）中苦苣苔科（Gesneriaceae）植物——四数苣苔（Bouenea sinensis）作为研究对象，通过和模式植物金鱼草的突变体中花对称性基因表达特征比较，结合其近缘种——五数苣苔（Bournea leiophylla）中DIVARICATA在时间和空间上的表达特征，试图揭示苦苣苔科中可能的两侧对称向次生辐射对称花转变的新的演化途径，以及在这种进化过程中所产生的可能的器官丢失或融合现象。 四数苣苔和五数苣苔同属于苦苣苔亚科（Cyrtandroideae）苦苣苔族（Trib.Ramondeae Eritsch）中的四数苣苔属（Bournea Oliv）。该属仅仅有两个种——四数苣苔和五数苣苔，它们都是次生辐射对称花类群中的典型代表，而且两者花发育过程都显示出了由腹部向背部顺序发生和生长的特征。然而和五数苣苔相比，四数苣苔花瓣和雄蕊数目分别少了一枚，拥有四枚花瓣（背部花瓣两枚、两侧花瓣两枚）和四枚雄蕊（背部雄蕊一枚、两侧雄蕊两枚、腹部雄蕊一枚）。从形态特征比较来看，很有可能是四数苣苔在次生辐射对称花形成的过程中，发生了腹部花瓣的丢失和两枚腹部雄蕊愈合成了一枚较大的腹部雄蕊。那么，我们推测在四数苣苔次生辐射对称花形成过程中，花对称性基因即CYC类和DIV类基因在分子水平上发生了变化，这种变化和四数苣苔中次生辐射对称花的形成有关。 基于上述考虑，我们开展了对四数苣苔中花对称性基因——BsCYCLOIDEA、BsDIVARICATA、BsRADALIS以及BsCYCLIND3四个基因共9个拷贝进行了在花组织中表达模式研究。我们在四数苣苔中共分离到了五个拷贝的CYC类基因，分别命名为BsCYC1C-1、BsCYC1C-2、BsCYC1D、BsCYC2A、BsCYC2B。这五个拷贝在保守的TCP区和R区保持了高度的同源性。BsDIV的两个拷贝BsDIV1、BsDIV2也是如此，在保守的两个区domain I、domain II，尤其是在那些螺旋和环结构处，保守性相当高。组织原位杂交结果显示，BsDIV在四数苣苔中的表达非常特别，在金鱼草和五数苣苔中该类基因的表达分两个不同时期，即早期表达和晚期特异性表达，BsDIV在四数苣苔中似乎没有早期表达模式或者在很早期就已经进入到了晚期的表达模式。它在四个花瓣的两侧边缘和四个雄蕊上均等表达，而且这种表达持续时间相对比较长。组织原位杂交结果也得到了RT-PCR结果的支持。有趣的是BsRAD的RT-PCR结果显示，BsRAD在晚期花瓣上只在背部表达，但是在雄蕊上的表达却和金鱼草中AmRAD在背部区域表达不同，它的表达从背部延伸到了两侧和腹部。BsRAD在花器官的第二轮和第三轮的表达显然发生了分化。这种现象可能暗示着BsRAD功能发生了分化。BsRAD和BsDIV在腹部雄蕊上精细的时间空间调控关系可能正是导致腹部雄蕊愈合的原因。RT-PCR结果并没有检测到BsCYC2在晚期花上的表达。原位杂交结果显示BsCYC2在第8期以后表达就基本消失了，从而验证了RT-PCR结果。BsCYC2在早期花原基和早期花器官上都是均匀表达，但在表达消失之前，它在花瓣裂片和花冠筒的分界处则有表达信号，BsCYC2可能和调控花冠筒高度有关。根据Almeida 和 Galego（2002）所说，花冠筒高度的改变依赖于CYC 、DIV基因和其它非主动生长决定因子之间的相互作用。BsCYC1C晚期的RT-PCR结果显示它在背部花瓣、背部雄蕊和两侧雄蕊上均有表达信号，但在腹部花瓣和雄蕊上则没有表达信号，这似乎和四数苣苔由腹部向背部顺序发育的形态特征相符合，说明BsCYC1C可能起到了抑制背部花瓣和背部雄蕊生长的作用。

影响圆叶牵牛(Ipomoea purpurea)花中花青素含量的因子研究

表型是基因型和环境共同作用的结果，环境对物种进化起到了至关重要的作用。虽然人们已经知道环境因子会影响植物花青素的最终含量，但这样的影响是如何在自然环境中进行的仍是未知。较之以前泛泛研究经济作物或模式植物的花青素总含量与人工环境变量的关系的工作，本文探讨环境变化对半野生的圆叶牵牛自然状态下不同基因型植株、不同花青素的影响。 65株取自全国各地包括3种颜色8种基因型的圆叶牵牛被分别种到了温室和室外，温室32株，室外35株，用高效液相 (HPLC) 的方法检测盛花期 (07年9月-10月) 圆叶牵牛花中花青素的含量，同时每天分早中晚采集3次温室和室外的环境数据-照度、紫外线强度、温度、湿度。记录每朵花着生高度、朝向、当天植株开花数、植株根茎、植株生长天数等个体信息。 通过保留时间、紫外-可见吸收光谱数据、质谱数据以及参考文献确定了圆叶牵牛花瓣中主要的5种花青素，包括三个矢车菊素 (CY) 和两个天竺葵素 (PG)，根据它们所含的咖啡酸和葡萄糖基的个数将它们简写成CY3C4G、CY2C4G、CY3C5G、PG2C4G、PG3C5G。CY2C4G和CY3C4G仅在蓝紫色花中大量存在，PG2C4G及PG3C5G仅在粉色花中大量存在，CY3C5G在两种颜色的圆叶牵牛花中均有存在。 温室和室外的四个环境因子有显著差异，平均照度室外为温室的3.06倍，平均紫外线强度为温室的5.39倍。Z 检验表明，蓝紫色花中的CY3C5G在温室内外没有显著差异 (P=0.3070)，而温室内的CY2C4G (P<0.0001) 和CY3C4G (P<0.0001) 含量明显的低于室外，粉花中CY3C5G和PG3C5G在温室 (P=0.4533) 和室外 (P=0.9577) 没有显著差异，PG2C4G在温室内含量明显 (P=0.0003) 低于室外。 通过Kruskal- Wallis 检验,不同基因型植株各种花青素的相对含量显著不同 (P<0.0001)。室外不同基因型植株的花青素绝对含量显著不同 (P<0.0001)。温室不同基因型植株中，CY2C4G (P=0.0224) 和CY3C4G (P=0.0017) 的绝对含量显著不同，显著性比室外的低些。CY3C5G不同基因型的绝对含量有差异，但是差异不显著 (P=0.0633)。基因型对植株中各个花青素相对含量的影响是尤其显著的，基因型对于花青素绝对含量的影响，可能是基因型直接作用和不同基因型对环境差异的不同响应两方面造成的，所以在环境变异稍大的条件下，基因型更加能显示出它对花青素的含量的影响。 植株的生长天数与粉色圆叶牵牛的PG2C4G、PG3C5G以及蓝紫色圆叶牵牛的三个花青素呈一定的正相关，当天开花数对粉色花的PG3C5G以及蓝紫色花的三个花青素呈负相关，花的朝向 (北-东-南-西-北 对应数值为0-90-180-90-0)，对粉花的PG2C4G以及蓝紫花的CY2C4G和CY3C4G 呈正相关，植株大小对粉花的PG2C4G、PG3C5G以及蓝紫花的CY3C5G呈负相关。花所着生的高度对两种颜色花的影响是不同的，与蓝紫花的三个花色素呈负相关，对于粉色的PG2C4G、CY3C5G呈正相关。

拟南芥功能获得突变体sef的研究

植物顶端分生组织中干细胞数量的维持对于侧生器官的发生至关重要。在干细胞的基因调控网络中WUSCHEL (WUS) 是一个关键成员，围绕该基因形成两个反馈调节环，控制分生组织中干细胞群的平衡。 　　论文分析了用激活标签法 (activation tagging) 获得的突变体sef (stem-ecotopic-flowers)，其最大的表型特点是花序轴上产生异位花和幼苗下胚轴增长。本论文就此两个表型产生的机理进行了探索，以期了解WUS基因的新功能。 　　对sef的表型观察发现异位分生组织不仅在花序轴上出现，而且也出现在叶柄、叶片、托叶叶腋内、花梗、花梗腋内以及花器官上。组织切片结果表明花序轴上的异位分生组织起源于已经分化的皮层细胞。对突变体的分子鉴定证明T-DNA是以单拷贝插入到WUS起始密码子上游810 bp处。对插入位点上下游各10 kb的4个基因在花序轴中的表达水平进行了分析，结果表明只有WUS基因的表达量升高，说明增强子只对WUS基因发挥了激活作用，暗示了WUS基因过表达与异位花之间存在某种联系。转35S::WUS的拟南芥幼苗下胚轴与根部出现异位的生长点;WUS被诱导表达的突变体pga6-1花序轴上出现异位花芽，证实sef的表型是由WUS超表达所导致。利用组织原位杂交和RT-PCR分析了WUS、CLAVATA3 (CLV3)、LEAFY (LFY) 与AGAMOUS (AG) 在异位分生组织中的表达模式与表达水平，结果表明WUS、CLV3、LFY、AG在花序轴表皮以下皮层中异位表达。这些结果表明WUS能激活CLV3异位表达，从而在已经分化的皮层中重新产生具有分生组织特征的细胞，同时WUS异位激活AG的表达并使LFY也在这些异位的分生组织中表达，这些分生组织发育方向被LFY与AG所决定，最终发育为异位花器官。 　　sef突变体另外一个突出的表型是幼苗的下胚轴增长。对幼苗期下胚轴以及胚胎4个时期的胚干细胞数进行统计，结果表明下胚轴与胚干细胞数目都呈现出sef比野生型多而wus-1比野生型少的趋势，因此sef幼苗下胚轴增长是由于细胞数目改变引起的。进一步分析发现这种区别是由于胚胎早期（授粉后1~3天）胚干细胞分裂速率的差异所造成的。利用基因芯片杂交分析突变体的基因表达谱，结果发现许多与细胞分裂相关的基因在sef中表达水平升高。RT-PCR证实这些基因在胚胎时期的表达水平升高，说明胚胎早期胚干细胞分裂速率的不同导致了幼苗下胚轴的异常。 　　综上所述，我们的研究结果揭示了sef异常表型的产生的可能机制。在已经分化的皮层中激活标签介导的WUS超表达激活干细胞标志基因之一CLV3和花器官基因AG，并使LFY异位表达，重新产生具有分生组织特征的细胞，这些分生组织的发育方向被LFY和AG所决定，最终发育为异位花。在sef的早期胚胎中，WUS表达增强使细胞分裂相关基因表达水平升高、细胞分裂增快，说明WUS与细胞周期相关基因的调控存在某些联系。 　　本论文的创新之处在于首次提出WUS表达增强能在分化的组织中产生具有分生组织特征的细胞以及WUS调控细胞分裂的结论。 　　

显花植物器官形成激素调控的分子机理研究

本论文以显花植物水稻和拟南芥为对象，研究植物器官形成激素调控的分子机理。发现拟南芥干细胞决定基因WUS和ABA信号关键调节因子ABI3间存在相互调节关系，它们对质体和根毛发育等具有调控作用；运用细胞学手段对OsAGAP和OsRMC调控根发育的机理进行了研究。这些结果为了解ABA、生长素和JA等激素对分生组织或根等器官的形成的调控机理提供了新资料。 拟南芥WUS基因是一个重要的干细胞决定基因。在茎尖分生组织和花分生组织的动态平衡调节中各存在一个反馈调节环：WUS促进CLV3的表达，而CLV3 反馈抑制WUS表达，它们共同决定干细胞的数目；在WUS+LFY 和AG之间也存在一个类似的反馈环，负责花器官的正常启动和终止。本工作发现在外源ABA 存在下，拟南芥WUS功能获得突变体sef (stem ectopic flowers)子叶黄化过程受到抑制，即sef突变体对ABA 的敏感性降低，而且在sef突变体中ABI3转录水平下调，说明WUS 抑制ABI3的表达。另一方面，在abi3突变体中WUS转录水平下降，启动子分析发现WUS是ABI3所在的B3结构域家族基因的靶基因，酵母单杂交实验表明B3家族蛋白FUS3可以与WUS调控区结合；外源ABA 处理pWUS::GUS植株发现ABA可使WUS异位表达，暗示受ABA信号诱导的B3类转录因子可与WUS调控区结合，从而促进WUS的表达。这些结果支持ABI3/WUS间的反馈调节机理，该调节环可能参与调控拟南芥质体和根毛发育等过程。 双子叶和单子叶植物的发育和器官形成高度依赖生长素极性运输（PAT）， 生长素输入和输出载体的准确定位对于极性运输的正常进行是必要的。在双子叶模式植物拟南芥中，生长素输出载体PIN1的转运和定位受小G蛋白ARF鸟苷酸转换因子GNOM介导。本实验室克隆到一个水稻ARF GAPase激活蛋白OsAGAP， 其超表达引起PAT改变且干扰主根和侧根的发生及发育。前期生理实验显示超表达植株侧根的表型可被膜渗透性生长素NAA恢复，但不能被载体依赖型生长素IAA和2, 4-D恢复。为了解释OsAGAP过表达引起根系发育受到抑制的表型，本工作主要从细胞学角度继续深入分析OsAGAP介导生长素运输的机理。实验发现，OsAGAP超表达植株中AUX1在细胞中分布改变；生长素输出载体PIN1和PIN2的定位不受影响；该基因的超表达使囊泡聚集，形成类似囊泡运输抑制剂BFA处理后的结构；OsAGAP与细胞转运系统中的高尔基体存在部分共定位。以上结果表明OsAGAP调节小G蛋白Arf的活性，参与调控生长素极性运输过程，进而调控根系发育。通过对JA诱导的OsRMC蛋白的膜定位分析及转基因植株根中JA合成水平的测定，为研究此蛋白参与JA信号、调控根系发育提供了直接证据。 此外，论文还对拟南芥STAR2基因的功能进行了一定的初探。