Routing scheme, permutation properties, and optical implementation of a four-shuffle-exchange-based Omega network

The routing scheme and some permutation properties of a four-shuffle-exchange-based Omega network are discussed. The corresponding optical setup, which is composed of 2-D phase spatial light modulators and calcite plates, is proposed and demonstrated through mapping the inputs to a 2-D array. Instead of one shuffle-exchange followed by one switching operation as in ordinary Omega networks, in our presented system, the shuffle interconnection embraced in the switches is accomplished simply by varying the switching structure of each stage. For the proposed polarization-optical modules, the system is compact in structure, efficient in performance, and insensitive to the environment. (C) 1997 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Phase unwrapping based on branch cut placing and reliability ordering

A new 2-D quality-guided phase-unwrapping algorithm, based on the placement of the branch cuts, is presented. Its framework consists of branch cut placing guided by an original quality map and reliability ordering performed on a final quality map. To improve the noise immunity of the new algorithm, a new quality map, which is used as the original quality map to guide the placement of the branch cuts, is proposed. After a complete description of the algorithm and the quality map, several wrapped images are used to examine the effectiveness of the algorithm. Computer simulation and experimental results make it clear that the proposed algorithm works effectively even when a wrapped phase map contains error sources, such as phase discontinuities, noise, and undersampling. (c) 2005 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Phase unwrapping based on branch cut placing and reliability ordering

A new 2-D quality-guided phase-unwrapping algorithm, based on the placement of the branch cuts, is presented. Its framework consists of branch cut placing guided by an original quality map and reliability ordering performed on a final quality map. To improve the noise immunity of the new algorithm, a new quality map, which is used as the original quality map to guide the placement of the branch cuts, is proposed. After a complete description of the algorithm and the quality map, several wrapped images are used to examine the effectiveness of the algorithm. Computer simulation and experimental results make it clear that the proposed algorithm works effectively even when a wrapped phase map contains error sources, such as phase discontinuities, noise, and undersampling. (c) 2005 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

One-shot parallel complex Fourier-domain optical coherence tomography using a spatial carrier frequency

We propose a novel method of one-shot parallel complex Fourier-domain optical coherence tomography using a spatial carrier frequency for full range imaging. The spatial carrier frequency is introduced into the 2-D spectral interferogram in the lateral direction by using a tilted reference wavefront. This spatial-carrier- contained 2-D spectral interferogram is recorded with one shot of a 2-D CCD camera, and is Fourier-transformed in the lateral direction to obtain a 2-D complex spectral interferogram by a spatial-carrier technique. A full-range tomogram is reconstructed from the 2-D complex spectral interferogram. The principle of this method is confirmed by cross-sectional imaging of a glass slip object. (c) 2008 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Spatiotemporal segmentation based on two-dimensional spatiotemporal entropic thresholding

A novel spatiotemporal segmentation technique is further developed for extracting uncovered background and moving objects from the image sequences, then the following motion estimation is performed only on the regions corresponding to moving objects. The frame difference contrast (FCON) and local variance contrast (LCON), which are related to the temporal and spatial homogeneity of the image sequence, are selected to form the 2-D spatiotemporal entropy. Then the spatial segmentation threshold is determined by maximizing the 2-D spatiotemporal entropy, and the temporal segmentation point is selected to minimize the complexity measure for image sequence coding. Since both temporal and spatial correlation of an image sequence are exploited, this proposed spatiotemporal segmentation technique can further be used to determine the positions of reference frames adaptively, hence resulting in a low bit rate. Experimental results show that this segmentation-based coding scheme is more efficient than usual fixed-size coding algorithms. (C) 1997 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

UV-blue upconverted emission from Nd3+-doped InF3-based heavy-metal fluoride glasses for blue upconversion fibre laser

We report spectral properties and thermal stability of Nd3+-doped InF3-based heavy-metal fluoride glasses. Fluoroindate glasses in the chemical compositions (in mol%) of (38-x)InF3-16BaF(2)-20ZnF(2)-20SrF(2)-3GdF(3)-1GaF(3-)2NaF-xNdF(3) (x = 0.1, 0.5, 1, 2, 3) have been prepared under a controlled atmosphere in a dry box. Strong UVblue upconversion emission from a green excitation wavelength has been observed and the involved mechanisms have been explained. Near-infrared emission occurs simultaneously upon excitation of the UV-blue upconversion emissions with a cw Ar(+)laser. The upconversion spectra have revealed four dominant emissions at 354, 380, 412 and 449 nm, which belong to the transitions of D-4(3/2) -> I-4(9/2), D-4(3/2) -> I-4(11/2) and P-2(3/2) -> I-4(9/2), D-4(3/2) -> I-4(13/2) and P-2(3/2) -> I-4(11/2), D-4(3/2) -> I-4(15/2) and P-2(3/2) -> I-4(13/2), respectively.

横断山区的翠雀属植物:分类学和细胞学

翠雀属Delphinium L.是毛茛科中的一个大属，全世界有300－400 余种，广布于北半球温带地区。我国是世界上记载翠雀属植物种类最多的国家，尤以西南横断山区种类最为丰富。 通过文献查阅、标本室研究和野外考察，本文对我国特别是横断山区翠雀属植物的主要形态性状在居群间和居群内的变异式样进行了初步分析，认为根的形态、叶的分裂程度、植株尤其是花序轴和花梗被毛与否以及毛被类型、小苞片的形状和位置、退化雄蕊的颜色、上萼片的形状、心皮数目和种子形态特征是比较可靠的分类性状。但性状之间的相关性往往较小，即使是通常比较稳定的分类性状有时也表现出不同程度的变异，因此同一性状对于不同等级分类群的划分和在不同分类群中的分类价值常不一样。在具体的分类处理中，应具体情况具体分析，尽可能利用较多的分类学性状或性状组合。 根据上述对我国翠雀属植物主要形态性状变异式样的理解，本文主要对我国西南横断山区及其邻近一些地区的翠雀属植物进行了力所能及的分类修订：将42 种和22 变种降为异名，提出2 新组合(毛梗黑水翠雀D. potaninii var. mollipes　(W. T. Wang) Q. Yuan & Q. E. Yang 和腺毛康定翠雀D. tatsienense var. pseudomosoynense (W. T. Wang) Q. E. Yang & Q. Yuan)，澄清了直距翠雀D. tenii Lévl. 的名实问题和Munz 等学者对我国翠雀属植物标本的鉴定错误以及由此引起的我国有关翠雀属植物的地理分布的混乱; 另有两种( 硕片翠雀D. grandilimbum W. T. Wang & M. J. Warnock 和永宁翠雀D. yongningense W. T. Wang & M. J. Warnock)因未见到模式标本，故暂存疑。本文讨论到的我国翠雀属植物共有87 种、10 变种。 为了在染色体水平上了解横断山区翠雀属植物的物种形成和分化，同时增加对整个翠雀族tribe Delphineae Warming 植物染色体进化的理解，本文报道了我国主要采自该地区的乌头属Aconitum L. 30 种、1 变种共40 个居群和翠雀属 48 种、3 变种共87 个居群的染色体数目，分析了30 种、1 变种乌头属植物和 46 种、3 变种翠雀属植物的核型，发现46 种、3 变种翠雀属植物为二倍体(2n = 2x=16)，1 种(黄毛翠雀D. chrysotrichum Finet & Gagnep.)为四倍体(2n = 4x =32)，1种(螺距翠雀D. spirocentrum Hand.-Mazz.)有二倍体和四倍体两种细胞型，3 种(宽距翠雀D. beesianum W. W. Smith、裂瓣翠雀D. mosoynense Franch.和康定翠雀 D. tatsienense Franch.)的个别居群有B 染色体出现。这表明横断山区翠雀属植物的物种形成主要在二倍体水平上进行。可能由于核型直向选择（karyotypic orthoselection）的结果，我国翠雀属植物的核型就整体情况而言在属内相当一致，属内核型分化不如乌头属中明显，外部形态上显得最为原始的种类如短距翠雀 D. forrestii Diels 和毛翠雀D. trichophorum Franch.的核型与其他多年生种类的核型相比并无明显区别。尽管如此，翠雀属植物的核型在属内仍表现出一定程度的分化：在多年生种类中，大理翠雀群(D. taliense group)的种类的染色体内部不对称性(intrachromosomal asymmetry) 程度较高, 但染色体之间的不对称性 (interchromosomal asymmetry)程度偏低;一年生种类与多年生种类相比，我国唯一的一年生种还亮草D. anthriscifolium Hance 染色体之间不对称性最高，该种染色体内部不对称性程度在翠雀族中也偏高，因此就其核型的整体不对称性程度而言，在翠雀属乃至整个翠雀族中最高，而地中海分布的一年生种类的染色体内部不对称性明显增强, 但染色体之间的不对称性在翠雀族中最低。这种核型分化的系统学和生物地理学意义尚不清楚，以后需进一步研究。与乌头属相比，翠雀属植物的染色体通常较小，核型中st 染色体明显增多（可达6 对），核型的整体不对称性程度逐渐增强; 虽然乌头属牛扁亚属Aconitum subgen. Lycoctonum (DC.) Peterm.的二倍体种类也一般具有较多的st 染色体（4 对），但这些st 染色体比乌头亚属Aconitum L. subgen. Aconitum和露蕊乌头亚属Aconitum subgen. Gymnaconitum (Stapf) Rapaics 植物核型中相对应的m 或 sm 染色体以及翠雀属和飞燕草属Consolida (DC.) S. F. Gray 植物中相对应的st 或偶尔出现的sm 染色体要大。特别应当注意的是牛扁亚属中外部形态上显得最为原始的展喙乌头A. novoluridum Munz 的核型具有较多而且较大的sm 染色体，所以我们认为展喙乌头的核型保留了较多的原始性质，那些核型中具有较多st 染色体的牛扁亚属植物应当是该亚属中在核型上已比较特化的种类。这一结果不支持前人提出的乌头属植物的核型有从st 染色体进化到m 或sm 染色体的趋势的观点。就整个翠雀族而言，从现有资料看，其核型的进化趋势应当为：(1) 染色体从大进化到小, 从m 或sm 染色体进化到st 染色体;(2) 核型的整体不对称性程度逐渐增强，即核型的二型性从多年生的牛扁亚属植物到翠雀属植物的一年生的还亮草亚属Delphinium subgen. Delphinium 而愈趋明显。翠雀族植物核型的进化方向与整个毛茛科核型的进化方向看来是一致的，即都向核型不对称性增强的方向进化。

山黑豆属(豆科)的分类学修订

山黑豆属Dumasia DC.隶属于豆科、菜豆族、大豆亚族，广泛分布于亚洲、非洲东南部的热带、亚热带地区以及大洋洲的巴布亚新几内亚地区，其中大多数种在我国均有分布。该属形态变异复杂，命名混乱，缺乏世界性的系统分类学研究基础。基于这样的背景，本论文通过开展形态学、解剖学、细胞学及孢粉学等方面的综合研究工作，对该属进行了全面的分类修订，对属内种间关系及地理分布格局进行了分析和探讨，结果如下： 1、形态学 在研究了大量腊叶标本和进行了野外考察的基础上，对山黑豆属植物的形态性状的变异式样进行了分析。该属植物的根系形态较为多样，可以作为划分种的辅助形状，分为有主根类型 (2个种，心叶山黑豆D. cordifolia Benth. ex Baker和柔毛山黑豆D. villosa DC.) 和无主根类型 (5个种，云南山黑豆D. yunnanensis Y. T. Wei & S. K. Lee、小鸡藤D. forrestii Diels、硬毛山黑豆D. hirsuta Craib、山黑豆D. truncata Siebold & Zucc.和长圆叶山黑豆D. henryi (Hemsl.) B. Pan & X. Y. Zhu)；该属几乎全为多年生缠绕草本，只有柔毛山黑豆为半灌木，因此可能是该属中较原始的种类；该属植物的萼筒管状、筒口斜截形及花柱细长且弯曲处膨大等独特的解剖结构是区别该属其它近缘属的重要性状；花序和复叶的长度及荚果内种子数目变异幅度极大，缺乏稳定性，并非好的分类性状。 2、解剖学 应用光学显微镜，首次对山黑豆属7种植物 (心叶山黑豆、柔毛山黑豆、云南山黑豆、小鸡藤、硬毛山黑豆、山黑豆和长圆叶山黑豆) 的叶表皮进行了观察。结果表明，该属植物叶表皮细胞均呈不规则形，垂周壁为波状，气孔器类型以平列型为主。心叶山黑豆、柔毛山黑豆和云南山黑豆上表皮细胞垂周壁呈深波状；小鸡藤、长圆叶山黑豆、山黑豆和硬毛山黑豆上表皮细胞垂周壁呈浅波状。在一定程度上，上表皮细胞垂周壁的形态反映了山黑豆属种间的近缘关系。 3、细胞学 首次报道了山黑豆属3个种 (云南山黑豆、小鸡藤和硬毛山黑豆) 的染 色体数目，它们均为2n=20。在已报道染色体的植物种类中 (共计6种)，仅心叶山黑豆染色体数目为2n=22，其余5种 (柔毛山黑豆、山黑豆、云南山黑豆、小鸡藤和硬毛山黑豆) 染色体数目均为2n=20。与大豆亚族大多数属染色体数目为2n=22相比较，心叶山黑豆可能是该属中较为原始的种。 4、孢粉学 在光学显微镜下，对该属7种植物 (心叶山黑豆、柔毛山黑豆、云南山黑豆、小鸡藤、硬毛山黑豆、山黑豆和长圆叶山黑豆) 的花粉进行了观察，结果表明：该属植物为三角形6孔花粉，极轴短，每个角的萌发孔由一对小孔组成；外壁具网纹，网脊粗，网眼不规则。柔毛山黑豆和小鸡藤极面的网脊几乎不断裂；心叶山黑豆、云南山黑豆、硬毛山黑豆、山黑豆和长圆叶山黑豆极面的网脊断裂较多。外壁的纹饰在一定程度上反映了该属植物的近缘关系。 5、地理分布格局 该属植物主要分布在中国南部和西南，只有柔毛山黑豆分布到非洲和大洋洲。研究结果表明，具主根的2个种 (心叶山黑豆和柔毛山黑豆) 主要分布在中国西南部，其分布区域相互重叠；而无主根的5个种 (云南山黑豆、小鸡藤、硬毛山黑豆、山黑豆和长圆叶山黑豆) 由中国西南部向东到日本、韩国都有分布，分布区域几乎不重叠。本研究认为：有主根的心叶山黑豆和柔毛山黑豆可能代表了该属的原始类群；有主根类群衍生出其余无主根类型的各种，并由中国西南扩散到其他地区。 综合以上资料，本研究对山黑豆属进行了分类修订，认为该属含8种、1亚种及2变种，其中建立新组合1个，归并6个类群，并指定了4个后选模式。另外，本研究同时提供了该属植物的检索表、种的形态描述和插图以及地理分布图等信息。

果实对酵母拮抗菌和外源水杨酸诱导的抗病性应答机理

用生物和非生物因子来进行采后病害的防治，是一个非常有效的方法。诱导抗性作为控制果蔬采后病害的生物技术，已成为该领域的一个研究热点。然而诱导抗性的机制非常复杂，涉及到寄主、病原菌、激发子之间的相互作用关系。本研究主要利用酵母拮抗菌Pichia membranefaciens和SA处理果实，观察其抗性诱导表达和对采后青霉病菌（Penicillium expansum）的抑制作用，并从蛋白质组学水平上对诱导抗性的机理进行了分析。研究结果表明： 1、酵母拮抗菌P. membranefaciens (5 × 107 cells·ml-1)和SA(0.5 mM)处理采后甜樱桃果实，能够明显地降低病害的发病率和病斑直径。酵母菌和SA处理影响到了果实抗氧化酶的活性，同时还改变了POD同工酶谱和甜樱桃果实的总蛋白含量，并诱导了新的蛋白质条带产生。用光学显微镜和扫描电子显微镜技术观察发现，在in vitro条件下P. membranefaciens能够紧密地结合与病原菌的菌丝，而在in vivo条件下这种结合较为松散。 2、借鉴其它模式植物的方法，我们建立了一整套适用于多汁类植物材料的蛋白质组学研究方法。对于芒果，桃，甜樱桃、苹果以及冬枣等果实，都取得了重复性非常好的2-D图谱。我们应用该技术进一步研究了P. membranefaciens (1 × 108 cells·ml-1)以及SA (0.5 mM)处理对桃果实蛋白质组的诱导影响。结果显示，两种激发子处理都能够诱导桃果实产生抗性，从而减轻青霉病引起的腐烂。在诱导处理1 d以后，酵母拮抗菌和SA分别诱导22和16个蛋白的差异表达。质谱鉴定的蛋白属于6大类：代谢，防御反应，转录，能量途径以及细胞结构。有6个蛋白受到两种激发子的共同调控。其中，4种蛋白(包括glutathione peroxidase, polyphenol oxidase precursor, catalase和methionine sulfoxide reductase) 属于抗氧化蛋白，涉及到活性氧代谢。另2个蛋白（Major allergen Pru av 1和peroxidase）是病程相关蛋白，直接参与植物的防御反应。同时一些磷酸化酶和转录因子也受到两种激发子的调节从而参与果实的抗病反应。酶学测定和Northern杂交的结果表明，拮抗菌与SA处理均能影响过氧化氢酶活性及其基因的表达。 3、采前用较高浓度SA (2 mM) 短时间（10s）处理不同成熟期的甜樱桃果实，能够明显降低果实青霉病的病斑直径，并能减轻较低成熟度果实的发病率。在没有接菌的情况下，SA诱导了33个差异表达的蛋白，其中用质谱鉴定出了26个。而在接种病原菌的情况下，SA诱导了19个差异表达的蛋白，并鉴定出了其中的12个。这些蛋白分别涉及到代谢、防御反应、转录、能量途径、信号转导等过程。在没有接种病原菌的情况下，SA处理诱导了Putative DnaJ heat shock protein, PR1-like protein, Peroxidase, Major allergen Pru av 1 (Pru a 1)和Catalase等与抗病有关的蛋白。而在接种病原菌的情况下，诱导了PR1-like protein, Peroxidase和Catalase蛋白的差异表达。通过酶活性测定以及对细胞学定位的研究，我们发现在没有接种病原菌的情况下，POD的活性受到SA的诱导。但是在接种病原菌以后，诱导效果不明显。

锡林河流域一个放牧草原群落土壤呼吸及其影响因子的研究

本文综述了草原群落土壤呼吸研究的理论、方法、最新进展和主要成果。从2001年6月5日到10月15日，在内蒙古锡林河流域的一个典型草原群落放牧地段用气相色谱法对土壤呼吸进行了测定，并同期观测相应的环境因子，分析了它们之间的相互关系，并根据根系生物量和土壤呼吸的相关性外推出根系呼吸占土壤总呼吸的比例。同时，采用碱液吸收法对该草原群落和一个沼泽化草甸群落的土壤呼吸进行了比对测定，比较在不同生境下土壤呼吸速率的差异。另外，重点比较了两种常用的土壤呼吸测量方法——碱液吸收法和气相色谱法对典型草原群落土壤呼吸的测量效果。主要研究成果如下： 1．在草原群落，生物量（包括地上和地下生物量）、温度（包括气温和土壤温度）和水分及土壤呼吸的季节变化均呈不规则的波动曲线;土壤呼吸与土壤湿度高度相关，与温度尤其是土壤温度以及地下生物量之间存在着一定的相关性，但和地上生物量及绿色生物量之间几乎没有关系。 2．草原群落和草甸群落土壤呼吸的季节动态基本一致，均出现了两个峰值，分别出现在6月底和7月底，它们的变化范围分别为312.8~1738.9 mg C﹒m-2﹒d-1 和 354.6 ~2235.6 mg C﹒m-2﹒d-1，日平均土壤呼吸速率分别为785.9 mg C﹒m-2﹒d-1 和1349.6 mg C﹒m-2﹒d-1，草甸群落的土壤呼吸速率明显高于草原群落; 3．土壤水分是草原群落土壤呼吸的主要限制因子，但对草甸群落的土壤呼吸变化却基本没有影响;草甸群落中，地上总生物量与土壤呼吸速率间没有显著的相关关系，但地上部分绿色生物量与土壤呼吸间存在着显著的幂函数关系，而在草原群落中，土壤呼吸速率与地上活生物量或地上总生物量的相关关系均很弱。 4．在草原群落，根系呼吸占土壤总呼吸的比例为60.7% - 93.3%，平均为82%; 5．碱液吸收法和气相色谱法的测定结果具有很高的相关性（R2=0.7563），它们的季节动态基本一致，变化范围分别为从249.3~1795.1 mg C﹒m-2﹒d-1和从312.8~1738.9 mg C﹒m-2﹒d-1，平均值分别为634.2 mg C﹒m-2﹒d-1和802.7 mg C﹒m-2﹒d-1，碱液吸收法的测量值是气相色谱法的约1.4倍。

玉米农田土壤呼吸作用动态与模拟研究

利用动态密闭气室法(Licor-6400-09)，对锦州玉米生长季(5～9月)农田土壤呼吸作用动态及其影响因子进行连续两年的野外动态观测，分析表明，在植株尺度上，玉米地土壤呼吸作用存在明显的空间异质性，较高的土壤呼吸速率通常出现在靠近玉米植株的地方。玉米地土壤呼吸作用的日变化为不对称的单峰型曲线，最小值和最大值分别出现在6:00～7:00和13:00左右。2005年玉米生长季土壤呼吸速率均值为3.16 µmol CO2 •m-2•s-1，最大值为4.77 µmol CO2 •m-2•s-1，出现在7月28日，最小值为1.31 µmol CO2 •m-2•s-1，出现在5月4日。 植物根系生物量的分布格局是影响土壤呼吸作用空间异质性的关键因素。土壤呼吸作用与根系生物量呈显著的线性关系，而土壤湿度、土壤有机质、全氮和碳氮比对土壤呼吸作用空间异质性的影响并不显著。在土壤呼吸作用日变化中，土壤呼吸速率(SR, µmol CO2 •m-2•s-1)与10 cm土壤温度(T, ℃)均呈显著的指数函数关系 。在季节尺度上，参数α和β是波动的，玉米净第一性生产力(NPP, g •m-2 •d-1)和生物量(B, g •m-2)分别为影响参数α和β季节性波动的主导因素。鉴于此，建立了方程 用以模拟土壤呼吸作用的季节变化。土壤温度、NPP和生物量共同影响着玉米生长季土壤呼吸作用的季节性变化，它们共同解释了土壤呼吸作用季节变化的93%。 小时尺度上，土环中的根系生物量是影响土壤呼吸速率空间变异的关键因子，土壤呼吸速率与根系生物量呈线性关系 ;日时间尺度上，土壤呼吸速率与根系生物量线性方程中的参数α和β是波动，土壤温度是影响α和β波动的主导因素，于是得到方程 。季节时间尺度上，土壤呼吸作用可表达为 ，土壤温度、土壤湿度和玉米NPP共同驱动着玉米生长季土壤呼吸作用的时间变化和空间变异，它们可以解释玉米生长季土壤呼吸作用时空变化的74%。 通过建立土壤呼吸作用与玉米根系生物量的回归方程，对根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行了间接估算。玉米生长季根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在43.1～63.6%之间波动，均值为54.5%。假定玉米果实和秸杆中的碳在收获期间没有从农田中转移走，2005年整个生长季玉米生态系统的碳收支为–1127.0 gC•m-2，碳交换速率在 0.52～-18.05 g C•m-2 •d-1 之间波动。玉米生长初期，玉米生态系统表现为C的弱碳源;玉米播种后35天一直到收获，玉米生态系统表现为碳汇。

北方农牧交错区土地利用（管理）方式对土壤氮素转化的影响

土壤氮素矿化是陆地生态系统氮素转化的重要组成部分。不同的土地利用（管理）方式会改变土壤氮素转化过程，影响土壤肥力的保持，进而可能造成土壤内氮素渗漏流失。为系统了解内蒙古农牧交错区土壤氮素转化的特点，本实验采用原位培养顶盖埋管法进行野外培养，每间隔一个月定期取样，于2004年7月-2006年10月在植物所恢复生态学实验站进行了两个试验，1：选择农牧交错区四种有代表性的土地类型（围封样地：FS，放牧样地：GS，弃耕地：AF，和农田：CF），比较土地利用方式之间氮素矿化的异同;2：在施肥样地通过不同施肥处理(F0: 1g N m-2, F1: 1g N m-2, F2: 2g N m-2, F3: 4g N m-2, F4: 8g N m-2, F5: 16g N m-2, F6: 32g N m-2, F7: 64g N m-2) 的土壤氮素转化动态，确定过度放牧的典型草原围封禁牧后，植被恢复过程中最适宜的施肥量。主要结论如下： 1. 与试验初期相比，整个非生长季围封样地、弃耕地和农田的铵态氮和无机氮含量逐渐降低，培养结束时铵态氮含量分别减少了67.04％，77.31％和70.54％，而放牧地的含量增加1.63％。围封样地、放牧地、弃耕地和农田的硝态氮含量分别增加了61.61%，376.43%，199.75%和133.16%。非生长季四种土地类型的土壤氮素转化速率主要受温度影响。围封样地、放牧地、弃耕地和农田非生长季矿化速率均值分别为-0.016，0.0429，-0.0051和-0.0030 μg g-1 d-1。硝化速率均值变幅为-0.43-0.17 μg g-1d-1。 2. 与没有冷冻而融化的土壤相比，冻融显著影响土壤无机氮含量的变化。只有在较低的土壤温度条件下冷冻以后，融化才会促进土壤氮素矿化。不同的冷冻时间长度下融化均会促进土壤硝化速率。土壤温度、土壤含水量变化是影响氮素转化速率的重要因子。 3. 四种土地类型的年日均矿化速率为放牧样地>农田>弃耕地>围封样地，分别为0.25，0.11，0.10，0.06μg g-1d-1，其年平均速率分别为11.65，5.50，5.00和2.46g m-2 y-1，而年日平均硝化速率分别为0.27，0.095，0.097和0.05μg g-1d-1。其中生长季日均矿化速率和日均硝化速率均为其年日均速率的两倍。因此，生长季形成的矿化氮是全年的93％，而形成的硝态氮占全年的86％。四种土地类型年均矿化氮的累积量平均为615.04 kg ha-1，而硝化作用的累积量变幅为230.44-1218.86 kg ha-1。四种土地类型的矿化速率和硝化速率的季节动态变化与气候因子的变化一致。 4. 不同施肥处理对典型草原土壤氮素转化均有显著影响。与对照相比，少量施肥（F1，F2）土壤铵态氮，硝态氮和无机氮含量分别减少20.57％，11.18％和17.18％。当施肥量大于F4（8g N m-2）时，随施肥量增加土壤铵态氮，硝态氮和无机氮含量增加18％-1191％。除F5（16g N m-2）外，与对照相比，随施肥量增加，土壤矿化速率增加了5-21倍。4 g N m-2 (F3)左右是典型草原生态系统比较合适的施肥量。 5. 氨气挥发速率的季节动态特征与气象因子的变化一致，其速率变幅为17.65 - 1228.39µg m-2 d-1，其中7月挥发量占全年的37％。与对照相比，少量施肥氨气挥发速率降低了1-2％，施肥量大于F3 (4g N m-2)，速率增加了1-4倍。实验期间总的流失量变幅为23.76-84.91mg m-2，而且通过氨气挥发流失量低于土壤全氮的3%。氨气挥发不是典型草原过量氮素流失的主要方式。 6. 氮素限制的典型草原，植被恢复过程中外源氮素添加阈值为：4 g N m-2 (F3)。与对照相比，短期施肥（3年）不会显著影响根系碳储量和土壤碳氮储量。施肥处理的土壤硝态氮和无机氮含量显著增加，说明施肥显著刺激硝化作用。典型草原60%植物根系主要分布在地下0-10cm，这里的碳储量占地下储量（0-50cm）的63%以上。随土壤深度增加，土壤全氮，全碳，无机氮储量降低。而铵态氮储量和可利用的无机氮含量随土壤深度增加，说明植物根系主要吸收利用上层可利用氮素，而且下层氮素矿化速率降低。

植物体内谷胱甘肽还原酶的功能研究

谷胱甘肽还原酶（GR，EC1.6.4.2）是一重要的抗氧化酶，许多生理学和遗传工程研究都证明GR酶在抗氧化中的重要作用。但改变GR酶怎样影响植物的抗氧化系统却不清楚。GR是抗坏血酸－谷胱甘肽循环途径中的重要组成部分，其功能必然与其密切相关。本文用RNAi技术获得具有较低GR酶活性的转基因烟草，系统测定了非胁迫条件和胁迫条件下抗坏血酸－谷胱甘肽循环的变化，得出以下主要结果： 1．选择一烟草叶绿体GR酶编码基因（X76293, gi: 431954）进行RNAi载体构建，构建好的双元载体转化根癌农杆菌LBA4404，然后侵染转化烟草叶圆片。获得的转基因烟草具有30－70％的GR酶活性。分子检测结果表明GR在RNA和蛋白水平上与GR酶活性的变化一致。文中我们第一次用2-D电泳对烟草中GR同工酶进行分析，并确定发生抑制的GR同工酶在细胞中的定位。2-D电泳后的Western杂交检测到烟草的10种GR同工酶，pI值分布在4.5-6.3，其中3种GR同工酶定位在叶绿体内，其蛋白量占据所有GR酶含量的大部分。RNAi发生在叶绿体内和叶绿体外，表明发生抑制的GR同工酶的基因序列具有很高的同源性。igr转基因烟草在表型上与野生型对照烟草无明显差异。 2．所有igr转基因植株和对照植株中的活性氧（O2-和H2O2）、MDA含量和光合作用都无明显差异，表明正常生长条件下GR酶活性的降低不会引起氧化胁迫。测定正常生长条件下igr转基因烟草中谷胱甘肽库的变化。结果表明与对照烟草相比，GR酶活性降低70％会引起转基因植株中GSH/GSSG比率明显降低，而GSH和GSSG的含量稍有增加；测定抗坏血酸－谷胱甘肽循环的变化，结果显示igr转基因烟草中DHAR和MDHAR的酶活性升高，表明非胁迫条件下较低的GR酶活性可能会诱导抗坏血酸－谷胱甘肽循环不能正常的运转。这一作用可能与改变的谷胱甘肽库有关。GR酶活性降低30％的转基因烟草中未检测到这些变化，表明70％的GR酶活对于非胁迫条件下igr转基因烟草可能是足够的。 3. MV处理结果显示，igr转基因烟草的离体叶圆片和活体植株在MV处理后都发生比对照烟草严重的光漂白作用。igr转基因烟草的活性氧和MDA含量明显高于对照烟草，igr转基因烟草的光合作用明显低于对照烟草。以上这些指标表明igr转基因烟草对MV处理更为敏感。MV处理条件下igr转基因烟草谷胱甘肽的含量明显高于对照烟草，但是GSH/GSSG的比率明显低于对照烟草，GR酶活性仍明显低于对照烟草，表明在MV胁迫条件下igr转基因烟草中较低的GR酶活性不能有效的将GSSG还原生成GSH。igr转基因烟草中较高的谷胱甘肽净含量说明其谷胱甘肽的合成能力提高，但这仍不能补偿胁迫条件下较低GR酶引起的GSH/GSSG比率降低。MV处理条件下igr转基因烟草和对照烟草相比ASC的含量大大降低，导致DHA/ASC明显升高。测定MDHAR和DHAR的结果表明，MV处理后igr转基因烟草的MDHAR酶活性明显降低，这表明较低的GR酶活性引起ASC再生循环受到抑制。MV处理后较低的GR酶还引起igr转基因烟草中APX的活性大大降低。以上这些结果表明MV处理条件下降低GR酶活性会削弱抗坏血酸－谷胱甘肽循环，从而引起活性氧的大量积累，造成严重的氧化伤害。 4．低温处理的结果和MV处理的结果稍有不同。在GR酶活性较高的i2转基因烟草中所有检测指标与对照烟草无明显差异。而GR酶活性较低的i21、i28和i42植株与对照烟草相比表现出明显差异。低温下生长的对照烟草叶绿素含量明显高于i21、i28和i42植株。i21、i28和i42中活性氧（O2-和H2O2）和MDA的含量都明显高于对照烟草，表明低温处理下i21、i28和i42受到更严重的胁迫伤害。与MV处理后的变化相似，低温处理后i21、i28和i42中较低的 GR酶活性导致GSH/GSSG大大降低，ASC再生循环受抑制，APX活性明显降低，从而使抗坏血酸－谷胱甘肽循环不能高效的清除活性氧，导致ROS和MDA的大量积累，造成严重的低温伤害。

蓝藻应答高 pH 胁迫的亚细胞蛋白质组学研究

蓝藻是迄今地球上发现的最古老、分布最广和最具多样性的光合自养原核生物，其细胞结构简单，具有类似于植物的光合作用，是研究光合作用及其它代谢过程重要的模式生物。由于这类生物起源于远古前寒武纪，但至今依然繁多，在极端寒冷的南北极冰湖和近于沸腾温度的温泉，以及高盐、强碱的极端环境中均有存在,它们在漫长的进化过程中如何应对灾难性环境、针对随时可能遭遇的不同胁迫环境因子形成了怎样的分子适应机制，是近年来倍受关注但仍未诠释的问题之一。由于蓝藻与高等植物叶绿体在进化上密切相关，搞清楚这类生物适应不同胁迫环境因子的分子基础及其作用机制，对从进化的角度理解光合生物与环境相互作用、通过同源性发现作物抗逆育种新靶标，有重要的理论和实践意义。 逆境应答蛋白的表达是细胞对逆境胁迫的主要适应机制之一。在特定的逆境条件下，细胞通常会表达一组蛋白质，用于识别与传递环境胁迫信号、稳定细胞内环境、消除并修复逆境造成的损伤等。因此，逆境应答蛋白的系统鉴定和功能确认，是揭示逆境条件下细胞代谢网络及抗逆性分子机制的关键。单细胞模式蓝藻基因组序列的确定，极大地推动了蓝藻细胞蛋白质组成模式研究，也为系统发掘蓝藻逆境应答蛋白、理解和揭示分子适应机制提供了新的切入点。Synechocystis 6803是第一个完成基因组测序的放氧光合模式生物。由于其具有易培养、可转化、对环境条件变化反应快等优点，以该藻种为材料所展开的逆境应答特别是盐胁迫蛋白质组研究方面已经取得了重要的进展，而对高pH胁迫的蛋白质组研究还鲜有报道。因此，本论文以Synechocystis 6803为材料，从分离纯化的亚细胞组分入手，采用蛋白质组学研究手段，对蓝藻细胞应答高pH胁迫的蛋白质代谢网络进行探讨。利用蔗糖密度离心和水溶性两相分离法相结合的方法，分别获得了对照（pH7.5）和处理（pH11）细胞的质膜、外膜和类囊体膜，并分别构建了包括可溶性蛋白和膜组分的一维和二维蛋白质凝胶电泳图谱。分析结果表明，高pH胁迫下质膜和可溶性蛋白蛋白组分的变化较外膜和类囊体膜蛋白组分更为明显。在考马斯亮兰染色胶上共发现有近110个蛋白点上调或下调表达，其中有82个蛋白点来源于质膜。对质膜蛋白进行的差异荧光标记双向电泳（2-D DIGE）分析结果与考马斯亮兰染色结果基本一致。对质膜上的82个蛋白点进行胶内消化和MALDI-TOF和MALDI-TOF/TOF质谱鉴定，得到了39个不同基因产物，其中25个是上调蛋白，14个是下调蛋白。在这些发生变化的蛋白中，近1/3是ABC型转运蛋白，如3个磷转运蛋白（Sll0679，Sll0683，Sll0684）均在高pH胁迫下明显上调。其它高pH响应蛋白包括参与光合作用（PsaF，Sll0819；CpcA，Sll1578）、呼吸作用（CoxB，Sll0813）以及细胞分裂过程的蛋白（MinD，Sll0289）。还有LexA repressor (Sll1626)和Guanylyl cyclase(Cya2，Sll0646)等起调控作用的蛋白质。此外发现8个高pH胁迫响应蛋白为功能未知的新蛋白。生物信息学预测结果显示，在已鉴定的质膜响应蛋白中有17个蛋白具有信号肽。6个蛋白为具有跨膜域的膜蛋白，其中的3个膜蛋白是首次被证明定位于质膜上，且其表达与高pH胁迫有关。这些研究结果对从分子水平理解蓝藻细胞主动应对高pH胁迫、维护细胞内pH相对稳定机制有重要启示。

冬小麦抗寒性和光合作用对增强UV-B辐射与温度交互作用的响应

人类活动产生的氯氟烃化合物破坏了大气臭氧层，导致了到达地球表面的UV-B辐射大幅度增加。UV-B辐射增强可以影响到植物的生长、形态与发育等各个方面，因此有关增强UV-B辐射对植物的影响，及其与许多环境因子复合作用的研究都已经广泛开展。但是增强UV-B辐射与温度，特别是与低温的相互作用的研究报道很少。在北半球的晚秋至早春这段时期里，一些越冬生长的植物将面临着UV-B辐射增强和低温的双重胁迫，因此，迫切需要进行UV-B辐射和低温生长环境下植物的响应及其机制的研究。 以人工气候生长室中生长的冬小麦(Triticum aestivum)幼苗为试验材料，研究了低剂量（4.2 kJ m-2 d-1 UV-BBE，LUVB）和较高剂量（7.0 kJ m-2 d-1 UV-BBE，HUVB）UV-B辐射处理对20/16℃条件下幼苗抗寒力的交叉适应性及其抗氧化系统的反应;同时还研究了在两种生长温度（25/20℃和10/5℃）条件下，低剂量（4.2 kJ m-2 d-1 UV-BBE，LUVB）和超高剂量（10.3 kJ m-2 d-1 UV-BBE，SHUVB）UV-B辐射处理幼苗的生长速率、光合与荧光参数、叶黄素循环色素、抗氧化系统、以及抗寒性和酚类物质等生理反应，以期阐明不同温度条件下生长的冬小麦对UV-B辐射的生长、光合作用以及抗寒性响应与适应机制。主要结果如下： 1.在LUVB辐射处理下，在20/16℃和25/20℃条件下生长的冬小麦幼苗LT50值都显著降低，HUVB辐射处理对在20/16℃条件下生长的幼苗LT50值也可以显著降低，而SHUVB辐射对25/20℃条件下生长的幼苗LT50值没有显著影响。但是，LUVB和SHUVB辐射处理都导致了10/5℃条件下生长的幼苗LT50值的显著增加。表明适当的UV-B辐射能增强较高温度（20/16℃或25/20℃）条件下冬小麦幼苗的抗寒力，即表现出对冷冻低温的交叉适应性，但低温（10/5℃）生长条件却削弱了UV-B辐射下冬小麦的抗寒能力。 2.在20/16℃条件下接受UV-B辐射预处理的幼苗在-6℃条件下冷冻胁迫6 h再缓慢恢复6 h后，与未进行UV-B辐射处理的对照相比，其叶片过氧化氢酶（CAT）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性，谷胱甘肽氧化还原比例（GSH/GSSG）都显著提高，而由硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）代表的膜质过氧化程度显著低于对照。此外，UV-B辐射期间处理幼苗的H2O2含量较对照显著增加，而冷冻恢复以后却明显低于对照。表明UV-B辐射诱导的抗寒力的提高应该与冷冻恢复后植株体内抗氧化系统的上调表达有关，H2O2可能参与了UV-B辐射对低温的交叉适应的信号传导。 3.除25/20℃生长条件下的LUVB处理的小麦幼苗外，UV-B辐射显著降低幼苗的相对生长速率（RGR）、净光合速率（Pn）、光系统II最大量子产量（Fv/Fm）、光系统II实际量子产量（(F΄m−Fs)/F΄m）以及光化学淬灭（qP），但是UV-B辐射并不影响叶片胞间CO2浓度（Ci），而且冬小麦幼苗生长和光合作用的抑制被增加的UV-B辐射剂量和降低的温度加强。UV-B辐射引起的光抑制由非气孔限制所导致，而且主要与PS II光化学效率降低有关。 4.UV-B辐射显著增加了两个温度条件（20/16℃或25/20℃）下生长的冬小麦幼苗叶黄素循环过程中紫黄素（V）的合成，但抑制了V向玉米黄质（Z）的转化，从而造成了对照与LUVB辐射处理幼苗之间的叶片中脱环氧化比例（DEPS）和NPQ无显著性差异，但SHUVB辐射处理幼苗叶片中DEPS和NPQ显著降低。因此，在本试验条件下，增强UV-B辐射处理的冬小麦可能并不通过热耗散形式形成光保护机制，光抑制形成的过剩激发能的耗散可能更多地通过代谢途径来实现。 5.UV-B辐射处理提高了在25/20℃条件下幼苗的超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和GR等活性，以及抗坏血酸氧化还原比例（AsA/DHA）和GSH/GSSG;但是在10/5℃下，UV-B辐射除了导致SOD和CAT活性升高之外，对APX活性和AsA/DHA并不产生明显影响，但GPX和GSH/GSSG则显著降低。说明UV-B辐射幼苗的抗氧化系统在较高生长温度下显著地增强，而在低温10/5℃下被严重地削弱或降低，即低温阻止了代谢途径的光保护机制的正常运转。 6.多酚物质在UV-B辐射或低温10/5℃条件下都能显著地累积，且在UV-B辐射和低温复合作用下增加尤其显著，表明多酚物质在两个温度生长条件下特别是低温条件下都参与了对UV-B辐射幼苗的保护。 7.在高温条件下仅仅SHUVB处理的幼苗TBARS含量显著增加，而低温10/5℃条件下两个UV-B辐射处理都非常显著地上升，说明与高温生长条件相比较，低温加重了UV-B辐射引起的氧化胁迫，低温10/5℃条件下幼苗多酚的增加以及抗氧化系统的部分增强都没有能阻止UV-B辐射对幼苗的伤害。