采后果实衰老和冷害的机理及调控研究

衰老和冷害是果实采后极易发生的两种重要的生理性失调，严重影响了果实的商品质量和市场价值。本论文选用在采后贮藏期间容易衰老和出现冷害的枇杷、杧果和桃果实作为研究材料，比较深入系统地研究了这些果实采后衰老或冷害的机理和调控。主要的研究内容包括：（1）枇杷果实在不同贮藏条件下（低温、气调）的生理代谢、品质变化、衰老进程和贮藏性;（2）杧果果实采后生理特性及外源草酸和水杨酸处理对杧果冷害、品质和活性氧代谢的影响;（3）桃果实在低温贮藏下冷害发生特征，并从氧化还原平衡和蛋白质组表达方面探讨了桃果实采后冷害的发生机理。 试验结果表明：（1）与自发气调包装（MAP）相比，气调（CA, 10% O2＋1%CO2）能更有效的抑制枇杷果实的腐烂、延缓衰老、保持品质，以及控制多聚半乳糖醛酸酶（PG）和多酚氧化酶（PPO）的活性。枇杷果实在1 ºC气调下贮藏50天，腐烂指数低于7%，并保持固有的风味品质。短时间的高氧处理对果实腐烂和品质影响不大，促进了贮藏后期果实内乙醇的积累;（2）外源草酸和水杨酸处理显著减轻了杧果果实在贮藏期间的冷害程度，但对果实的硬度、可溶性固型物和可滴定酸含量影响不大。外源草酸和水杨酸提高了果实内抗坏血酸和谷胱甘肽的还原状态、提高了H2O2含量、降低了O2-含量和脂氧合酶活性，并提高了超氧化物岐化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、抗坏血酸氧化酶和谷胱甘肽还原酶的活性;（3）与非冷害桃果实相比，冷害桃果实呈现较低的H2O2含量、较高的膜透性、较高的酚类物质含量以及较高的抗坏血酸和谷胱甘肽还原状态。水杨酸对果实内H2O2含量、膜透性、酚类物质含量有显著的影响。冷害桃果实与非冷害桃果实的蛋白质表达也有明显的区别，32个差异表达蛋白依其功能分为8类，分别为能量产生、代谢、次生代谢、抗性、蛋白质的分布、基因转录、细胞结构和细胞生长。水杨酸对其中20个蛋白质的表达有显著影响。烯醇化酶、脂质运载蛋白、脱水蛋白、分支酸变位酶以及桂醇脱氢酶等与桃冷害发生有密切关系。 通过对上述结果的分析，得出如下结论：（1）与MAP相比，CA（10% O2 + 1% CO2）可显著延缓枇杷果实的衰老、腐烂和品质下降，CA延缓枇杷衰老的作用机理可能与其减轻果实内氧胁迫、降低PG和PPO活性有关;（2）用外源草酸或水杨酸处理杧果，可减轻贮藏期间果实的冷害程度，其调控机制可能与提高果实抗坏血酸和谷胱甘肽的还原状态、抑制O2－含量和提高H2O2含量有关;（3）在低温贮藏下，桃冷害发生与果实内较低的H2O2含量、生物膜完整性的破坏以及酚类物质含量增加密切相关，果实生物膜完整性的破坏与烯醇化酶、脂质运载蛋白、过敏蛋白以及脱水蛋白的下调表达有关，而酚类物质含量的增加与分支酸变位酶、桂醇脱氢酶的上调表达有关。

不同贮藏条件下果实角质层成分及其与耐贮性关系研究

角质层是果实抵御外界环境胁迫的一个屏障，既能调节果实自身的生理活动，也能增加对病原菌入侵的抵抗力，在果实贮藏保鲜中具有重要的作用。本文利用傅里叶变换红外光谱检测（Fourier-transform-infrared-spectroscopy）法，重点研究了不同贮藏条件下果实角质层和果肉细胞壁成分变化，及对果实品质和贮藏性的影响，为进一步阐明角质层在果实贮藏保鲜中的作用提供依据。研究内容包括：（1）壶瓶枣果实在冷藏和气调下软化率、品质、角质层和果肉细胞壁成分变化；（2）即时冷藏和延迟冷藏下，桃果实好果率、品质、角质层和果肉细胞壁成分变化；（3）采前喷施氯化钙或油菜素内酯对甜樱桃单果重、品质、果肉细胞壁结构以及耐贮性的影响。 试验结果表明：（1）与冷藏（-1±1 ºC）相比，气调贮藏（10% O2 + 0% CO2， -1±1 ºC）能够显著降低壶瓶枣软化率，更好地保持果实的硬度、可溶性固形物（SSC）和可滴定酸（TA）含量以及较高含量的果肉细胞壁物质和较低含量的角质层物质。（2）与延迟冷藏（25 ºC，48 h后转入0 ºC）相比，即时冷藏使“八月脆”桃果实能保持较高的果实硬度和好果率，显著减慢TA含量下降，能保持较高含量的果肉细胞壁物质和角质层物质，但对SSC和Vc含量没有显著的影响。（3）与对照相比，采前喷施CaCl2（1%，m/v）能够增加“红灯”（6.94%）的单果重，对甜樱桃果实的品质指标（硬度、SSC、TA）和细胞壁结构没有明显的影响。（4）与对照相比，采前喷施0.15 mg•L-1油菜素内酯能增加“红灯”（3.68%）和“大紫”（8.61%）的单果重，降低“红灯”果实的自然腐烂率，并不影响果实的品质指标（硬度、SSC、TA）。 这些研究结果说明：（1）与冷藏（-1±1 ºC）相比，气调贮藏（10% O2 + 0% CO2， -1±1 ºC）更利于壶瓶枣果实贮藏保鲜；（2）与延迟冷藏（25 ºC，48 h后转入0 ºC）相比，即时冷藏（0 ºC）更利于“八月脆”桃果实贮藏保鲜；（3）气调贮藏和即时冷藏通过调节果实角质层和细胞壁代谢等途径发挥作用。气调贮藏会降低壶瓶枣果实角质层物质含量，增强其透气性，减少壶瓶枣酒软发生；但即时冷藏会延缓“八月脆”桃果实角质层降解，维持角质层物质较高的含量以及结构完整性，以充分发挥角质层的保护作用，减缓果实的软化进程，维持果实硬度和品质；（4）采前适当浓度的钙或油菜素内酯处理对增加甜樱桃单果重，降低自然腐烂率有一定的作用，但在不同品种中的作用效果有差异。

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．

CO2浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的影响

自工业革命以来，大气的C02浓度以前所未有的速度增加，已经由280μmol mol-1升高到了360μmol mol-l。据预测，到下个世纪中／末期，C02浓度将为目前的二倍。C02浓度升高及其引起的全球气候变化必将影响到植物的生长发育，进而对整个生态系统产生巨大影响。因此，有关C02浓度升高对各类生态系统的影响的研究引起了广泛关注，成为近年来的研究热点。早期的研究多数集中于考察C02浓度升高对植物个体水平生长发育的影响。然而，高C02对植物的效应严重依赖于具体物种和具体环境条件，使得基于由短期盆栽实验获得的研究结果不能够有效地预测自然生态系统的行为。因此，长期、原位处理实验越来越受到重视。由于原位研究的难度较大，目前这方面的研究还不是很多。有限研究结果显示，由于生境条件和种间关系方面的巨大差异，自然生态系统对C02浓度升高的反应迥异。 草原生态系统由于C02浓度控制上比较容易实现，而且其物质循环相对较快，因而一直是C02富集实验研究最多的一类植被，生态系统水平的研究更是如此。然而涉及的区域和草原类型并不多，不足以进行可靠预测。目前，关于C02升高效应，研究比较系统的草原生态系统主要集中在：美国Kansas的高草草原、美国California的一年生草原、瑞士西北部的石灰质草原、美国Colorado的矮草草原和一些牧场。我国总土地面积的40%为草地，类型丰富，然而相关研究不多，尤其是对自然生态系统的原位研究几乎为空白。 为揭示C02浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的效应，我们在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的永久羊草样地开展了两年的C02倍增实验(2001，2002)。在羊草样地选择相对均匀地段设置12个开顶式气室（直径1.8m），每个气室内分成4个小样方(0.5m×0.5m)，其中6个气室在生长季给予加倍C02处理（约600μmol mol-l），另6个气室不补充C02（约300μmol moI-l）。地上部分用收割法取样，分种记录数量、高度和重量等指标，地下部分取样用环刀法。用Li-cor6400光合系统测定群落光合和呼吸速率。野外实验结束后，统一分析植物和土壤样品中的C、N等元素含量。另外，在内蒙古草原站院内设置了两组桶培实验，一组是取自羊草样地的带苗原状土，一组是取自羊草样地的混匀土，种上冰草(Agropyron cristatum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和无芒雀麦(Bromus inermis)的种子。2组桶培实验分别用两个水分梯度和两个C02梯度处理。水分处理分别为：浇水处理——每4天浇lOOOml水，相当于平均降雨量的160%;干旱处理——持续干旱，适时补水以保持植物不萎蔫，共浇水4000ml水。C02处理和取样方法与样地原位实验相同。主要研究结果和结论如下： 1)两年的C02加倍处理没有使羊草草原的生物量、植物种和功能型组成发生显著改变，桶培实验中，浇水处理显著促进了植物生长，原状土植物、种子苗实验的冰草和无芒雀麦对C02加倍处理同样不敏感，而种子苗实验的豆科植物紫花苜蓿在C02加倍处理下生物量显著提高。以上结果显示，由于水分和养分（特别是N）的限制，以及优势植物对C02的相对不敏感，C02浓度升高对羊草草原地上生物量和结构的效应相对不大。 2)羊草草原的根垂直分布在加倍C02条件下发生显著改变，但根生物量对C02加倍处 理相对不敏感。在4次取样中只有一次对C02加倍处理表现出显著变化，根长的变化与根生物量的变化不完全一致，根的比根长在加倍C02条件下增加。根垂直分布的变化趋势与降雨的时间分布相适应，干旱少雨时期C02使下层根量增加，多雨时期C02则使上层根量增加。以上结果显示，根的空间分布比根生物量对C02加倍处理更敏感。水分是根空间分布变化的驱动因子，加倍C02条件下，根空间分布的变化趋势倾向于优化对水分的充分利用。 3)加倍C02处理使羊草草原的群落光合速率显著提高，群落呼吸速率显著降低，因而使群落碳净输入量增加。土壤碳贮量占羊草草原碳总贮量的70%以上，碳总贮量及其组分（包括地上碳贮量、根碳贮量、土壤碳贮量）在两个C02浓度处理之问均没有显著差异。另外，加倍C02处理使羊草草原群落及其优势植物羊草的c：N比增加。以上结果显示，在加倍C02条件下羊草草原的碳净输入量增加，这意味着在未来高 C02条件F，羊草草原将作为碳汇对大气C02起反馈调节作用。其碳贮量对加倍C02 处理的不敏感与许多以前的研究结果相似，一般认为是由于土壤碳贮量本底太大， 掩盖了C02效应，这还有待于更长期原位实验的证实。羊草草原群落c：N比在高C02 浓度下的变化将影响凋落物降解、N素循环和动植物营养关系等，进而对生态系统 功能产生深远影响。

施肥和降水增加对半干旱草地生产力和温室气体排放的影响

人类活动能显著地改变生态系统的属性和功能。这些变化不仅发生在容易观察的局部层面上，如土壤沙化、植被退化等;还能更深刻地影响到微生物控制的温室气体释放，进而影响大尺度上气候的变化。本论文根据2 年田间试验结果报告了人类干扰（草地退耕和施肥）和降水增加30%对中国北部农牧交错区（内蒙古多伦县）半干旱草地生态系统生产力和温室气体排放的影响。 本研究发现氮是影响该区草地和弃耕地生产力的最重要因子，即使低量的氮肥应用(5 g N y-1)也能使该区草地地上净初级生产力（ANPP）增加36-46%。然而氮对草地生产力影响主要集中在地上部分，对地下净初级生产力（BNPP） 影响比较微弱。单独使用磷肥对ANPP 和BNPP 均无显著影响，氮磷混施对ANPP 有显著正交互作用。增加的降水对草地和弃耕地ANPP 和BNPP 有弱的正效应，增加30%降水使草地对照ANPP 增加9-25%，BNPP 增加12%-17%，弃耕地对照ANPP 增加7%-37%，BNPP 增加36%-37% 。草地和弃耕地对照ANPP 并无显著差别，由于高于弃耕地1-3 倍的BNPP，总体上草地比弃耕地有更高的固碳能力。这个结果也说明草地能更有效地把植物地上部分固定的碳转移到地下，这与草地长期发育积累的丰富地下根系和高根冠比物种组成有关。 水肥处理及土地利用方式也深刻改变了温室气体排放。温带草地和弃耕地CO2 排放（系统呼吸：Re）存在显著季节变化，温度、水分和地上生物量是控制这些变化的主要因子。在气候温暖的6-9 月份，生物量和土壤水分是决定系统呼吸季节变化主要因子，而与温度无明显相关。随着氮肥使用，草地和弃耕地呼吸速率加大，其温度敏感系数Q10 也明显升高，这主要与氮肥使用后增加的地上生物量有关。由于水分促进作用和生物量的弱增长，增加的降水也加大了草地和弃耕地CO2 排放。低的地下生物量和有机碳氮并没有导致弃耕地低的CO2 排放，显示了农垦后土壤结构破坏导致的有机碳分解增加不会在农业弃耕后短期内（5-6 年）停止。 除了对生物量的不敏感性外，中国北部半干旱生态系统N2O 排放表现出与CO2 排放类似的变化规律：水分和温度是N2O 季节变化的主导因子;氮肥使用和降水增加都增加了N2O 排放;N2O 排放在草地对照和弃耕地对照之间没有显著差别。更少的根系对无机氮的竞争导致了弃耕地比草地有更高的N2O 释放因子（单位氮添加所引起N2O 释放）。低的土壤水分（<70% WFPS ）和无机氮都是限制反硝化发生的重要条件，因此硝化可能是草地和弃耕地N2O 的最主要来源。半干旱草地生态系统N2O 排放与CO2 排放之间存在着显著线性关系。 中国北部半干旱草地和弃耕地都起着CH4 汇的生态功能。水分是控制CH4 吸收季节变异的主导变量，土壤空隙水含量（WFPS）与CH4 指数递减方程能解释其变异的64%-83% 。增加的降水导致了土壤水分增加，从而引起甲烷氧化菌所需基质（CH4 和O2）扩散受阻，减小了土壤CH4 吸收功能。施肥并没有抑制CH4 吸收，相反由于施肥后植物速生对土壤水的抽干作用，施肥增加了植物速生期时的CH4 吸收。CH4 吸收对农垦引起的土壤微生物生境结构破坏非常敏感，在农业措施停止5-6 年后的弃耕地，CH4 吸收仍比草地低24%。 本研究初步分析了影响中国北部农牧交错区草地生态系统生产力及温室气体排放的自然环境因子和人为因子，给出了它们之间的定性、定量关系，为科学地管理中国北部草地，充分发挥其生态和经济效益功能提供了有效信息。