稀有植物太行花的保护生物学研究

悬崖代表着一个残遗的、较少受到干扰的古生境，悬崖也是生物多样性的避难所。这个特殊生境中分布种类丰富的稀有植物和特有植物，而这些稀有和特有植物又往往以悬崖为唯一的生境，在长期的演化历史进程中形成彼此相互适应的关系。这种分布在特殊生境中的稀有植物为保护研究提出了新的研究方向和问题。本文以蔷薇科的中国特有植物太行花（Taihangia rupestris Yü et Li）为对象，对这个仅分布在有限的地理范围内悬崖上的稀有物种进行了保护生物学的研究。 利用RAPD分子标记技术对太行花8个居群的遗传多样性和遗传结构进行了检测分析。结果表明太行花居群内维持着较高的遗传多样性水平，未显示遭受过严重遗传瓶颈的迹象。同时，居群间遗传分化显著，与居群间的地理距离相关，聚类分析得到的树系图与太行花种下两个变种（太行花原变种Taihangia rupestris var. rupestris和缘毛太行花Taihangia rupestris var. ciliate Yü et Li）的划分相符。 通过栽培实验，研究了太行花对光照和养分的反应，从生态学角度检测植物对环境因子变化的适应能力。结果表明光照处理显著影响太行花的气体交换参数，且显示出随季节不同而变化的趋势。在8月第一次测量时，光合速率随着光照水平的增加而增加;而在9月底第二次测量时，高光下植株的光合速率反低于中光条件下的植株。光合光反应曲线表明太行花对不同光照水平（高光、中光和低光）均显示出一定的光合适应性。 光照对太行花的生长反应、形态、解剖等指标均具有显著的作用。在收获时，高光下植物形成小而厚的叶片，更快的叶片形成速率足以弥补单叶面积上光合速率的下降，使植株维持最大的总生物量。中光条件下的植株具有更长的叶柄，更大的叶面积，大而薄的叶片，和更大的叶面积比，被认为是对较弱光照环境适应的表现。而光照对叶片的气孔指标（气孔密度、气孔指数和大小）没有作用，养分施加对太行花的影响也甚微。总体来说，太行花显示出对光照变化的生理适应性和形态可塑性，光照和养分这两个环境条件均非影响太行花局限分布的关键因素。 同时，我们采用扫描电镜手段跟踪观察了太行花的花的早期发育过程。太行花早期发育过程中苞片内残留的退化花痕迹表明，太行花的顶生单花其实是有限聚伞花序中其它花芽败育的结果，显示出从花序向单花演化的趋势。同时，雌蕊的发育在早期是正常的，未显示出退化痕迹。 根据以上结果表明，局限分布在特殊生境上的太行花并未显示出生理适应幅度的狭窄性和遗传多样性水平的降低，因此，太行花在长期的进化过程中形成了对特殊生境——悬崖的适应性，遗传衰退和缺乏适应性不是稀有植物太行花局限分布的原因。在对太行花的保护中应进一步加强对其生境的保护，并在进行迁地保护和回归引种时应兼顾不同变种和地理分布的居群，以实现对其遗传完整性的有效保护。

小麦抗寒力诱导过程中特异性蛋白质的合成

以5个不同抗寒性小麦品种（不抗寒的春小麦京771，抗寒性中等的郑州741和济南13号，以及强抗寒性冬小麦农大139和燕大1817）为材料，对其在抗寒锻炼过程中所发生的可溶性蛋白及膜蛋白组分的变化进行了电泳图谱的分析。主要结果如下： 1、可溶性蛋白质电泳图谱的分析表明：人工低温锻炼20天后，在不同品种中新合成的多肽分子量分别为：郑州741是28，73 KD;济南13号是24，28和73 KD;农大139是28，60，65和68 KD;田间抗寒锻炼的燕大1817为15，28，51，60，65和68 KD。 2、不同抗寒性品种经人工低温锻炼20天后，新合成的膜多肽分别是：郑州741为30和68 KD;济南13号为30，58，68和81 KD;农大139为18，21，27，32和56 KD。田间锻炼的冬小麦燕大1817为21，29，36，43和83 KD。 3、脱锻炼后，抗寒特异性的多肽及与抗寒相关的膜多肽发生减少或完全消失。 4、春小麦在低温锻炼后，抗寒力不显著提高，不产生抗寒特异蛋白质。此外，膜多肽的变化也较少。 以上结果进一步揭示和证实，在小麦的抗寒锻炼过程中无论是可溶性蛋白还是膜蛋白均确实有抗寒特异性蛋白的新合成，并在各品种间表现出某些共同的特异性多肽，这些新合成的多肽与品种的抗寒性存在密切的关系，品种愈抗寒，特异多肽的种类愈多。这些结果进一步证明，植物抗寒性是由多基因控制的。

植物对光环境的适应性研究—富贵草对模拟光斑的光合响应——银衫对不同光环境的适应性——大叶黄杨叶片内部光能利用梯度

本文研究了富贵草对模拟光斑的光合响应、银杉对光的适应性以及大叶黄杨叶片内部光能利用梯度三个方面的问题。 1)研制了用于林内光环境调查和研究的光量子计组件。 关键词：光量子计，A/D板 2)以亚热带常绿阔叶林下一种常见的灌木富贵草为研究对象，利用气体交换和叶绿素荧光技术研究了其对模拟光斑的光合响应。在同样辐射通量（非光抑制）的情况下，光合诱导过程中光斑可以提高富贵草对光斑的利用能力（光斑诱导的碳同化量可高出对照48%）。叶绿素荧光测量结果表明：1）光斑与光斑之间的暗期发生了qN弛豫过程;2）暗期之后的光期光化学能量转换效率提高。强光光斑簇可以诱导富贵草光抑制的产生，但程度较连续光低。 关键词：模拟光斑， 叶绿素荧光， 光诱导过程 3)用高效液相色谱(HPLC)和77K低温荧光发射光谱技术来研究快速诱导组分发生的时间内光斑所导致NPQ (qN)降低的生理原因。在非光抑制条件下，光斑造成的NPQ (qN)降低的生理原因包括叶黄素循环的变化及LHCIIs聚集态的变化;此外低温荧光数据还显示光斑导致的PSII/PSI荧光产量比率要高于连续光，说明光斑导致植物对于光的利用增加。以上结果说明模拟光斑诱导了富贵草内囊体膜较低水平的能态。 关键词：模拟光斑，叶黄素，聚集态 4)用气体交换等技术测定了部分银杉幼树的生理生态指标，用鱼眼镜头测定了所测叶片的林冠开度(OP)。研究了沿林冠开度梯度的银杉幼树对光的适应性。银杉幼树在林窗边缘表现出较好的适应性，包括高的ISG（综合地上部分茎生长），高的HG（当年生树高生长速率），较高的LMA（单位叶片面积干物质重），较高的Pns（单位叶片干物质水平的净光合速率），高的单位叶片的碳同化速率，较高的截获光的单位叶片的叶面积等等，可以初步确定银杉属于Gap树种：在所测定的范围内（0. 00139%-0. 0109%）TN（土壤总氮量）明显不如OP对银杉幼树生长的影响大;综合的生态可塑性指标必须考虑具体的实验地情况、选取合适的形态学和生理学的因子、并结合多个相似生长环境下的树种来进行考虑。 关键词：林冠开度，生理生态指标，生态可塑性 5)分析了湖南八面山的银杉的某些光合特性，并比较了极郁闭（ OP<4%）情况下银杉当年生叶片与大树顶端枝条(OP>30%)当年生叶片之间光合特性上的差异。极郁闭情况下银杉叶片生长出现黄化现象，但银杉幼苗又不耐强光。银杉幼苗一天的光合动态变化表明，银杉最大光合速率在早晨8:00左右，当光照超过光饱和点时，净光合速率迅速下降，其后略有回升，呈不太典型的双峰模式。气孔关闭与净光合速率的下降有密切的关系。早晨8:00到11:00间叶黄素循环运转，对光合系统起到一定保护作用。 关键词： 银杉，色素分析，光合作用 6)采用一种新方法来测量大叶黄杨叶片内部的绝对光能利用效率梯度的曲线。该方法基于光声光谱的深度分析(Depth-Analysis)理论，并结合了光纤微探测器的叶片光梯度测量结果。日本小檗(Berberis thunbergii DC.)叶片的光声光谱扫描显示了深度分析的精确性。实验结果表明：叶片内部利用光能效率最低处在栅栏组织和海棉组织之间（入射光能的0.026%-660nm红光）;越靠近叶片的上表皮和下表皮，趋势显示叶片组织利用光能效率有上升的趋势(分别为0.092%，0.036%)。因此，不同叶肉组织绝对光能利用效率是不同的，该实验结果直接证实了Han &Vogelmann 1999b所提出的假设。 关键词： PA深度分析 叶片内部的光梯度 光化学损失 光吸收梯度

水稻对大气二氧化碳浓度及温度升高的光合适应的研究

基于长期观测资料，众多大气环流模型预测在二十一世纪末大气中二氧化碳浓度将达到700μmolmol'I，地球表面年平均温度也将升高1.5-4.OoC。水稻是亚洲的主要粮食作物，为世界近三分之一的人口提供食物能源。这项工作的目的，是利用人工模拟环境，预测在未来全球气候变化，二氧化碳及温度升高的条件下，水稻的光合生理反应及随之而来的对其产量的影响。本研究是美国环境署( EPA)与国际水稻研究所(IRRI)合作研究项目“Effects of UV-B and Global Climate Change on Rice”的一部分． 在这项研究中，采用了特殊设计并直接建立在水稻田间的开顶式气室（open-top chambers）。在此之前还没有这样大规模的在水稻主产区的此类模拟研究，水稻在气室中渡过了从萌发到收获的整个生长过程。模拟环境条件有三个浓度的二氧化碳（包括现有大气浓度，在此基础上升高200及300 μmolmol-l）和两个温度（即：现有大气温度及升高4度）共六个处理。供试水稻品种四个：IR72，IR65598-112-2，IR65600-42-5-2-BSI-313和N22。在实验中我们发现，水稻品种（如：1R72）单叶光合速率（以二氧化碳气体交换速率计）受二氧化碳浓度促进，在水稻营养生长期，二氧化碳及温度对其光合有协同促进作用．然而，随着花期的到来，在高温条件下，叶片光合能力（photosynthetic capacity）下降，出现光合适应现象（Photosynthetic acclirnation）.水稻群体光合作用同样受到二氧化碳浓度促进，但在后期(Grain fill stage)这种促进作用消失;在高浓度二氧化碳下生长的大多数水稻品种的叶片中有较多的碳水化和物（可溶性糖和淀粉）积累．耐高温品种N22叶片中淀粉积累较少：叶片中氮素含量降低，同时发现Rubisco总活性相应降低，这与NCi曲线所示光合效率降低相吻合;通过叶片叶绿素荧光动力学测定，没有发现光系统光能转化效率的变化;水稻籽粒产量随二氧化碳浓度升高而增加，但温度升高使产量降低12.8-36.8%;不同品种对二氧化碳浓度的反应没有显著差别;在高温条件下，耐高温品生长在高二氧化碳浓度下表现良好。 本文系统地研究了水稻光合作用在二氧化碳及温度条件影响下，对二氧化碳浓度及光强变化的反应曲线，初次对水稻单叶与群体光合对二氧化碳浓度变化的反应做了实验性对比;讨论了温度升高对水稻在高浓度二氧化碳下发生光合适应的影响，对光合适应现象的可能机制做了探讨，并提出对未来大气二氧化碳浓度及温度升高条件下水稻适应品种筛选的可能方向。

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。

Light histories influence the impacts of solar ultraviolet radiation on photosynthesis and growth in a marine diatom, Skeletonema costatum

Phytoplanktonic species acclimated to high light are known to show less photoinhibition. However, little has been documented on how cells grown under indoor conditions for decades without exposure to UV radiation (UVR, 280-400 nm) would respond differently to solar UVR compared to those in situ grown under natural solar radiation. Here, we have shown the comparative photosynthetic and growth responses to solar UVR in an indoor-(IS) and a naturally grown (WS) Skeletonema costatum type. In short-term experiment (<1 day), phi(PSII) and photosynthetic carbon fixation rate were more inhibited by UVR in the IS than in the WS cells. The rate of UVR-induced damages of PSII was faster and their repair was significantly slower in IS than in WS. Even under changing solar radiation simulated for vertical mixing, solar UVR-induced higher inhibition of photosynthetic rate in IS than in WS cells. During long-term (10 days) exposures to solar radiation, the specific growth rate was much lower in IS than WS at the beginning, then increased 3 days later to reach an equivalent level as that of WS. UVR-induced inhibition of photosynthetic carbon fixation in the IS was identical with that of WS at the end of the long-term exposure. The photosynthetic acclimation was not accompanied with increased contents of UV-absorbing compounds, indicating that repair processes for UVR-induced damages must have been accelerated or upgraded. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photosynthesis and growth of Arthrospira (Spirulina) platensis (Cyanophyta) in response to solar UV radiation, with special reference to its minor variant

The minor variant of the economically important cyanobacterium, Arthrospira platensis, usually appears in commercial production ponds under solar radiation. However, how sensitive the minor variant to solar UVR and whether its occurrence relates to the solar exposures are not known. We investigated the photochemical efficiency of PSII and growth rate of D-0083 strain and its minor variant in semi-continuous cultures under PAR (400-700 nm) alone, PAR + UV-A (320-400 nm) and PAR + UV-A + UV-B (280-700 nm) of solar radiation. The effective quantum yield of D-0083 at 14:00 p.m. decreased by about 86% under PAR, 87% under PAR + UV-A and 92% under PAR + UV-A + UV-B (280-315 nm), respectively. That of the minor variant was reduced by 93% under PAR and to undetectable values in the presence of UV-A or UV-A + UV-B. Diurnal change of the yield showed constant pattern during long-term (10 days) exposures, high in the early morning and late afternoon but the lowest at noontime in both strains, with the UVR-related inhibition being always higher in the variant than D-0083. During the long-term exposures, cells of D-0083 acclimated faster to solar UV radiation and showed paralleled growth rates among the treatments with or without UVR at the end of the experiment; however, growth of the minor variant was significantly reduced by UV-A and UV-B throughout the period. Comparing to the major strain D-0083, the minor variant was more sensitive to UVR in terms of its growth, quantum yield and acclimation to solar radiation. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.