五味子属的花发育形态学和系统学-兼论五味子科的演化

五味子属隶属于木兰亚纲八角目五味子科，全属共15种，呈东亚一北美间断分布，东亚是其分布中心。五味子科因花部器官数目多而不定，螺旋状排列等特征，被确认为原始多心皮类的一员，与八角科、木兰科、Winteraceae等有亲缘关系。同时，因为它具有一些特化的性状，如具3沟或异极6沟型花粉、花单性，而常被视为木兰亚纲中进化水平较高的类群。然而，近年来分子系统学的研究结果显示，五味子科是被子植物最基部的分支之一。这使得该科成为解决原始被子植物起源与演化问题的重要类群之一，而倍受关注。中国是五味子属植物分布最集中的地区，有着得天独厚的资源优势。在论述了该属研究现状和存在问题的基础上，作者重点从花发育形态学和分子系统学，对该类群进行了较为深入的研究，发现了一些重要的新的性状，为该类群的系统发育分析提供了有力的证据。 1. 借助于扫描电镜，对全属成熟雄花的6种变异类型的代表种，进行了全面细致的花形态建成的观察和分析。首次发现该属雄花形态建成的式样有3类，并分别将之命名为柱托型、平托型和球托型，它们的主要特征如下：柱托型在花发育的全过程里，花托部分保持柱状，雄蕊始终螺旋状排列;平托型的花原端在分化出雄蕊原基后，向上的生长减弱而侧向的生长增强，最终形成扁平五边形的花托，雄蕊先螺旋状排列后轮状排列：球托型的雄蕊原基仍是螺旋状向顶发生，但与此同时，雄花花托部分球形膨大，并逐渐在雄蕊着生处产生浅凹和孔穴。显然，这3种式样在花形态发生的早前期相一致，而在雄蕊原基萌动后并开始分化时，它们之间发生分异，导致成熟雄花的形态显著不同。作者认为，雄花形态式样反映了五味子属系统发育的渊源，柱托型是原始类型，平托型和球托型是衍生类型，它们可能在系统发育的较早期就已分异，各自朝不同的方向演化。根据这一新的证据，将五味子属分成3亚属：大花五味子亚属、五味子亚属和团蕊五味子亚属。它们雄花的形态发生式样分别为柱托型、平托型和球托型。还发现在雄花的形态发生同为柱托型的类群中，大花五味子群和少蕊五味子群的雄蕊在成熟时，药室由初始时位于药隔两侧的位置逐渐外转至药隔的背面或侧背面，造成开裂时呈外向或外侧向纵裂：而华中五味子群的雄蕊成熟后，药室仍位于药隔的两侧面，呈侧向纵裂。 南五味子属是五味子属最近缘的类群，以南五味子为代表种，进行了雄花形态发生的研究，该种雄花的形态建成式样属于柱托型，但又不同于五味子属的柱托型，其主要的区别表现在南五味子的雄蕊在成熟时变成轮状排列，该特征使它似乎界于大花五味子群和五味子群之间，呈过渡类型。因而，对于传统分类学中，依据果实的形态将五味子科划分为五味子属和南五味子属，需要重新审视。 2. 根据对花形态发生的观察和分析，文章提出五味子属中雄花形态发生式样为柱托型的大花五味子亚属是最原始的类群，而具平托型和球托型式样的类群演化程度都相对较高。五味子属雄花的演化趋势主要表现在花托从柱状向扁平状和球状演化：雄蕊数目由多数变为少数并最终向定数演化：雄蕊群由螺旋状排列向轮状排列演化。有性生殖过程中的传粉习性可能是导致五味子属雄花形态产生变异的原因。在白垩纪，鞘翅目昆虫仍是最主要的传粉媒介，它们在起到传粉作用的同时，也对植物的花器官造成严重损害。五味子属植物的祖先类群为了适应这种传粉习性，采取了不同的策略。雄花花托柱状，雄蕊螺旋状排列的类群，以多数雄蕊保证传粉得以完成：而在雄蕊数目少的类群中，则补偿性地增大花器官的营养组织部分，达到保护花药的目的。 关于五味子属植物单性花的性质，常被认为是较进化的性状。本研究结果显示，雄花中未出现雌性部分的残存，雌花中也未出现雄性部分的痕迹。因此，在形态上，五味子属表现出完全单性的特征。作者认为，五味子属的单性花性质不同于由两性花退化所形成的单性花，它可能反映了被子植物祖先类群花的另一种演化路线。 另外，作者通过对五味子属雌花形态发生的研究，比较和分析了诸多原始被子植物类群心皮的形态及其发生过程，赞成Endress认为离生多心皮类中既有对折心皮，也有囊状心皮，它们在原始类群中并存的观点。五味子属植物雌花的形态较一致，心皮在原基腹面基部的活动不明显，成熟心皮具明显的腹缝，腹缝两侧形成柱头脊，在类型上属于对折型心皮，体现了该属的原始性。 3. 作者选取了核基因组的rrs区和叶绿体基因组的trnL-F区，对五昧子属的10个种(代表了全部雄花类型)和南五味子属的4个种(分属2个组)以及作为外类群的华中八角，首次进行了序列分析。结果表明，从代表不同基因组的两个片段得到的分支图非常一致，都显示出：a) 五味子属的类群分别聚在3个不同的支上，并且这3个支完全对应于花形态发生的3种式样：b) 南五味子属的成员与五味子群聚在一起并得到Bootstrap分析很高的支持率，说明它们可能是单系的。该结果支持基于花形态发生研究所得到的结论。作者认为过去的分类中，将五味子属和南五味子属分割成两个属可能是不妥当的，值得深入研究。 4. 通过花发育形态学和分子系统学的研究，结合其它方面的资料，作者认为传统分类依据果实形态划分成的五味子属和南五味子属，可能都不是严格的单系类群。南五味子属的类群与五味子属中雄花花托为扁平五边形的类群显示出有很强的相关性。将两个属共同处理，分为3个亚属，似较适宜。由于尚需对南五味子属扩大取样研究，目前暂不对它进行处理。本文仅对传统意义上的五味子属的系统处理如下： 五味子属Schisandra Michx． 亚属1大花五味子亚属 Subgen.1 Pleiostema (Smith)Law 组1大花五味子组 Sect.1 PleiostemaSmith 组2华中五味子组 Sec.2 Sinoschisandra(Law)Liu 组3少蕊五味子组 Secc.3 Maximowiczia(Rupr.)Nakai 亚属2五味子亚属 Subgen.2 Schismxtm 亚属3团蕊五味子亚属 Subgen.3 Sphaerostema(Bl.)Law 5. 五味子科(或包括南五味子属在内的广义五味子属)现代分布格局显示，中国华中、华东和西南至印度支那北部的地域是该类群的多样性中心，而在整个分布区的外围，则零星散布着一些演化水平较高的类群。因此，五味子科很可能是在东亚大陆起源、分化后，往四周扩散。通过白令陆桥或欧美大陆到达北美：受第四纪冰川影响，形成东亚一北美间断分布。在东喜马拉雅、印度尼西亚的分布也都是扩散的结果。

吐鲁番洋海墓地植物遗存与古洋海人及环境之间的关系

古民族植物学（Paleoethnobotany）在我国尚属一个比较年轻的学科，其主要研究对象是先民们所栽培或利用过的植物遗存（Plant remains），目的在于揭示古代人们对食物的选择，栽培植物的起源，早期农业的出现以及居址周围的自然与生态环境。吐鲁番地区降水稀少。干燥的环境，使得考古遗址中的植物遗存得以完好的保存。本论文首次对吐鲁番洋海墓地（2500 B. P. ）的包括木材、果实、种子、茎杆、叶片等在内的植物遗存进行了系统的研究，依此分析了当时的植被及环境，并对与当时的土著居民密切相关的植物类群进行了详细研究。 研究表明，吐鲁番洋海墓地植物群包括木材、禾本科粮食作物、杂草及其它植物共18 种。其中我们详细研究了14 种，隶属于7 科14 属，它们分别为禾本科黍属中的黍（Panicum miliaceum），大麦属中的青稞（Hordeum vulgare var. nudum），小麦属中的普通小麦（Triticum aestivum），芦苇属的芦苇（Phragmites australis），虎尾草属的虎尾草（Chloris virgata），小獐毛属的小獐毛（Aeluropus pungens var. pungens），稗属的稗子（Echinochloa crusgali），大麻科大麻属中的大麻（Cannabis sativa），紫草科紫草属中的小花紫草（Lithospermum officinale）， 豆科槐属中的苦豆子（Sophora alopecuroides var. alopecuroides），茄科枸杞属中的黑果枸杞（Lycium ruthenicum），松科云杉属中的云杉属未定种（Picea sp.）， 杨柳科杨属的胡杨（Popules euphratica）及柳属未定种（Salix sp.）。研究表明，这些植物遗存渗透到古洋海人生活的方方面面。其中，粮食作物为可能以黍为主，以普通小麦及青稞为辅;用以作装饰的为小花紫草的小坚果;可能与其原始宗教及医药相关的为大麻;与建筑相关的植物有芦苇、黑果枸杞、云杉（Picea sp.）、胡杨及柳（Salix sp.）等;与当地居民意义不大的杂草有稗子、苦豆子、小獐毛、虎尾草等。其中，大麻及小花紫草遗存的出土意味着当时的土著居民对当地的植物已经有了很高的认识水平;黍、青稞及普通小麦的出土意味着他们可能与东西方文化均有接触，为东西方文明的交融起了桥梁作用;所出土的部份植物如小獐毛、小花紫草、柳、苦豆子，尤其是稗子、芦苇及香蒲属植物等都属于喜湿植物。这说明，在当时的洋海墓地周边环境与今天相似，亦为一块植被丰富的绿洲，其中可能有大面积的湿地。

通过体细胞杂交由大黍向水稻转移无融合生殖基因的研究

本论文以无融合生殖的大黍(Panicum maximum Jacp.)作为无融合生殖基因的供体，试图通过体细胞杂交方法向水稻(Oryza sativa L．)导入无融合生殖基因。结果如下：采用PEG融合法，诱导水稻原生质体与大黍原生质体融合，经过融合体筛选、培养，成功地获得了再生水稻植株。在融合前，水稻原生质体经过2.5 mM碘乙酰胺(IOA)在室温(22～25℃)条件下处理15分钟，大黍原生质体经过60Kr软x射线照射或不做任何处理。经双亲处理选择系统获得移栽成活的25株再生植株;经水稻单亲处理选择系统获得移栽成活再生植株3株。这两类融合再生植株（经双亲处理选择系统获得的25株和经单亲处理选择系统的3株）在花器官形态、结构及生殖特性上与对照亲本水稻植株有显著的差异，出现多花药（一朵颖花具7至11枚，甚至13枚花药）、多胚珠（一个子房内2～3个胚珠）及多胚囊（一个胚珠中2个以上胚囊）等现象;雌、雄性育性显著降低或完全消失，仅有5株能够少量结实，I-KI溶液着色的花粉从0至68%不等;胚胎学检查表明不能结实的植株雌性均不育，即不能分化出正常的胚囊结构。进一步的检查正在进行中。

风和竞争对毛乌素沙地４种植物的影响

自然生境中，风是一种重要的生态/环境因子，已经引起生态学家的广泛兴趣。然而，目前对风和竞争如何共同影响植物行为的理解还很少。本文基于野外控制实验，研究赖草（Leymus secalinus）、黍（Panicum miliaceum）、油蒿（Artemisia ordosica）和雾冰藜（Bassia dasyphylla）四种沙生植物生长和形态特征对风和竞争的综合反应，以及降雨量变化是否修饰风和竞争的生态学效应。 风和竞争显著影响赖草和黍的生长和形态特征。赖草和黍的总生物量和分蘖数受密度效应影响较大，没有竞争的植株生物量和分蘖数都显著高于有竞争的植株。赖草和黍的根冠比和株高则受风因素的显著影响：风速越大，植株越趋向于降低株高并将更多的生物量分配到地下部分。除赖草株高显著外，竞争和风对两种植物生长和形态特征的交互作用不明显。 在风、竞争和水分实验中，风、竞争及其交互作用对油蒿和雾冰藜形态特征均有显著影响。油蒿株高在中风环境中最大，而雾冰藜株高在大风环境中最小;油蒿基径在弱风环境中最小，而雾冰藜则相反。种内竞争情况下的油蒿株高和基径显著高于种间竞争，而雾冰藜则相反。种内竞争情况下的油蒿株高和基径随风速的增大而减小;种间竞争情况下的油蒿株高和基径在弱风环境中最小，中等风区最大。油蒿和雾冰藜的分枝数都受竞争的显著影响，种间竞争情况下的油蒿分枝数显著高于种内竞争，而雾冰藜则相反。风显著影响油蒿的茎重比和雾冰藜的冠重比。油蒿的茎重比随风速的降低而降低。弱风环境中，雾冰藜的冠重比显著高于强风环境下的。风和竞争的交互作用显著影响油蒿生物量。种内竞争情况下，油蒿生物量在大风环境中最大，中风环境中最小;种间竞争情况下，油蒿生物量在中风环境中最大，弱风环境最小。水分显著影响油蒿的茎重比，以及雾冰藜的根冠比和基径，而对这两个种的其他生长和形态特征无显著影响。低水分情况下，油蒿的茎重比显著较高，雾冰藜的基径显著较低，并且分配更多生物量到地上部分。 这些结果初步表明，单优群落中的优势种或呈聚集分布的种群中，植株的生长符合“密度效应”原则，即密度越大，单株植物的生物量越小;并且在大风环境中，趋向于分配更多生物量到地下部分。种内竞争情况下油蒿幼苗的竞争能力强于种间竞争，这可能是自然群落中的油蒿不是聚集分布的一个原因。

黍子叶绿体光系统Ⅱ32kDa蛋白基因：psbA的分子克隆及其在不同光质诱导下的转录调节

本文以我国的一种古老作物也是一种C4植物一黍子(Pannicum miliaceum)为材料，克隆了其叶绿体光系统Ⅱ反应中心32kDa蛋白的基因—psbA，研究了不同光质对其表达的影响，并讨论了psbA转录调控的可能机理。 用无水法从黍子幼，苗分离其叶绿体，裂解后用常规的饱和酚抽提法制备cpDNA，并用于A-T含量测定，电镜观察和psbA的基因克隆．结果表明，黍子cpDNA的A-T含量(67%)与其它高等植物的A-T含量(61-67%)基本一致。根据电镜观察，其分子大小在36-40um之问，相当于79×l06Da或127kb。除了环状的大分子cpDNA外，我们也观察到了一些环状的小分子cpDNA。据此，我们认为，叶绿体基因组在体内可能是处于一种动态的变化过程中，这种变化或许是适应其功能的需要，也或许是内共生系统进化过程中遗留下来的叶绿体祖先的行为。 黍子cpDNA经EcoRI消化后，建立了专一性片段的克隆库，并从中筛选出了呈psbA杂交阳性的克隆．Southern杂交结合限制性内切酶分析表明，含黍子psbA的EcoRI的限制片段长约2.Okb，较水稻和大麦的短约0.2kb。 以白光、红光，兰光、远红光和黑暗五种不同的处理培养黍子幼苗，叶片采收后用于叶绿素积累，高分子量cpRNA积累和psbA的Northern Spot分析。结果表明，不同的光质促进叶绿素积累和高分子量cpRNA积累的效率是平行的，其中红光较兰光和远红光有效，而复合光（白光）的作用效果最好。当以白光的效率为100%时，我们可以分别求出不同光质对叶绿素积累和高分子量cpRNA积累的相对效率值，表明高分子量cpRNA的积累对光的依赖性要比叶绿素积累对光的依赖性大的多。psbA的Northern Spot分析表明，不同光质下psbA转录本的积累与高分子cpRNA的积累是一致的。据此我们推测，在黍子叶绿体的光诱导发育过程中，psbA的转录过程可能不受光信号的直接调控，而是受叶绿体发育状态控制的恒定变化过程。其表达的调节作用可能主要在转译或转译后水平上。

不同水生植物对滇池入湖河道污水净化效能的比较

有关水生植物净化污水的研究已有广泛报道,但现有成果多来源于静态的室内研究,所用植物多为生活型接近的物种。为了比较不同生活型植物对河道污水的原位净化效果差异,构建了由水芹菜(Oenanthe javanica)、马尾草(Equisetum flu-viatile)、伊乐藻(Elodea Canadensis Michx.)和狐尾藻(Myriophyllum verticillatum L.)等4种不同生活型水生植物组成的水生植物塘系统,研究塘中不同植物对滇池入湖河道污水中氮、磷等指标去除效能的差异。结果表明

本氏针茅与柳枝稷光合生理生态特征比较研究

采用美国LI—COR公司生产的Li-6400便携式光合测定系统,选择在干旱季节里,在田间自然条件下,测定并比较研究了引种牧草柳枝稷和天然牧草本氏针茅两种禾本科植物的光合生理生态特征的日变化。结果表明,柳枝稷属于高光合、低蒸腾和高水分利用效率的植物,具有较强的气孔调节能力。柳枝稷之所以具有较高的光合速率,主要是因为它具有较强的叶肉细胞羧化能力,较低的气孔导度降低了蒸腾速率,从而提高了水分利用效率;本氏针茅属于较低光合,较高蒸腾和低水分利用效率的植物,但二者均能在黄土高原保持良好的生长。

柳枝稷的生长发育与土壤水分特征

1992—1998年中国科学院安塞水土保持综合试验站在山地、川地引种10份原产美国的柳枝稷(Panicum virgatum)材料,经过7 a测定,数据表明柳枝稷在3～5 a生长高峰期对土壤水分需求最大,产量最高。从土壤水分含量的变化来看,柳枝稷草地在80—200 cm土层已经形成土壤干层,而且在经过生长季节降雨和休闲期的雨雪水分补充不能够补偿,这主要是维持较大的生产力造成。柳枝稷在半干旱黄土丘陵区有较强的适应性,这对当地人工草地建造、天然草地改良具有重要意义。通过对柳枝稷驯化栽培的人工草地在黄土丘陵半干旱地区立地条件下生产力与土壤水分特征的比较,以揭示柳枝稷的生态适应性对其地上生物量形成规律的影响,为该地区合理利用牧草资源、提高草地的生产能力提供依据与参考。

黄土丘陵区柳枝稷光合生理生态特性的初步研究

研究了黄土丘陵区引种草种柳枝稷 ( Panicum virgatum)的光合生理生态特性 ,比较了不同叶位叶片光合速率 ( Pn)、蒸腾速率 ( Tr)、水分利用效率 ( WUE)的日变化以及环境因子的作用。结果表明 ,柳枝稷叶片 Pn日变化曲线为双峰型 ,中午“光合降低”主要是由于叶温过高导致呼吸高引起的净光合速率降低。叶龄增大 ,叶片 Pn日变化相对较平缓 ,其中壮龄叶Pn日变化最为平缓。幼龄叶 Tr的日变化为双峰型 ,随叶龄增大 (叶位下降 )而成为单峰型。WUE的日变化可划分为上午的降低和下午的波动 2个阶段 ,最上充分展开叶 (旗叶 )的WUE始终最高。