Effect of gamma-ray radiation on physiological, morphological characters and chromosome aberrations of minitubers in Solanum tuberosum L.

Purpose: To investigate the effects of gamma-ray radiation on the physiological, morphological characters and chromosome aberrations of minitubers. Materials and methods: Minitubers of one potato cultivar, 'Shepody', were irradiated with 8 doses of gamma-rays (0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80 Gy [Gray]) to investigate the effects of radiation on emergence ability, plant height and root length, morphological variations, chromosome aberrations, M-1 (first generation mutants) tuber number and size of minituber plants. Results: Compared with the non-irradiated controls, the whole period of emergence was prolonged by 10-15 days for minitubers treated with gamma-ray radiation, but low doses of radiation (10, 20 and 30 Gy) promoted the emergence percentage of minitubers. With an increase in radiation dose, the emergence percentage, plant height and root length of minituber plants were significantly inhibited at 40 and 50 Gy. No emergence occurred at 60 Gy and higher doses. After radiation, a series of morphological variations and chromosome aberrations appeared in minituber plants. Radiation with 20 Gy promoted tuber formation, and the average number and diameter of M-1 tubers per plant were significantly increased over the control by 71% and 34%, respectively. Conclusion: Low doses of radiation (10-30 Gy) might be used as a valuable parameter to study the improvement of minitubers by gamma-ray radiation treatment.

青蒿异源基因的遗传转化及青蒿生物合成相关基因的克隆

本论文由三部分内容组成，一、药用青蒿的遗传转化，即根癌农杆菌和发 根农杆菌介导的转化系统的建立及其影响参数的研究。二、青蒿素生物合成的 分子调控。三、倍半萜生物合成相关基因的克隆。 一、药用青蒿的遗传转化。建立了Ri质粒介导和Ti质粒介导的两种转基因系统， 其中Ri质粒介导青蒿转基因系统的建立是国际上首次报道;以GFP基因为报 告基因，首次获得高效表达的青蒿转绿色荧光蛋白基因的丛生芽，并对GFP基 因的表达进行了组织和细胞水平的定位。此外，对影响两种转基因系统的主要 参数进行了较为详细的研究。上述研究为青蒿素生物合成的分子调控奠定了坚 实的基础。 二、青蒿素生物合成的分子调控。为探索提高青蒿植株或组织和器官中的青蒿 素含量，首次以棉花中克隆的杜松烯合成酶和法呢基焦磷酸合成酶的 cDNA 为 目的基因导入青蒿，对青蒿中青蒿素的生物合成进行了分子调控研究的尝试。 通过已建立的两种转基因系统，将从棉花中克隆的杜松烯合成酶和法呢基焦磷 酸合成酶的 cDNA 导入青蒿，获得转基因发根和转基因植株。结果表明，外源 基因的表达能够影响青蒿素的生物合成，其中法呢基焦磷酸合成酶基因的过量 表达能够促进青蒿素的生物合成，提高转基因发根和植株中的青蒿素的含量。 转基因发根F-26系中青蒿素含量最高达3.01 mg/g.DW，与对照相比青蒿素含量 提高3～4倍;转基因植株的青蒿素含量最高达10.08 mg/g.DW，与对照相比， 转基因植株的青蒿素产物提高2～3倍。此外，研究还表明，在转基因的发根C -37株系中，外源杜松烯合成酶基因的导入和表达可能相应地促进青蒿转基因 发根自身的法昵基焦磷酸基因的表达。 三、倍半萜生物合成相关基因的克隆。采用 RT-PCR 技术，从马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 幼叶中克隆了 HMGRII 亚基因家族的一个新的成员 HMGR-c2（GenBank accession No．AF 096838Southem）;杂交分析表明，该基因至少以 两个拷贝以上形式存在于马铃薯基因组中;RT-PCR分析表明，HMGR -c2的 表达在幼苗期无组织特异性，广泛地存在于根、茎、叶等组织中。以青蒿001 株系的苗期叶片为材料，构建了青蒿苗期的λgtll cDNA文库，以PCR筛库方 法从青蒿中克隆一个法呢基焦磷酸合成酶cDNA (Artfps2 GenBank accession No． AF136602)和一个HMGR cDNA(GenBank accession No．AF142473);以青蒿 025株系的苗期叶片为材料，构建了青蒿苗期部分质粒文库以 PCR 筛库方法从 青蒿中克隆一个法昵基焦磷酸合成酶 cDNA (Artfpsl GenBank accession No.AF112881);此外，还从青蒿中克隆了倍半萜合成酶的 cDNA 片段(GenBank accession No.AF156854)。其中青蒿倍半萜合成酶基因的克隆是目前国际上本研 究领域最受关注的焦点和难点之一。至此，本研究已将与青蒿素生物合成相关 的三个重要的关键酶基因基本克隆，这无疑将加速青蒿素生物合成的基础和应 用研究的进程。

光诱导淀粉质体向叶绿体转化过程中光合特性的研究

本工作以马铃薯（Solanum tuberorum L）块茎为材料，研究了光诱导的淀粉质体向叶绿体转化过程中光合功能的变化。主要结果如下： （1）通过不同转化时期质体叶绿素积累、色素成分变化、低温荧光发射光谱、光诱导荧光产率和PSI、PSII光化学活性的测定，证明马铃薯块茎淀粉质体在光下转化为叶绿体的过程是光合膜光合功能逐渐发育完善的过程。（在照片14天后光合机构及其光合功能趋于完善）。 （2）在照光一天后，开始出现叶绿素a和b。光诱导的时期（在头5天内）叶绿素a的形成速度较叶绿素b快。在光诱导的中期（第五天至十四天），叶绿素b的形成速度较叶绿素a快。在光诱导的第十四天以后，叶绿素a和叶绿素b的形成速度趋于稳定。 （3）照光三天时，出现PSI和PSII活性。不同光照时间对光合膜电子传递活性和低温荧光发射光谱的影响证明在发育早期PSI光化学反应活性较PSII增加得快，而PSII中心复合体的发育又早于PSII天线色素蛋白复合体的发育。 （4）在淀粉质体向叶绿体的转化过程中，其叶绿素积累和色素蛋白复合体的发育情况与大多数黄化质体转绿过程相似。但由淀粉质体发育而成的叶绿体无论在色素含量还是PSI、PSII光化学活性方面都远不如黄化质体转化成的叶绿体完善。本文对这些差异进行了讨论。

RNAi沉默光合膜磷脂合成酶基因的研究

磷脂是动物和植物非光合组织细胞膜系统的主要组成成分，在细胞生命过程中扮演着重要角色。尽管绿色植物光合膜的的甘油脂主要是糖脂，但是它仍然含有大约10％的磷脂，说明磷脂在光合膜的结构和功能中起重要作用。构成生物膜的磷脂有多种，但是，光合膜只含有磷脂酰甘油（PG）一种磷脂。光合膜中的PG有其特殊性，即：在PG的sn-2位上总连着一个棕榈酸（16:0）或者反式十六碳烯酸（16:1trans），说明了这种具有特殊结构的甘油脂在维持类囊体膜的结构和功能方面具有重要的作用。 叶绿体中有两个重要酶参与了PG的生物合成，它们分别是胞嘧啶二脂酰甘油合成酶（CDS）和磷脂酰甘油合成酶（PGS）。本实验以烟草和马铃薯为材料，利用RNAi技术，对CDS和PGS基因的表达进行抑制，通过PG缺失突变体，研究其功能。 对转含有PGS片段的沉默结构的转基因烟草叶片膜脂进行了分析，结果表明，与野生型烟草相比较，其PG含量下降了约20%，同时，SQDG和PC的含量增加。PG含量的降低没有引起MGDG和DGDG含量的变化。另外，我们还对转基因植株目的基因片段的RNA表达水平进行了RT-PCR分析，发现其表达量大幅度降低。这些结果表明，在转基因株系中，PGS基因的表达受到了抑制，说明我们获得了PG部分缺失的烟草PGS突变体。 对烟草PG缺失体的PG脂肪酸组成进行分析，表明其特征性脂肪酸反式十六碳烯酸含量明显下降，比野生型降低了44%，C18:0、C18:1和C18:2的相对含量增加，整个变化与总脂脂肪酸变化基本一致。 为了研究PG缺失对光合作用的影响，我们分析了多种光合指标。对叶绿素含量的分析表明，PG含量的降低影响了光合色素的组成。PG部分缺失的转基因烟草中的叶绿素总的含量下降，其中叶绿素b含量下降更为明显，结果，叶绿素a与叶绿素b的比值较野生型高。转基因植株净光合速率下降，二氧化碳利用率降低;PSII的最大光化学效率（Fv/Fm）和实际光化学效率（фPSII）降低，光化学猝灭下降，非光化学猝灭增加，尤其老叶的变化更为明显。这些结果说明了PG的部分缺失影响了植株的光合能力，捕光色素蛋白复合体的结构受到了影响，PSII功能遭受损伤。 同时，我们根据已经报道的马铃薯CDS基因，克隆了一个片段，构建沉默结构，并对沉默结构进行了转化。通过抗性基因的筛选以及RT-PCR检测，证明了沉默结构转化成功，目的基因的表达受到抑制，获得了马铃薯CDS转基因植株。 对马铃薯野生型和CDS转基因植株进行膜脂和脂肪酸分析表明，转基因植株叶片的PE、PG和PC等磷脂含量降低，SQDG和DGDG含量增加;C16:1（3t）、C16:2、C16:3、C18:1和C18:2含量下降，C16:0和C18:3含量增加，而C16:1和C18:0变化不明显。马铃薯CDS转基因植株的叶绿素荧光分析表明，PSII最大光化学效率降低，从野生型的0.82下降到0.77。

黄土丘陵区免耕条件下两种土壤酶活性变化

为了确定合理环保的耕作制度,2007~2008安塞田间定位试验黄土丘陵旱作农区大豆(Glycine maxL)、玉米(Zea maysL)、红小豆(Semen Phaseoli)、马铃薯(Solanum tuberosumLinn.)在翻耕化肥(CF)、翻耕有机肥(CM)、翻耕无肥(CN)、免耕化肥(NF)、免耕有机肥(NM)、免耕无肥(NN)等水平下的农田土壤脲酶、蔗糖酶活性。结果表明:在作物花期,大豆、玉米土壤脲酶活性较高,蔗糖酶活性较低,而红小豆、马铃薯则与之相反,差异极显著。到作物收获后,玉米土壤脲酶、蔗糖酶活性增高,增幅在83%以上,而马铃薯、红小豆、大豆三种作物土壤脲酶活性降低,降幅在10%以上,蔗糖酶活性增强,增幅在40%以上。从花期到收获后,免耕降低了土壤脲酶活性,提高了土壤蔗糖酶活性,在黄土丘陵沟壑旱作农区两种土壤酶活性表现较优的作物为大豆、玉米,较优的处理为NM玉米、NF大豆,其田间环保效应为:作物生长期间两种酶活性比较高,收获后两种酶活性则降低,有利于提高作物生长期土壤肥效利用率,减少作物收获后温室气体的排放。

陕北黄土丘陵沟壑区水土保持耕作及施肥下农田土壤种子库特征

为了探明多年免耕下农田恶性杂草发生的机理,提高保护性耕作下作物对农田恶性杂草持久稳定的抑制效果,依据陕西安塞田间4a的定位试验,采用小区调查取样和室内实验相结合的方法,从物种组成、密度特征、多样性以及相似性特征等方面,研究了黄土丘陵旱作农区大豆(Glycine max)、玉米(Zea mays)、红小豆(Semen Phaseoli)、马铃薯(Solanum tuberosum)在翻耕化肥(CF)、翻耕有机肥(CM)、翻耕无肥(CN)、免耕化肥(NF)、免耕有机肥(NM)、免耕无肥(NN)等水平下的农田土壤种子库。结果表明:(1)4种作物24种土样中共萌发出12个物种1965株幼苗,隶属于7科12属。1年生杂草占94%,棒头草(fugax nees ex steud)、苋菜(Acalypha australis)、马唐(Digitaria sanguinalis)、早熟禾(Poasphondylodes)为优势种,占87%。(2)在0～20cm土层不同处理间,土壤种子库的密度变动于(282.9±63.4)～(7482.5±1078.3)粒.m-2,其中,红小豆小区>马铃薯小区>大豆小区>玉米小区;翻耕小区>免...

不同保水剂对宁南山区马铃薯生长发育和产量的影响

为促进宁南半干旱山区产业支柱作物马铃薯的生产,解决马铃薯生产、特别是苗期的干旱缺水问题,采用田间试验方法,进行PAM保水剂、多功能保水剂与一定配方尿素+过磷酸钙的施用对马铃薯生长发育、产量及效益的试验。结果表明,两种保水剂均能促进马铃薯生长发育,增加干物质积累,但是在不同生育时期促进作物生长的效果有所不同。1%PAM保水剂浸种2~3 min处理在前期效果显著,多功能保水剂在后期效果突出。马铃薯以施用多功能保水剂30 kg/hm2效果最好,其产量和商品薯分别比对照高出52.33%、138.29%,增收5 356.8元/hm2。研究表明,施用30 kg/hm2多功能保水剂比用1%PAM保水剂浸种2~3min更适宜宁南半干旱区及其同类地区旱地种植马铃薯。

镉超积累植物的生态特征及污染耐性机理分析

在已发现的超积累植物中，镉超积累植物种类较少，对其重金属耐性及超积累机理的研究还未有突破性进展，这些植物金属耐性机理的描述对于镉污染土壤的植物修复研究是非常有意义的。本研究以镉超积累植物龙葵（Solanum nigrum L.）、球果蔊菜（Rorippa globosa (Turcz.) Thell.）为研究对象，以茄子（Solanum melongena L.）和风花菜（Rorippa islandica (Oeder.) Borb.）为对照植物，描述了镉超积累植物污染耐性的生态特征，系统探讨了镉超积累植物的耐性机制。 （1）龙葵较茄子有更高的镉耐性及镉积累性；球果蔊菜较风花菜有更高的镉耐性及镉积累性，球果蔊菜茎部受抑制现象是实现其特异吸收和积累重金属的适应性反应，这种地上部营养物质的重新分配现象可能是球果蔊菜作为超积累植物独特的生态特征。 （2）龙葵根系中SOD和CAT活性及叶片中POD和CAT活性的协同作用在缓解镉积累引起的膜脂过氧化损伤中发挥着积极作用，球果蔊菜叶片SOD和CAT的协同作用在缓解镉积累引起的膜脂过氧化损伤中也发挥重要作用，可以推断龙葵、球果蔊菜体内抗氧化酶防御系统在其镉耐性中扮演重要的角色。 （3）镉的污染胁迫均能明显促进龙葵和球果蔊菜体内脯氨酸的积累，脯氨酸在其镉耐性及积累性中扮演着重要角色，其中叶片脯氨酸可能发挥着更大的作用。 （4）龙葵叶片中柠檬酸和乙酸含量的动态变化与其镉积累有关，球果蔊菜叶片中苹果酸和酒石酸含量的动态变化与其镉积累有关，有机酸可能在龙葵及球果蔊菜镉耐性及积累性中起到一定的作用，但高含量的有机酸并不是植物镉耐性和超积累性的主要原因。 （5）植物螯合肽可以作为植物镉超积累特征的生物指标，但植物螯合肽的合成并非镉超积累植物耐性的主要机制。

植物修复镉-多环芳烃污染土壤强化措施研究

本论文以镉超富集植物龙葵(Solanum nigrum L.)为材料，研究化学强化剂对龙葵修复镉-多环芳烃复合污染的作用，并对筛选出的强化剂在不同浓度水平镉-多环芳烃复合污染土壤的适用性进行研究，以期为镉-多环芳烃复合污染土壤的植物修复强化技术提供理论指导。 （1）采用室内盆栽试验的方法，研究外源半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸及其复合处理对超富集植物龙葵修复镉-多环芳烃复合污染土壤的影响。试验表明，各浓度水平的单因素处理对植物株高及地上部干重并没有显著影响（p>0.05），而复合处理则具有显著的促进作用(p<0.05)。各处理能够显著增强龙葵对镉的吸收和富集能力，其中半胱氨酸处理使重金属提取率分别达到1.80%及1.83%，与对照相比提高1.80及1.83倍。研究发现甘氨酸、谷氨酸及半胱氨酸复合处理能够促进镉及多环芳烃在土壤环境中的去除作用，且0.3mmol•kg-1甘氨酸+0.3mmol•kg-1谷氨酸+0.3mmol•kg-1半胱氨酸处理效果最佳，与对照相比龙葵地上部Cd含量增加2.26倍，土壤多环芳烃总量的去除率提高5.46倍。 （2）采用室内盆栽试验的方法，研究EDTA、水杨酸、TW80及其复合处理对超富集植物龙葵修复镉-多环芳烃复合污染土壤的影响。研究发现，单因素EDTA处理对龙葵具有很强的植物毒性作用，显著降低了龙葵地上部干重(p<0.05)。水杨酸及TW80处理促进了土壤中多环芳烃的生物降解作用，其中以0.9mmol•kg-1水杨酸处理效果最佳，芴、苯并(a)蒽、 、苯并(b)荧蒽、苯并(a)芘及苯并(g,h,i) 的降解率分别达到52.3、35.1、60.7、54.5、69.3及68.8％。此外，研究结果显示水杨酸对龙葵地上部提取镉总量具有很好的促进作用，即水杨酸处理能够促进污染物镉和多环芳烃的在土壤环境中的去除作用。 同样，复合处理0.1mmol•kg-1EDTA+0.5mmol•kg-1TW80和0.5mmol•kg-1EDTA+0.3mmol•kg-1水杨酸对以上两种污染物的去除均有很好的促进作用，表明在化学强化剂的协助条件下利用超富集植物修复重金属和有机复合污染土壤是可行的。 （3）采用室外盆栽试验的方法，研究化学强化剂0.1mmol•kg-1EDTA、0.9mmol•kg-1半胱氨酸、0.9mmol•kg-1水杨酸、0.3mmol•kg-1TW80及其复合处理对不同类型的镉和苯并(a)芘土壤修复适用性进行研究。研究发现，高浓度镉和苯并(a)芘对其在土壤环境中的去除产生抑制作用，其抑制强度随浓度的升高而增强。研究结果显示，不同类型的污染土壤对化学强化剂的需求不同，当土壤投加5mg•kg-1Cd时，EDTA+半胱氨酸及EDTA处理对龙葵吸收镉具有显著的促进作用，而土壤镉投加浓度为15mg•kg-1Cd时，仅EDTA+半胱氨酸处理的促进效果最佳；当土壤投加1mg•kg-1Bap时，水杨酸+TW80处理能够显著增强Bap的降解作用，而土壤投加2mg•kg-1Bap时，TW80处理的强化效果最佳；当土壤投加5mg•kg-1Cd和1mg•kg-1Bap时，水杨酸+TW80+EDTA处理对土壤中两种污染物去除均有很好的促进作用，而土壤投加15mg•kg-1Cd和2mg•kg-1Bap时，半胱氨酸+TW80处理效果最佳。

氮肥和钾肥强化龙葵修复镉污染土壤

采用室外盆栽实验,研究了施用氮肥[(NH4)2SO4]和钾肥(KCl)对镉超积累植物龙葵(Solanum nigrumL.)的生长和吸收累积Cd的影响.结果表明,(NH4)2SO4虽不能显著提高龙葵地上部Cd含量,但可显著提高龙葵地上部干重,因而显著提高了龙葵地上部Cd的积累量,最大可提高2.8倍;KCl在高浓度处理时可以显著提高龙葵地上部Cd含量,然而它对地上部干重有抑制作用,最终没能提高龙葵地上部Cd的积累量.施用(NH4)2SO4可显著降低土壤pH值,但对土壤有效态Cd含量无显著影响;施用KCl可使土壤pH值显著提高,同时使土壤有效态Cd含量显著增加.(NH4)2SO4的强化龙葵修复效果较好.

不同类型作物对干湿交替环境的反应

通过对干湿交替环境下春小麦、马铃薯、大豆和玉米等作物的产量、水分利用效率及光合作用、蒸腾作用、气孔导度等生理变化的研究表明 :( 1 )春小麦和马铃薯在干湿交替环境下可获得与充分供水相当的产量而它们的水分利用效率却显著提高 ,大豆减产幅度较大 ,玉米减产严重 ,其水分利用效率显著低于全湿处理 ;( 2 )浇水后各作物的光合速率、蒸腾速率和气孔导度都有所增加 ,但不同作物增加的幅度不同 ,就是同一作物各指标的增幅也不同 ;( 3)干湿交替环境下同化物的运输模式有利于春小麦籽粒的充实和马铃薯块茎的膨大 ,而不利于玉米产量的形成 ;( 4 )产量不仅决定于营养生长阶段 ,更主要决定于生殖生长阶段。此外 ,还就干湿交替过程中若干生理变化和经济产量形成机制作了初步探讨。