毛白杨（Populus tomentosa）木质素生物合成相关基因分离与木质素合成调节

木质素是植物体中具重要生物功能的次生代谢产物。然而纸浆生产主要是将原料中的木质素与用于造纸的纤维素分离，该工艺过程产生了造纸工业的主要污染废液，并且增加造纸成本。本研究目的在于利用反义RNA技术，在分子水平调节木质素的生物合成，降低中国特有造纸树种毛白杨的木质素含量，培育更适于我国造纸工业的原料树种。以下为本研究已取得的相关研究进展： 1.通过RT-PCR技术，从毛白杨中克隆了木质素生物合成的三个相关酶的cDNAs，它们分别为咖啡酸甲基转移酶(caffeic acid O-methyltransferase，COMT)、咖啡酰CoA甲基转移酶(caffeoyl Co-enzyme A O-methyltransferase，CCoAOMT)及香豆酸：辅酶A连接酶(4-coumarate: CoA ligase，4CL)。序列分析显示了毛白杨这三个基因与杨属中其它种的相应基因cDNA核苷酸序列高度同源。Northern点杂交分析表明，COMT、CCoAOMT及4CL基因在毛白杨正在生长的次生木质部中高水平表达，其表达高峰与树木的木质化进程同步;而在叶与叶柄中，这三个基因均不表达。COMT、CCoAOMT及4CL是木质素生物合成的相关酶，该表达特征与其基因功能相一致。本研究克隆的COMT、CCoAOMT及4CL基因的cDNAs已在GenBank注册登记，接受号分别为AF237777、AF240466、AF314180 (publish on Jan l,2002)。 2.通过一系列的DNA重组，构建了携带反义COMT、CCoAOMT或4CLcDNA的反义表达载体以及同时整合反义COMT与CCoAOMT cDNA的双价反义表达载体，PCR扩增与酶切检测确证构建无误。 3.以田间取材的速生三倍体毛白杨B19、B331及B304的茎尖、叶片与嫩茎为外殖体，首次获得了三倍体毛白杨的组培再生试管苗，并建立了速生三倍体毛白杨的组培再生系统，为通过基因工程改良其造纸性能奠定了基础。 4.农杆菌介导转化烟草，PCR与PCR-Southern检测表明我们获得了整合反义COMT、CCoAOMT cDNA及反义COMT及CCoAOMT cDNA共整合的转基因烟草。以Digoxigenin标记的对应于反义链的单链RNA为探针与转基因烟草的总RNA进行NoIthern点杂交，结果表明整合到其中的反义cDNA均已表达。转基因烟草的木质素分析将有助于对COMT及CCoAOMT两个甲基化酶功能的认识。 5.通过农杆菌介导，将反义CCoAOMT cDNA转入欧洲山杨与银白杨的杂交杨（P tremulaXP.alba）。经PCR，PCR-Southern及Southern检测，确认获得了转基因植株。以Digoxigenin标记的对应于CCoAOMT cDNA反义链的单链RNA为探针与转基因杂交杨总RNA进行Northern点杂交，结果表明整合到其中的反义cDNA已在转录水平表达。测定生长5-6个月的转基因杨树下部茎杆的Klason木质素含量，结果显示其中一个株系的Klason木质素含量比野生型对照下降17.9%，表明抑制杨树内源CCoAOMT基因表达可有效降低转基因植株的木质素含量。

玄参科毛泡桐花对称性基因的分离和表达研究

花两侧对称性的获得是由多次独立的进化事件而完成。在被子植物进化过程中，花两侧对称性在植物的适应辐射过程中有重要意义。在模式植物金鱼草中，CYCLOIDEA（CYC）是控制花对称性的关键基因。近年来，CYC 基因的同源基因已经在多个类群中被分离出来，并开展了CYC 类基因的分子进化及其与花对称性表型进化相关关系的研究。 泡桐属是模式植物金鱼草的一个近缘类群，我们从泡桐属的毛泡桐中分离出了CYC基因的两个同源基因，分别命名为PtCYC1 和PtCYC2 。组织特异性RT-PCR显示他们的表达模式发生了明显的分化。 毛泡桐中PtCYC1 基因的表达模式与 CYC 基因在金鱼草中和 McCYC 基因在M. confertiflora 中的表达模式存在明显的差异但是和RgCYC 在地黄（Rehmannia）中的表达模式十分相似。PtCYC1 基因在近轴区域的强烈表达可能与毛泡桐近轴雄蕊的缺失有关。 尽管PtCYC1和M. confertiflora 中的McCYC 基因均从近轴雄蕊延伸到了两侧雄蕊，但PtCYC1 基因的后期表达较弱。因此，毛泡桐中的两侧雄蕊的发育并没有像M. confertiflora 中的两侧雄蕊受到强烈的抑制而成为退化雄蕊，仅仅使得两侧雄蕊短于两个远轴雄蕊从而在毛泡桐中形成二强雄蕊。地黄属和泡桐属两侧对称花的显著特征是缺乏近轴雄蕊。PtCYC1 和RgCYC基因的表达模式的高度一致显示出近轴雄蕊的缺失可能和CYC类基因的强烈表达有关。十分有趣的是毛泡桐中PtCYC2 基因在各个区域均没有表达。对于PtCYC2 基因是否还有其他方面的功能还有待于进一步探讨。

农杆菌对毛白杨的转化及完整转化植株的获得

本文报道农杆菌转化毛白杨的高效遗传转化系统的建立。所用农杆菌菌株为：1.发根农杆菌R1000，含有Ri质粒pRiA4b。2.发根农杆菌R1000(pTVK85)，是菌株R1000中除含有pRiA4b外，并兼容一个带有超致病区(Supervirulent region)的质粒pTVK85。3.根癌农杆菌C58C1(pBZ693)，其质粒pBZ693是改建过的Ti质粒，载有T-DNA的基因1和基因2。将毛白杨外植体分别与上述菌株在MS+0.5ppm激动素培养基上先培养2天后，转移至MS+500ppm氨噻肟头胞霉素的培养基上。一个星期后即有根从外植体上产生。根癌农杆菌诱导的根形态明显与发根农杆菌诱导的根不同。R1000(pTVK85)诱导生根的外植体可占供试外植体总数的59%。转化的根有的可自发地形成不定芽或愈伤组织。通过培养基中激素的调整，可使转化的根系统100%再生出不定芽，并可由这些不定芽得到完整植株。转化植株的各克隆之间表型差异很大。有的地上部形态正常，仅根系与未转化植株有所不同。有的节间短、叶片多、顶端优势弱、根系发达而多发枝、多根毛。但所有转化植株皆无皱叶现象，其叶片形态与正常植株无异。普遍地有根生于植株的培养基平面以上部分的现象。取三个克隆的植株进行Southern杂交，其中两个为杂交阳性，表明确已被转化;另一个克隆为杂交阴性。

北京市土壤--植物系统重金属硫的分布迁移相互间关系和主成份分析

本文选择了北京市香山北京植物园、北京动物园、长安街和北京化工厂4个功能区和国槐（Sophora japonica (L) Beauv)、毛白杨 (populus tomentosa Carr)、丁香(Syringa Oblata)、野牛草(Buohloe dactyloides (Nutt) Engelm)4种植物;采集植物样品105个、土壤样品40个;测定了各样品的镍(Ni)、锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬 (Cr)、硫(S)7种元素含量;通过对样品元素含量的直观分析、回归分析、主成份分析(PCA)，得出以下结论：各样品各元素含量的最高值或异常值多出现在化工厂内，其次是长安街、动物园、北京植物园无;各功能区各样品各元素含量大小顺序多是：化工厂><长安街>动物园><北京植物园：表明化工厂内土壤、植物受污染的程度较重，其次是长安街，动物园稍轻，北京植物园则较洁净。土壤中7种元素分布特征是：S > Zn > Pb > Cr > Cu > Ni > Cd;植物中7种元素分布特征是：S > Zn >< Cu > Pb > Cr >< Ni >< Cd。7种植物样品对S、Zn、Cu、 Cd具较大的富集系数;对Ni、Pb、Cr具较小的富集系数;说明前者比后者在土壤—植系统中较易迁移。7种植物样品对S均具积累效应;毛白杨叶对zn，毛白杨叶、枝、国槐皮对Cd，野牛草对Cu也都具积累效应。国槐各器官元素含量分配是：皮含量>叶含量>枝含量;毛白杨各器官元素含量分配是：叶含量>枝含量;表明植物各器官中，枝元素含量较低。对元素含量回归分析，发现植物各器官元素含量间具显著性正相关系;植物中元素含量与土壤中元素含量绝大多数呈正相关。前者说明植物各器官生长发育的正相关性;后者说明土壤条件与植物生长发育的正相关性。对元素含量的主成份分析和样品排序，揭示出采自同一功能区的样品大都可形成一集团，但尚存在交叉、重叠和过渡的样品;化工厂集团多处在排序图Z1轴左边，长安街集团多处在Z2轴上方，北京植物园集团多处在Z1轴右边或Z2轴下方。可明确得出，化工厂土壤、植物污染较重（元素含量较高），其次是长安街;动物园污染稍轻，北京植物园较洁净的结论。还可知，化工厂、长安街某些样点污染较轻;而北京植物园、动物园某些样点污染较重。

贵州喀斯特森林优势木本植物水力结构特征

水力结构就是植物在特定的自然环境条件下，为适应生存竞争的需要所形成的不同形态结构和水分运输供给策略，它对于植物物种的分布、抗逆能力等方面起关键性作用。喀斯特常绿阔叶林生长的特有植物种类以其独特的形态解剖特征和生理适应性，很好的适应了喀斯特地区独特的水分和土壤环境，以维持自身的生存和最适生长。植物的水分关系是喀斯特地区特有植物种类适应环境的核心生理生态学问题之一。贵州喀斯特地区石漠化正日益加剧，因此，对贵州植物水力结构和环境适应性进行研究具有重要的意义。 目前，国内外学者在“冲洗法”中使用的不同冲洗溶质可能对植物木质部水力结构的测定结果等产生较大影响，因此本文首先研究了三种溶质的冲洗溶液对毛白杨(Populus tomentosa)和油松(Pinus tabulaeformis)枝条的水力导度和抵抗空穴化能力的影响。实验结果表明: 相对于去离子水，用0.01 M 的草酸和0.03 M KCl溶液作为冲洗溶液，均导致毛白杨木质部导管和油松管胞的水力导度测定值的增大。KCl导致毛白杨和油松木质部抵抗空穴化能力的测定值提高，草酸导致杨树抵抗空穴化能力测定值增强但导致油松抗空穴化能力测定值显著(P<0.01)减弱。小枝水平上，毛白杨和油松的水分运输效率和抗空穴化能力之间没有显著相关性。另外，在截枝实验中发现毛白杨小枝木质部水力导度随长度增加变化不大，而油松枝条的木质部水力导度有逐渐增大的趋势。以上的实验结果表明不同溶质下毛白杨和油松枝条的木质部水力导度和抵抗空穴化能力不同，草酸和KCl可能对木质部管道系统及纹孔处的果胶等产生作用，从而使毛白杨和油松的水力结构发生变化。毛白杨与油松水力结构在去离子水、草酸和KCl的作用下的不同结果及两物种截枝试验下水力导度的不同变化趋势，表明导管运输系统和管胞运输系统可能具有不同的水分运输影响因素。 在贵州花江、普定、荔波等地选择当地森林中39种优势木本植物作为研究对象，对其枝条的水力结构进行研究，结果表明: 该地区优势木本植物的水力结构与其他森林类型相比，其木质部抗栓塞化能力介于热带雨林和热带干热森林之间，而水力导度高于各森林类型的平均值。在石漠化程度不同的地区，植物总体的水力导度和水分运输的安全性没有呈现出明显的规律，但是同种植物在较为干旱的严重石漠化地区，其木质部安全性较高，植物在周围环境的影响下木质部水力结构朝着更适应周围环境的方向发展。 贵州喀斯特地区常绿植物和落叶植物的水力结构差异较为明显(P<0.05)。落叶树种主要在夏季生长，其最大水力导度较高，而冬季依靠落叶等方式度过不利的生长环境，因此其木质部安全性较常绿树种更为脆弱。总体而言，贵州喀斯特森林优势木本植物的在水力导度与安全性之间存在权衡关系，说明在大尺度水平上随着水力导度的提高即水分运输效率的提高，植物木质部抗空穴化的能力降低。

钩藤和蹄叶橐吾的化学成分研究

本论文由三章组成。第一、二章分别报道钩藤、蹄叶橐吾的化学成分研究工作。从两种药用植物中共分离和鉴定了37 个化合物，其中有1 组6 个新的骨架相似的鞘糖脂类同系物及5 个新的倍半萜类化合物。第三章概述了艾里莫芬烷内酯类化合物的研究进展。 第一章报道钩藤(Uncaria rhynchophylla)带钩茎枝乙醇提取物的化学成分。采用正、反相硅胶柱层析等分离方法，运用NMR、MS 等波谱技术共分离鉴定得到22 个化合物，分属于五环三萜类化合物、鞘糖脂类化合物等，其中有1 组6个新的鞘糖脂类化合物同系物，另外有7 个化合物首次从该植物中分离得到。 第二章报道蹄叶橐吾(Ligularia fischeri)根部乙醇提取物化学成分的分离纯化和结构鉴定。通过正、反相硅胶柱层析等分离纯化和MS、NMR 等波谱解析，共分离鉴定得到18 个化合物，其中5 个是新化合物。它们的结构分别确定为3β-acetyl-6β, 8α, 10β-trihydroxyeremophila-7(11)-en-8, 12-olide (23), 3β-acetyl-8β,10β-dihydroxy-6β-(2-methylbutyryloxy)-eremophilenolide (24), 3β-acetyl-6β, 10β-dihydroxyeremophila-7(11), 8(9)-dien-8, 12-olide (25), 3β-acetyl-6β, 10β-dihydroxyeremophila- 7(11), 8(9)-dien-8, 12-olide (26), (3aR, 4R, 5S, 7aS)-2-acetyl-7ahydroxy-3a, 4, 5, 6, 7, 7a-hexahydro-1H-inden-5-yl acetate (27)。这5 个化合物经体外生物活性测试，结果表明化合物23 具有抑制酪氨酸磷酸酯酶的活性, 其IC50 值为1.30 μg/ml。 第三章概述了近二十年来艾里莫芬烷内酯类化合物的研究进展，包括其结构及药理活性两个方面，列举了从23 种植物中分到的114 个艾里莫芬烷内酯类化合物，同时也对其主要生物活性进行了总结。 This dissertation consists of three chapters. The first and second chapters elaborate the phytochemical investigation of Uncaria rhynchophylla and Ligularia fischeri. Thirty-seven compounds, including six new ones, were isolated and identified by spectroscopic methods and X-ray diffraction experiments. The third chapter is a review on the study progress of Eremophilanolides. The first chapter focus on the isolation and identification of chemical constituents from Uncaria rhynchophylla. Twenty-two compounds were isolated from the roots of U. rhynchophylla by repeat column chromatography over normal and reversed phase silica gel. Those compounds mainly belonged pentacyclic triterpenoids and sphingolipids. Among them, a series homologues of six sphingolipids were new compounds and seven compounds were firstly reported in this plant. The second chapter is about the phytochemical investigation of L. fischeri. Eighteen compounds were isolated and identified. Among them, four new erem-ophilanolides and a new dinoreremophilane derivative were characterized as 3β-acetyl-6β, 8α, 10β-trihydroxyeremophila-7(11)-en-8, 12-olide (23), 3β-acetyl-8β, 10β-dihydroxy-6β-(2-methylbutyryloxy)-eremophilenolide (24), 3β-acetyl-6β, 10β-dihydroxyeremophila-7(11), 8(9)-dien-8,12-olide (25), 3β-acetyl-6β, 10α-dihydroxyeremophila- 7(11), 8(9)-dien-8,12-olide (26), (3aR,4R,5S,7aS)-2-acetyl-7a-hydroxy-3a, 4, 5, 6,7, 7a-hexahydro-1H-inden-5-yl acetate (27) by spectroscopic analysis and confirmed by X-ray crystallography analysis. It was revealed that compound 23 has the ability to inhabit the PTP1B in vivo. And its IC50 is 1.30 μg/ml. The third part is a review on the study progress of Eremophilanolides.