The analysis of the transient temperature distribution of double-slab Nd:YAG laser medium

A novel double-slab Nd:YAG laser, which uses face-pumped slab medium cooled by liquid with different temperatures on both sides, is proposed. The thermal distortion of wavefront caused by the non-uniform temperature distribution in the laser gain media can be self-compensated. According to the method of operation, the models of the temperature distribution and stress are presented, and the analytic solutions for the model are derived. Furthermore, the numerical simulations with pulse pumping energy of 10 J and repetition frequencies of 500 and 1000 Hz are calculated respectively for Nd:YAG laser medium. The simulation results show that the temperature gradient remains the approximative linearity, and the heat stress is within the extreme range. Then the absorption coefficient is also discussed. The result indicates that the doping concentration cannot be too large for the high repetition frequency laser. It has been proved that the high repetition frequency, high laser beam quality, and high average output power of the order of kilowatt of Nd: YAG slab laser can be achieved in this structure.

染色体加倍对忍冬生物学性状及其生态适应性的影响

忍冬（Lonicera japonica Thunb.）属忍冬科忍冬属，是一种重要的药用植物，其花蕾称为金银花（Flos Lonicerae），在我国已有1000多年的药用历史，具有清热解毒、凉散风热等功效。我们利用秋水仙素诱导二倍体“大毛花”品种茎尖选育出同源四倍体“九丰一号”品种，并在生产中发现花蕾产量显著提高，而药效成份含量是否发生变化了呢？四倍体忍冬表现出典型的器官巨大性，这些变化是否与其较强生态适应性之间存在联系呢？染色体加倍增强了忍冬的生态适应性，其生态修复功能如何呢？在本研究中，主要从以下几个方面进行了探讨：（1）染色体加倍对其叶片，茎、花蕾和花蕾产量及其药效成份等生物学性状的影响;（2）染色体加倍后植物对水分胁迫的响应;（3）染色体加倍后植物对热胁迫的响应;（4）除上述两个品种外，增加一个变异品种“红银花”，探讨3个忍冬品种对退化生态系统的修复功能。主要结果如下： 1. 通过测定根尖细胞染色体数目和使用流式细胞仪分析茎尖细胞DNA含量，表明四倍体忍冬（2n = 4x = 36）确实来自二倍体忍冬（2n = 2x = 18）的染色体加倍。四倍体忍冬气孔细胞大小显著大于二倍体，而气孔密度显著低于二倍体。四倍体忍冬没有光合“午休”，而二倍体存在明显的光合“午休”，这可能与其存在抗高温的叶片解剖结构特性有关。四倍体忍冬叶片较二倍体变大、变厚、变浓绿（较高叶绿素含量）。与二倍体相比，四倍体忍冬单位叶面积重量显著增高，表明其具有较强的生态适应性。四倍体忍冬单个花蕾的鲜重和干重均显著大于二倍体。连续3年的花蕾产量调查表明，四倍体显著高于二倍体。染色体加倍使其茎干粗壮、节间变短、新梢上着生花蕾数目增多及单个花蕾变大，这是其花蕾高产的生物学基础。对金银花的药效成份而言，染色体加倍不影响绿原酸的含量，但增加了木犀草苷的含量。结果表明，染色体加倍能增加金银花的产量和药效成份的含量，建议四倍体忍冬在药材生产中推广应用。 2. 水分胁迫显著降低二倍体和四倍体忍冬叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。水分胁迫也降低电子传递速率、光系统II实际量子产量和光化学猝灭，而增加非光化学猝灭、总可溶性糖、脯氨酸和丙二醛的含量。四倍体忍冬对水分胁迫的响应表现为其叶片水势、气体交换、叶绿素荧光和有关代谢物含量的变化程度低于二倍体，并且复水后其恢复能力快于二倍体，表明染色体加倍增强了忍冬的抗旱能力。分析其主要原因，可能是由于四倍体植株总叶面积减少、单位叶面积重量增加、叶片表皮细胞和栅栏组织增大以及叶片表皮毛较浓密等形态解剖结构特性有关。结果表明，染色体加倍能增加忍冬植物的抗旱能力，而使其具有较强的生态适应性。 3. 二倍体和四倍体忍冬受48 ºC热胁迫处理6 h和恢复10 h，以及离体叶片45 ºC，50 ºC，55 ºC 水浴热胁迫3 min，应用叶绿素荧光成像系统研究了它们对热胁迫的响应。热胁迫显著降低了两个品种叶片的最大光化学效率、电子传递速率、光系统II实际量子产量和光化学猝灭，降低了四倍体的非光化学猝灭，而增加了二倍体的非光化学猝灭。热胁迫增加了两个品种叶片的总可溶性糖、脯氨酸和丙二醛的含量。四倍体受热胁迫的叶绿素荧光参数和有关代谢物的响应程度低于二倍体，以及其恢复程度快于二倍体，表明染色体加倍提高了抗热性。此外，叶绿素荧光成像的异质性也表明，四倍体的抗热能力大于二倍体。进一步的叶片解剖结构分析表明，四倍体叶片的表皮细胞变大、栅栏组织增厚、表皮毛较浓密等特点，是其抗热性强的主要原因。 4.根据以上的研究结果，通过四倍体忍冬生态修复功能的野外试验证明染色体加倍后其生态适应性变化。在本研究中，针对北京市门头沟区大面积不同类型的废弃地急需恢复植被和景观的问题，在恢复生态学理念的指导下，综合运用集成技术，将3个忍冬品种植物用于这些退化生态系统的恢复。在王平镇的公路下边坡（以碎石和矿渣为主）、煤矿、石灰窑和采石场4种类型废弃地建立生态修复的试验示范区。结果表明，在4个废弃地类型上引进的3个金银花品种，具有使示范区快速复绿、当年成景和群落快速形成的潜力，并具有对不同退化迹地的适应能力和恢复效果，其中四倍体忍冬效果更好些，这主要与其形态解剖结构和较强的生态适应性有关。

盐适应植物光合作用耐热性研究

　　"盐渍土是一种分布广泛的土壤类型，盐渍土中生长的植物如何响应夏季较常出现的高温生长环境一直很少受到人们关注，我们以5种不同耐盐类型的植物为材料，研究其盐适应后光合作用的耐热性，并对耐热性原因做了进一步探讨，主要研究结果如下： 　　1． 用0、100、200、400 mM NaCl处理盐生植物碱蓬、滨藜、大莳萝蒿;用0、50、100、150 mM NaCl处理耐盐的甜土植物小麦和棉花。盐处理后碱蓬的整株干重变化不显著，而其他四种植物随着盐浓度的升高，整株干重逐渐减小，说明5种植物耐盐能力不同。盐处理对所有实验植物的光系统II最大光化学效率（Fv/Fm）、反应中心能量捕获效率（Fv′/Fm′）、实际量子产率（ΦPSII）、光化学猝灭系数（qP）等影响不显著;但对碳同化有明显影响。碱蓬盐处理后虽然气孔导度和胞间CO2浓度稍有下降，但CO2同化速率却高于对照;其他4种植物盐处理后CO2同化速率都明显降低，同时伴随着气孔导度和胞间CO2浓度的显著下降。以上结果表明盐适应植物的PSII并没有受到盐胁迫伤害，盐胁迫抑制这4种植物光合作用的一个重要原因可能是气孔限制。 　　2． 高温处理（36～48℃）结果显示，在42℃或45℃以上极端高温下，非盐处理植物的CO2同化速率下降至很低甚至为零，而盐适应植物仍保持一定强度的CO2同化能力。高温处理后盐适应植物的Fv/Fm、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII下降幅度也都小于非盐处理植物。不同程度的盐胁迫都能诱导5种植物的光合作用对热胁迫产生抗性，说明植物在适应盐胁迫过程中都能启动一些耐逆机制，使得这5种植物的光合作用在获得耐盐性的同时也获得了对热胁迫的抗性。 　　3． 室温下（30℃）碱蓬盐处理后，过氧化氢酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性等显著下降，超氧化物岐化酶活性变化不大，只有脱氢抗坏血酸还原酶活性显著增加;抗坏血酸和谷胱甘肽含量也显著下降。42℃高温处理后，碱蓬叶片的抗氧化系统的酶活性和抗氧化小分子物质含量变化与室温时变化类似。而且盐处理碱蓬叶片的膜脂过氧化产物MDA含量无论在室温下还是42℃处理后都显著高于非盐处理。盐处理后，碱蓬的抗氧化能力没有提高，推测盐处理叶片抗氧化能力大小不是决定其光合作用耐热性主要因素。 　　4． 在菠菜PSII颗粒的保存液中加入不同浓度的甜菜碱、脯氨酸和蔗糖（0~800 mM），测定PSII最大光化学效率（Fv/Fm）结果表明，有机相容性溶质的积累能显著缓解盐（400 mM和800mM NaCl）、热(30℃和40℃)及盐热胁迫共同作用对菠菜PSII颗粒的伤害。而盐处理后碱蓬、滨藜和莳萝蒿叶片中脯氨酸和可溶性糖含量都显著升高，说明盐胁迫诱导的有机相容性溶质的积累可能在盐适应植物光合作用的耐热性中起重要作用。 　　5． 提取室温下（30℃）或42℃高温处理碱蓬叶片的叶绿体和类囊体膜，用30℃、35℃、40℃、45℃、50℃水浴进行热处理，结果显示：用室温下或42℃高温处理的碱蓬盐适应叶片提取的叶绿体和类囊体经45℃以上水浴温度处理后，其PSII最大光化学效率（Fv/Fm）和放氧活性都显著高于非盐处理碱蓬叶片的叶绿体和类囊体;用42℃高温处理碱蓬叶片提取的叶绿体和类囊体热稳定性显著高于室温下碱蓬的叶绿体和类囊体。表明盐胁迫和热胁迫类似，都能在类囊体水平上诱导某些保护物质，增加植物PSII的耐热性。 　　6． 分析类囊体膜膜脂组成，结果显示，盐处理后碱蓬的类囊体膜脂中的饱和脂肪酸含量减少，不饱和脂肪酸含量增加;MGDG和DGDG含量变化不明显，而PG含量显著下降;42℃高温处理后碱蓬的类囊体膜脂组成也有类似的变化规律。盐诱导的碱蓬类囊体膜脂成分的变化可能不影响盐适应植物光系统的耐热性。"

高温和衰老对光合膜结构与功能影响的研究

本部分研究以菠菜和水稻为材料，比较系统的研究了高温对类囊体膜、PSII颗粒、PSII外周捕光天线LHCII、PSII核心复合物和PSII反应中心等不同层次膜蛋白结构与功能的影响，以探讨高温对光合膜蛋白的伤害机理。其主要结果如下： 1．类囊体膜结构与功能的完整性对于维持PSII的结构与功能在高温胁迫下的稳定性具有重要作用。当类囊体膜的完整性受到破坏，当与PSI有关的一系列保护机制失去作用时，PSII对高温胁迫的敏感性会大大加强。 2．虽然PSI的功能在高温下保持相对稳定，但PSI的结构在高温胁迫下并不稳定。本文的研究发现LHCI对高温非常敏感，在中度高温胁迫下就开始降解，但PSI的核心在高温下比较稳定，所以PSI介导的电子传递活性仍然维持在较高水平。 3．高温胁迫会对PSII的结构和功能产生多重破坏。这个过程首先应该是放氧复合体的失活：其次是反应中心的可逆失活;接下来可能是核心天线CP43和CP47的失活导致捕光天线同反应中心的能量传递受阻;再下来是QA到QR电子传递的受阻、反应中心的不可逆失活、捕光效率下降等过程;最后是大范围色素蛋白的变性和失活，PSII的结构和功能遭到彻底破坏。 4．高湿胁迫下Fo显著升高，Fo的升高的原因可能源于少量捕光天线同反应中心的分离和反应中心的失活。 5．高等植物体的类囊体膜中存在多种Chla和Chlb的光谱吸收形式。这些代表不同的光谱吸收形式的组分在高温胁迫下表现出不同程度的降解，其中C678 和C684组分降解最快。这些不同的光谱吸收形式组分可能以不同的比例存在于每一种色素蛋白复合物中。 6．LHCII的结构与功能对于维持PSII结构与功能的热稳定性具有重要作用，LHCII完全缺失的水稻突变体VG28及分离纯化的PSII核心复介物都人大增强了对高温的敏感性。但一种LHCII减少的水稻突变体249-Mutant,反而增加了PSII的热稳定性，进一步的研究表明，类囊体膜中 LHCII本身含量的多少对PSII热稳定性的影响不足决定性的，关键性因素可能主要取决于 LHCII含量改变而引起的膜脂组成和膜脂不饱和程度的改变，以及由膜脂变化引起的PSII放氧复合体结构与功能的变化。 7．本研究首次发现，高温可以促使分离纯化的LHCII的红区吸收光谱发生显著红移，而680nm处的荧光发射降低，长波长荧光组分大大增强。绿胶电泳表明中度高温胁迫能够诱导LHCII产生寡聚体，这种寡聚体可能在调节能量耗散方面具有重要生理意义：而严重高温胁迫下LHCII倾向于聚合产生大分子的非活性聚集体。 8．分离纯化的反应中心对高温非常敏感，各种色素的结构和功能在轻度高温胁迫下就开始受到破坏和抑制，各种色素变性和降解的顺序由快到慢是：P680>Pheo>Chla>β-Car。反应中心的多肽组分在高温胁迫下显著减少，Dl和D2减少的原因可能归因于高温胁迫导致大分子聚合物的产生，D2的减少显著快于D1的减少。

高温胁迫对螺旋藻光系统II影响的研究

高温胁迫是限制高等植物和藻类生长和产量的主要环境因子之一。光系统II（PSII）对环境胁迫的响应被认为是光合作用适应逆境过程中最重要的一个环节。高温胁迫对螺旋藻PSII的研究相对较少，对PSII受体侧的研究更加少了。我们借助热致发光及QA-再氧化动力学，这两种检测完整光合生物PSII供体侧和受体侧电子传递的有效、简单、无损伤的方法，为高温胁迫如何影响供体侧和受体侧的电子传递提供更直接的依据，获得高温胁迫对PSII功能影响的更精确的消息。另外，有关螺旋藻在高温胁迫下的能量传递过程研究较少，希望在荧光光谱研究的结果上探求其对高温胁迫的适应机理。主要研究结果如下： 1.高温胁迫抑制螺旋藻PS II的活性， PSII原初光能转化效率Fv/Fm随处理温度的提高而下降。高温去除后Fv/Fm可以得到部分恢复（5-15%）。 2.高温胁迫对闪光诱导的可变荧光衰减动力学有显著影响，分别代表QA-到QB 的直接电子传递和PQ分子扩散到空的QB位点后QA-到QB电子传递的快相(半衰期160 ms)和中相(半衰期2 ms)占整个可变荧光的比例，随处理温度的升高显著降低，而代表S2QA- 电荷重组的慢相（半衰期约4s）显著增加。显示高温导致QA到QB的电子传递以及PQ与QB位点的结合受阻，从而促进了QA-与放氧复合体S2态的重组过程。同时我们发现，经过5分钟的恢复，这些光系统II还原侧电子传递的功能抑制能够大部分得到恢复，显示高温胁迫对受体侧电子传递的影响具有可逆性。 3. 通过采用77K低温荧光光谱等手段，我们研究了高温胁迫对螺旋藻细胞光合能量传递的影响。研究显示，高温胁迫对580nm和436nm激发的低温荧光光谱都有显著影响。高温胁迫对PS I的发射峰F725和F751没有显著影响，显示高温没有影响藻胆体到光系统I的激发能传递。而高温胁迫引起了PBS对PS II荧光发射比值的上升，说明高温抑制了藻胆体到光系统II之间的激发能传递。但藻蓝蛋白的发射峰643nm在高温处理后基本没有变化，显示高温抑制PBS到PS II的能量传递不是由于藻蓝蛋白到别藻蓝蛋白之间的能量传递受阻造成的。结果还显示，高温胁迫对藻胆体到光系统II能量传递的抑制也不是由于藻胆体与光系统II发生分离，而是抑制了别藻蓝蛋白到CP43和CP47的能量传递，原因可能是由于藻胆体内部结构的改变引起的。 ４.热致发光（TL）和荧光衰减动力学的测定和分析结果显示，高温胁迫改变了S2QA-和S2QB-重组体的稳定性，其中S2QA-的稳定性降低，S2QB-的稳定性升高。根据具有异质性的TL信号，我们推测有活性PSII中有可能存在对高温胁迫敏感度不同的两种亚基，它们具有不同的QB/QB-氧化还原势能。当高温胁迫造成相当数量的反应中心失活，QA到QB正常的电子传递受阻时，光系统有可能通过保存更多的具有较高能量的反应中心亚基，达到促进QA到QB的电子传递的目的。 5. OJIP荧光瞬态上升曲线在高温胁迫后出现标志性K峰，说明螺旋藻的放氧复合物受到伤害，放氧S态引起的多次闪光下的TL振荡，显示这个高温处理对S1→S2的转变没有影响，却抑制了S2→S3的转变，这同OJIP荧光瞬态上升曲线的结果相一致，说明高温对螺旋藻放氧复合体造成了伤害。

Extension of life span and improvement of vitality of Drosophila melanogaster by long-term supplementation with different molecular weight polysaccharides from Porphyra haitanensis

Polysaccharides isolated from Porphyra (porphyran) have been known to have diverse biological activities, including immunomodulatory and antioxidant activities. The molecular weight-antiaging activity relationship of degraded porphyrans was examined in this study. Natural porphyran was extracted from P. haitanensis, and then was degraded into different molecular weight fractions, P1 molecular weight 49 kDa, P2 molecular weight 30 kDa, P3 molecular weight 8.2 kDa, by free radical. The influence on life span and vitality of porphyrans were carried out on Drosophila melanogaster. We found that all the degraded porphyrans and natural porphyran (P), added daily to the diet, can significantly increase the life span of D. melanogaster, except for P3. Among them, P1 exhibited the most prolonging life span activity. Furthermore, vitality of middle-aged flies (assessed by measuring their mating capacity) receiving porphyrans was increased considerably in comparison with the controls. Finally, in the heat-stress test, we observed a remarkable increase in survival time, especially in P3-diet groups. These results suggest that porphyrans may be effective in reducing the rate of the aging process and molecular weight has important influence on the effects. It seems that P1 and P2, possessed higher molecular weight, may be more useful in normal metabolic condition and P3, possessed the lowest molecular weight, may be more beneficial for D. melanogaster in stress condition. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Experimental warming causes large and rapid species loss, dampened by simulated grazing, on the Tibetan Plateau

We investigated the independent and combined effects of experimental warming and grazing on plant species diversity on the north-eastern Tibetan Plateau, a region highly vulnerable to ongoing climate and land use changes. Experimental warming caused a 26-36% decrease in species richness, a response that was generally dampened by experimental grazing. Higher species losses occurred at the drier sites where N was less available. Moreover, we observed an indirect effect of climate change on species richness as mediated by plant-plant interactions. Heat stress and warming-induced litter accumulation are potential explanations for the species' responses to experimental warming. This is the first reported experimental evidence that climate warming could cause dramatic declines in plant species diversity in high elevation ecosystems over short time frames and supports model predictions of species losses with anthropogenic climate change.

The cDNA cloning and mRNA expression of heat shock protein 70 gene in the haemocytes of bay scallop (Argopecten irradians, Lamarck 1819) responding to bacteria challenge and naphthalin stress

Heat shock protein 70 (HSP70) is an important member of the heat shock protein superfamily, and it plays a key role in the process of protecting cells, facilitating the folding of nascent peptides and responding to stress. The cDNA of bay scallop Argopecten irradians HSP70 (designated AIHSP70) was cloned by the techniques of homological cloning and rapid amplification of cDNA end (RACE). The full length of AIHSP70 cDNA was 2651 bp in length, having a 5' untranslated region (UTR) of 96 bp, a 3' UTR of 575 bp, and an open reading frame (ORF) of 1980 bp encoding a polypeptide of 659 amino acids with an estimated molecular mass of 71.80 kDa and an estimated isoelectric point of 5.26. BLAST analysis revealed that the AIHSP70 gene shared high identity with other known HSP70 genes. Three classical HSP signature motifs were detected in AIHSP70 by InterPro, analysis. 3-D structural prediction of AIHSP70 showed that its N terminal ATPase activity domain and,C terminal substrate-binding domain shared high similarity with that in human heat shock protein 70. The results indicated that the AIHSP70 was a member of the heat shock protein 70 family. A semi-quantitive RT-PCR method was used to analyse the expression of AIHSP70 gene after the treatment of naphthalin which is one kind of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) and the challenge of bacteria. mRNA expression of AIHSP70 in scallop was up-regulated significantly after the stimulation of naphthalin and increased with increasing naphthalin concentration. A clearly time-dependent expression pattern of AIHSP70 was observed after the scallops were infected by Vibrio anguillarum, and the mRNA expression reached a maximum level at 8 h and lasted to 16 h, and then dropped progressively. The results indicated that AIHSP70 could play an important role in mediating the environmental stress and immune response in scallop. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Three-Dimensional Modeling of Heat Transfer and Fluid Flow in Laminar-Plasma Material Re-Melting Processing

Modeling study is performed concerning the heat transfer and fluid flow for a laminar argon plasma jet impinging normally upon a flat workpiece exposed to the ambient air. The diffusion of the air into the plasma jet is handled by using the combined-diffusion-coefficient approach. The heat flux density and jet shear stress distributions at the workpiece surface obtained from the plasma jet modeling are then used to study the re-melting process of a carbon steel workpiece. Besides the heat conduction within the workpiece, the effects of the plasma-jet inlet parameters (temperature and velocity), workpiece moving speed, Marangoni convection, natural convection etc. on the re-melting process are considered. The modeling results demonstrate that the shapes and sizes of the molten pool in the workpiece are influenced appreciably by the plasma-jet inlet parameters, workpiece moving speed and Marangoni convection. The jet shear stress manifests its effect at higher plasma-jet inlet velocities, while the natural convection effect can be ignored. The modeling results of the molten pool sizes agree reasonably with available experimental data.