Responses of Artemisia frigida Willd. (Compositae) and Leymus chinensis (Trin.) Tzvel. (Poaceae) to sheep saliva

Although studies show that grazing and browsing by herbivores have marked effects on host plants, the mechanisms remain unclear. The objective of this study is to determine the effects of sheep saliva on host plant growth. Sheep saliva was manually applied to clipped plants of two different life forms, a semi-shrub, Artemisia frigida Willd., and a herbaceous species, Leymus chinensis (Trin.) Tzevel. The results showed that sheep saliva significantly enhanced aboveground net primary productivity (ANPP) and the ratio of ANPP to belowground net primary productivity (BNPP) for both species. This indicated that sheep saliva promotes aboveground compensatory growth and allocation of photosynthate to aboveground for both plant species. Sheep saliva stimulated only tillering of L. chinensis. Regardless of saliva application, clipping significantly decreased BNPP and plant height, but significantly increased the number of branches or tillers for both plant species. The relative growth rates (RGRs) on both species were significantly greater after clipping with saliva compared with control and clipping without saliva treatments. In addition, RGR of the herbaceous species L. chinensis was faster than that of the semi-shrub A. frigida after application of saliva. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Depression of net ecosystem CO2 exchange in semi-arid Leymus chinensis steppe and alpine shrub

Uptake and release of carbon in grassland ecosystems is very critical to the global carbon balance and carbon storage. In this study, the dynamics of net ecosystem CO2 exchange (FNEE) of two grassland ecosystems were observed continuously using the eddy covariance technique during the growing season of 2003. One is the alpine shrub on the Tibet Plateau, and the other is the sem-arid Leymus chinensis steppe in Inner Mongolia of China. It was found that the FNEE of both ecosystems was significantly depressed under high solar radiation. Comprehensive analysis indicates that the depression of FNEE in the L. chinensis steppe was the results of decreased plant photosynthesis and increased ecosystem respiration (R-eco) under high temperature. Soil water stress in addition to the high atmospheric demand under the strong radiation was the primary factor limiting the stomatal conductance. In contrast, the depression of FNEE in the alpine shrub was closely related to the effects of temperature on both photosynthesis and ecosystem respiration, coupled with the reduction of plant photosynthesis due to partial stomatal closure under high temperature at mid-day. The R,c of the alpine shrub was sensitive to soil temperature during high turbulence (u* > 0.2 m s(-1)) but its FNEE decreased markedly when the temperature was higher than the optimal value of about 12 degrees C. Such low optimal temperature contrasted the optimal value (about 20 degrees C) for the steppe, and was likely due to the acclimation of most alpine plants to the long-term low temperature on the Tibet Plateau. We inferred that water stress was the primary factor causing depression of the FNEE in the semi-arid steppe ecosystem, while relative high temperature under strong solar radiation was the main reason for the decrease of FNEE in the alpine shrub. This study implies that different grassland ecosystems may respond differently to climate change in the future. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

大尺度环境梯度上羊草种群适应性研究

　　由于全球气候变化，干旱化问题已经成为制约植物生存、影响农作物产量的主要环境因子，因此有关植物在大尺度环境梯度上对环境因子变化的适应性研究已经成为生态学研究的热点。目前环境变化对植被生产力的影响已经有了广泛研究，但是关于植物在形态解剖和渗透调节等生理特征上对大尺环境梯度变化的适应机制研究报道却很少。本研究以北纬43°16′-44°36′；东经125°17′-115°43′范围内的羊草草地为研究对象，探讨羊草主要形态解剖特征、生理渗透调节特征等的变化规律及其与环境因子的关系，以期揭示大尺度环境梯度上羊草种群对环境变化的响应规律和适应策略。本研究的主要结果如下： 在大尺度环境梯度下，羊草种群的气孔密度和气孔指数表现出非常相似的变化趋势，均为由东向西呈先降后升的变化趋势，且与降水等因子的相关关系为V型二次曲线。这是因为气孔的蒸腾作用是植物散失水分的主要途径，同时蒸腾作用产生的蒸腾拉力是植物根部吸收水分的主要动力，因此这种V型曲线正是它在野外对如何调节体内失水和吸水的一种权衡的结果。由于羊草叶片的营养生长和器官建成主要在7月份，这也导致了该月的平均降水对气孔密度和气孔指数有很重要的影响作用。 在该梯度下，羊草叶片厚度和LMA（Leaf mass per unit area, 单位面积叶重）等形态性状指标、叶片解剖学特征等表现出有规律的变化趋势。具体表现为从东向西随着气候由湿润到干旱的变化，叶片厚度、LMA呈增加趋势；同样维管束、木质部及导管直径和叶片厚度等变化趋势相似，从东向西逐渐增加,它们均与七月份温度显著相关。这说明外界环境变化对羊草的形态性状和解剖特征等产生了显著的影响，而且羊草也会通过改变形态解剖特征等来适应大尺度环境梯度变化。 在本研究中，羊草叶片脯氨酸和可溶糖份含量等生理指标也随着环境梯度的变化呈现出明显的规律变化，主要表现为由东至西随降水量的减少而逐渐增加；叶片钠离子和钾离子含量虽然有一定变化，但是它们与气候因子变化并不一致，而分别与土壤里钠离子和钾离子含量呈显著的相关关系。这说明自东向西随着干旱程度的增加，脯氨酸和可溶糖份含量对羊草适应环境变化起着主要的渗透调节作用。 自然条件下，羊草主要有两种生态型，根据叶片颜色的差异分别为灰绿型(GG)和黄绿型(YG)。它们在分布上也表现出很大的差异，其中灰绿型羊草分布范围更广，且更耐盐碱。我们分别选取查干花和绍根两个样点镶嵌生长的两种生态型羊草，对它们的叶片形态解剖特征和渗透调节特征进行比较。结果显示无论是在查干花还是绍根地区，在同一生境条件下，黄绿型羊草叶片厚度、LMA、及维管束直径、木质部直径和导管直径等均比灰绿型高，而气孔密度和气孔指数比灰绿型低，在形态上表现出明显的旱生化特征。而灰绿型羊草叶片则有较高的脯氨酸含量、可溶糖份含量及钾离子含量，较低的钠离子含量，表现出较强的渗透调节能力、更强的选择性排钠离子和吸收钾离子的能力。为此我们推断在相同生境下两种生态型羊草在应对干旱和盐碱胁迫时在形态和生理上采取不同的适应策略，而且这两种策略是互相补充，这就解释了两种生态型羊草能够镶嵌生长的现象。

中国东北样带（NECT）羊草种群数量特性变化及其与环境因子的直接梯度分析

陆地样带研究是国际地圈一生物圈计划( IGBP)全球变化研究中最引入注目的创新之一。目前，国际上已经设立了15条陆地样带，而且正在开展各项研究工作。现有关于陆地样带的研究报道多集中在环境梯度分析、气候变化对植被初级生产力的影响及环境变化与植被变化的对应关系等方面，而关于陆地样带环境梯度变化上植物种群生态学的研究尚未见报道。 本研究以东北样带为平台，研究北纬43。31' - 44041'，东经125018’-115。31'范围内，即由湿润到干旱的环境梯度变化系列，羊草主要形态特征、种群密度、生物量、种子生产、生物量分配比例等变化规律及其与环境因子的相关关系，初步探讨了中国东北大尺度环境变化对羊草种群的影响及羊草对变化环境的适应规律。 在本研究的环境变化系列上，羊草种群外部形态的突出变化是种群植株高度由东至西沿降水量逐渐下降的梯度逐级递减，而且植株高度与生长季前期的降水量呈显著正相关关系。除旗叶外，羊草种群各叶片长度具有相似的变化趋势，即长春地区种群叶片长度远远大于其它种群，阿巴嘎旗地区种群叶片长度远远小于其它种群，其它8个种群叶片长度变化不大，呈平缓波动状态。除长春地区羊草叶片宽度显著大于其它种群外，其它9个种群间虽有一定的差异，但基本是处于波动状态。这说明羊草的各形态特征对该梯度环境变化的反映是不同的。 在该环境梯度上，羊草种群总密度、营养枝密度和生殖枝密度具有非常相似的变化趋势，均为由东至西呈先增后减的趋势，并且最大值都在长岭种马场地区。而且，无论是种群总密度，还是营养枝和生殖枝密度均与9月份平均温度显著相关，这是因为秋季高温对地上部分的营养物质向地下根茎转移及地下根茎芽的形成有利，丰富的物质积累和发育良好的地下根茎芽是翌年种群具有较高密度的保障。在本研究的10个种群中，除长春地区种群生殖枝分化率显著低于其它种群外，各羊草种群生殖枝分化率相对稳定，而且羊草种群生殖枝分化率与环境梯度上各环境因子间的相关性均不显著。 在本研究中，种群总生物量、营养枝生物量、生殖枝生物量和个体生物量等指标具有不同的变化趋势。表现为由东至西或由湿润到干旱，除生殖枝生物量在最东端的各种群中呈增加趋势外，种群总生物量和地上群体生物量（营养枝生物量和生殖枝生物量）均呈逐级盘低走势，而且干燥系数和生长季前期的降水量是决定总生物量和地上群体生物量变化的主要因素。地下根茎生物量表现为从湿润的长春市地区到半干旱的绍根地区呈缓慢盘低，而后随干旱程度的加重迅速增加，但至最干旱的阿巴嘎旗地区又迅速下降。在半干旱和干旱地区，植物根系生物量增加能使植物更有效地利用有限的水资源。羊草种群个体生物量的变化趋势基本一致，即除长春地区种群个体生物量远远大于其它9个种群外，各羊草种群个体生物量虽有所差异，但变化不大，基本水平波动状态。个体生物量的相对稳定是羊草能适应各种变化生境的重要保障，而且在该实验梯度上个体生物量的相对稳定是通过种群密度变化来调节的。 在本研究梯度上，虽然各种子生产指标有一定的变化，如锡林郭勒草原定位站种群和阿巴嘎旗种群的种穗长度、结实数和单位面积种子产量均较低等，但这些指标的变化与由东至西的降水量递减等气候因子变化是不一致的，如结实数、单位面积种子产量和种子重量等基本呈波动状态，只是在实验梯度的西端才有明显的下降。这说明在本研究的环境梯度系列上，环境因子对羊草种子生产有一定的影响，但最主要的影响可能是其自身遗传因素，这有待于今后的深入研究。 在本研究的环境梯度上，由东至西或由湿润到干旱的气候变化系列上，羊草种群根茎、营养枝、生殖枝和种子生物量分配比例呈现明显的规律性变化。最显著的表现是羊草种群根茎生物量分配比例随降水量的减少而逐渐增加。在水资源有限的生境下，大比例的根茎生物量分配能增加根系对地下水分的吸收，同时有利于物质和能量在根部的贮藏，这种机制能确保植物在干旱气候条件下生存。相反，羊草种群地上营养枝生物量分配比例由东至西逐渐下降，减少营养枝生物量分配比例可以降低营养枝水分蒸腾量，协调根部水分吸收和枝条蒸腾的关系，保持整个植物体的水分平衡。羊草种群生殖枝和种子生物量分配比例均呈两头低，中间高的变化趋势。这说明降水充足和严重干旱均不利于羊草有性生殖体的生产，半湿润和半干旱气候区是羊草种子生产的理想地域，这也可能是羊革能在半湿润和半干旱气候区大面积分布的原因。

根茎克隆植物羊草分株种群对去叶干扰的生长对策

克隆植物具有多种不同于非克隆植物的生长和繁殖策略。本研究首先综述了这些生长与繁殖策略之中，与我们的实验研究相关的尤其是对于去叶干扰适应策略的四个方面，包括克隆整合、克隆分株大小与密度之权衡( tradeoff)过程、碳水化合物贮备与利用、营养繁殖和芽种群(bud population)调节等。预测克隆植物选择什么样的对策以及某种对策发生作用的条件及程度如何，对克隆植物生态学研究者来说，将是富有挑战意味的课题。 羊草(Leymus chinensis (Trin,) Tzvel.)是禾本科的一种多年生根茎型克隆植物，常常处于由放牧或刈割造成的去叶干扰( defoliation)的胁迫下。在我们的第一个实验（2002年）中，考察了去叶干扰和根茎切割( rhizome severing)是否影响根茎本身和分株地上部分的生长、以及营养繁殖芽的数量特征。同时我们检验如下的假设：直接受到去叶干扰的分株除了会受益于可能的补偿作用之外，还会受益于克隆整合作用，即与之保持根茎联系的未受去叶处理的分株将转移碳水化合物或养分给受去叶干扰的分株，使之得以尽快恢复光合组织。实验结果显示：单次去叶干扰影响根茎生长和芽的产生，而对地上部分的生长影响甚微。只有重度去叶干扰才显著影响营养繁殖芽的产生，而轻度去叶干扰作用不明显。所以，当去叶强度不大时，补偿作用机制将弥补植物由于去叶干扰而受到的损失。我们的实验并未检测到克隆整合的发生，可能的原因是本实验持续的时间不足够长或者是由于根茎中的碳水化合物贮备在去叶干扰发生后发挥了作用，缓解了去叶干扰对羊草分株生长及芽生产的所造成的冲击。 在第二个实验（200 3年）中，为了考查相继数次的去叶干扰是否能够启动羊草分株间的克隆整合，以及启动克隆整合所需达到的去叶干扰的频次，我们将实验样方设计为两部分：核心区( Core section)和外围区(Periphery section)。不同频次的去叶处理（0去叶，作为对照; 1次去叶;3次去叶;5次去叶）仅施加于实验样方的核心区。结果表明，经历3次和5次去叶处理的样方外围区的生物量及水溶性碳水化合物( wsc)含量均明显少于经历1次去叶处理及0去叶处理的样方外围区，这意味着克隆整合在3次去叶和5次去叶两种处理中发生了，而在其它两种处理中没有发生。此外，分株的大小一数目之权衡可能在基株(genet)水平上发生，因此，一个克隆植物基株，当部分分株受到去叶干扰后，将增加其分株数目，但优先增加未受到去叶干扰部分的分株数目。我们将羊草的这种行为视为克隆基株试图逃避干扰的“逃逸行为”( escaping behavior)。 同时在实验中，我们监测了实验样方核心区分株的wsc浓度，目的是查明羊草枝条与根茎中wsc浓度随时间的变化格局及其对去叶干扰的响应，意在发现羊草枝条地上、地下部分和根茎中wsc浓度的时间变化之间的联系。在生长旺季，对照处理（即O去叶处理）的wsc浓度显著降低，这是由于植物在此时期的高生长速率和高呼吸速率所致;相比之下，其它经历去叶干扰的三个处理中羊草wsc浓度降低不如对照处理那么明显和迅速，甚至在高频次去叶处理中还有所上升，其原因大概是由于去叶而使叶面积减小，引起枝条的总呼吸下降所致。羊草枝条中最终的wsc浓度没有受到单次去叶处理的显著影响，却很可观地受到相继数次去叶干扰（3次和5次去叶处理）的影响。去叶干扰可能加速了碳水化合物在气温降低时自地上向地下的转移。枝条的地下部分wsc浓度比地上部分更稳定。在地上部分受到去叶干扰后，根茎中的wsc必然向上输出到地上枝条，而强烈的生长会消耗wsc，但可能的克隆整合（通常在相对频繁的去叶干扰条件下发生）将在一定程度上缓解这种wsc消耗。 在此实验中，我们还监测了羊草平均每分株所拥有的芽的数目，包括每分株分蘖节芽（tiller bud）数目和根茎芽(thizomatous bud)数目。从平均每分株芽数目的时间动态来看，各种去叶处理之间的差异程度不大，这主要是羊草在受到去叶干扰后补偿作用的贡献。与对照处理相比，受不同频次去叶干扰的三个处理的根茎芽具有相对于分蘖节的更强的增长优势。去叶干扰对根茎芽生长的促进作用大于对分蘖节芽的促进作用。我们认为这种反应是羊草克隆基株的一种逃避干扰的适应性努力，可视为一种“逃逸行为”，也可看作克隆植物觅养行为(foraging behavior)的一种特殊形式。芽的增长在中等频度的去叶干扰条件下最强，似乎同样符合中度干扰理论。有趣的是，特定频度的去叶干扰可能会造成芽种群中两大类型芽之间比例（根茎芽／分蘖节芽）的振荡现象（Oscillation）。 最后展望了对于羊草今后应继续开展的工作主要集中在两大方面：一是有性繁殖与无性繁殖之间在不同生境或不同干扰条件下的权衡关系;二是处于不同斑块对比度( patch contrast)的生境中的羊草克隆分株之问的生理整合，及其强度与斑块对比度的定量关系。

Lack of genetic differentiation in the shrimp Penaeus chinensis in the northwestern pacific

Genetic differentiation of the shrimp Penaeus chinensis in the Yellow Sea and Bohai Sea was investigated using the mitochondrial control region (CR). RFLP of a partial CR segment (613 bp) shows that 106 out of 122 (86.9%) individuals from six sampling localities along the coast of northern China and the west coast of the Korean Peninsula share the same haplotype, and the haplotype frequencies among localities are not significantly different. The findings are further confirmed by sequencing the complete CR. Divergence of the complete CR (992 bp) is less than 1.6% in 14 individuals from the six localities. F-statistics based on RFLP data and the TCS network of sequencing data suggest little genetic differentiation of P. chinensis in the Yellow Sea and Bohai Sea. Mismatch analysis suggests a rapid expansion of P. chinensis population to the Yellow Sea and the Bohai Sea, which probably occurred with the rapid rise in sea level after the last glacial maximum. Despite the lack of genetic heterogeneity, we propose that P. chinensis populations in this region should be treated as separate management units, as fishery management programs have to be applied on a local basis by different governments.

Comparative growth and viability of hybrids between two populations of Chinese shrimp (Fennropenaeus chinensis)

Fenneropenaeus chinensis is confined to the Yellow Sea and Bohai Sea in China and the West Coast of the Korean Peninsula. Intra- and intercross populations were produced between Rushany (YP) and Korean (KN) populations. Seven traits were recorded. The heterosis of hybrids was computed and comparison between treatments was performed by ANOVA. At the fourth month after post-larvae, six indexes of growth trait and viability showed a range of heterosis, ranging from 0.514% to 14.950%. At the fifth month after post-larvae, six indexes of growth trait and viability ranged from -9.000% to 19.090%. The negative heterosis was observed in CL, HST and viability. The heterosis of KN female xYP male tended generally to increase as the age of the Chinese shrimp increased while the heterosis of YP female xKN male tended to decrease. The results indicated that the viability of reciprocal hybrids were not significantly different (P > 0.05) from their parents during the experiment. The result of ANOVA indicated that the F1 hybrids were significantly different (P < 0.05) in WST and TW at the fourth month. The multiple comparisons of LSD test indicated that the hybrids of YP female xKN male were significantly different (P < 0.05) from their parents in TW. The hybrids of YP female xKN male were significantly different (P < 0.05) from the other three combinations in WST. At the fifth months, the F1 hybrids had significant difference (P < 0.05) in body weight while other traits showed no significant differences (P > 0.05) from their parents. The multiple comparisons of LSD test indicated that the hybrids of KN female xYP male were significantly different (P < 0.05) from the KN parents in TW. The results indicate that in experimental conditions, the F-1 hybrids created from two populations of Chinese shrimp showed a certain level of heterosis for growth performance and viability. The crossing scheme may improve growth performance and viability in Chinese shrimp, but the improvement may be limited because effective crossbreeding requires the maintenance of pure, preferably inbred, lines and possibly involves specialized sire and dam lines. Therefore, the exploitation of heterosis through single crossbreeding in Chinese shrimp is of limited utility in practical commercial shrimp aquaculture in spite of the potential of significant heterosis. The crossbreeding of different populations can be applied in the establishment of base populations.

Genetic improvement on Chinese shrimp (Fenneropenaeus chinensis): growth and viability performance in F1 hybrids of different populations

Fenneropenaeus chinensis distributed in the Yellow Sea and Bohai Sea of China and the west coast of the Korean Peninsula. Different geographical populations represent potentially different genetic resources. To learn further the characteristics of different geographical population, crosses among two wild and three farmed populations were produced. The two wild populations were from the Yellow Sea and Bohai Sea (WYP), and the west coast of the Korean Peninsula and coast (WKN). The three farmed populations included the offspring of first generation of wild shrimp from coast in Korea (FKN), the Huang Hai (the Yellow Sea in Chinese) No.1 (HH1), and JK98. The phenotypes growth and survival rates of these populations were compared to confirm the feasibility for crossbreeding. The body length (BL), carapace length (CL), carapace width (CW), height of the second and third abdominal segment (HST), width of the second and third abdominal segment (WST), length of the first abdominal segment (LF), length of the last abdominal segment (LL), live body weight (BW), and survival rate were measured. Different combinations were statistically performed with ANOVA and Duncan's Multiple Range Test. The results show that the survival rate of JK98(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),) was the highest, followed by WYP(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),), FKN(a (TM) Euro)xWYP(a (TM),), FKN(a (TM) Euro)xHH1(a (TM),) and WYP(a (TM) Euro)xFKN(a (TM),); the body weight of FKN(a (TM) Euro)sxHH1(a (TM),) was the highest, followed by FKN(a (TM) Euro)xWYP(a (TM),), WYP(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),), WYP(a (TM) Euro)xFKN(a (TM),) and JK98(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),); the total length had the same ranking as the body weight. All growth traits in hybrids JK98(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),) were the lowest among all combinations. F1 hybrids had significant difference (P < 0.05) in BL, CL, HST, LL, and BW; and insignificant difference (P > 0.05) in other growth traits and survival rate. The results of Duncan's Multiple Range Test are that BL and CL of JK98(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),) were significantly different from the other combinations; HST different from the combination of FKN(a (TM) Euro)xWYP(a (TM),), FKN(a (TM) Euro)xHH1(a (TM),) and WYP(a (TM) Euro)xWKN(a (TM),); and BW different from FKN(a (TM) Euro)xWYP(a (TM),) and FKN(a (TM) Euro)xHH1(a (TM),). As a whole, the results indicate that the FKN(a (TM) Euro)xHH1(a (TM),) was the best combination in all growth traits. Therefore, hybridization can introduce the variation to base populations. The systematic selection program based on additive genetic performance may be more effective than crossbreeding.

羊草繁殖生物学特性的研究

羊草(Leymus chinensis (Trin.) Tzvel. )又称碱草，隶属禾本科，赖草属，因其营养价值高，富含蛋白质，适口性好，抗旱，耐盐碱，耐贫瘠，抗逆性强，适应性广等优点，对我国发展草原畜牧业和退化草地、荒漠化治理方面具有举足轻重的作用。近年来，由于自然环境变劣，荒漠化加剧，以及过度放牧等不利影响，加之羊草本身固有的“三低”问题（即结实率低、出苗率低、产草量低）已对羊草生物多样性维持构成了严重的威胁，严重限制了我国人工草地建设和天然草地的改良和沙化治理的步伐。加强羊草生物学研究，开展羊草种质生物多样性保护，成为当前研究的紧迫课题。经对国内外相关文献的查新发现：国外发表的文献匮乏，国内的报导大多集中在草原生态等宏观领域，在羊草繁殖生物学方面缺乏系统的研究。本文以本课题组从国内外收集的羊草资源为材料，从以下几个方面进行了初步探索： 一、羊草繁殖性状与遗传多样性分子标记指标的相关分析。利用分子标记与形态标记对随机抽取的17份羊草种质进行了种质评估的比较研究。结果表明：两种方法均在17份供试材料中鉴别出9份羊草种质,说明分子标记方法用于羊草种质资源鉴定是可行的，并具有快速、准确、不受环境条件限制等优点。在40个10 Mer的随机引物当中筛选出21个有效引物，以之对9份羊草材料进行RAPD 分析，共扩增出115条带，其中95条带表现出多态性，多态比率82.61%，并筛选出S1213-900，S1213-1700，S1215-5500， S1396-1370，S1384-900，S1202-5180，S1220-2200，S1381-1580，S1211-1300，S1211-800为羊草种质所具有的10个特异性标记，据此可将羊草种质与披肩草、赖草加以区分。同时在羊草种内亦发现13条可区分供试羊草种质的特有标记。形态标记与分子标记相关性分析结果显示：羊草种质的小穗数，种子千粒重，叶色，有性繁殖量和结实率5个形态学指标与遗传多样性指标---特有带百分率及遗传距离之间，存在一定相关性。同时对羊草种质资源在收集和评价过程中存在的问题进行了探讨。 二、羊草不同基因型无性繁殖特性比较研究。以本课题组从吉林、内蒙古等省份收集的10个基因型羊草为供试材料，在相同的生态因子作用下，以吉生1号羊草为对照，对10个基因型羊草的叶数增量、芽数增量、芽高度、芽间距、芽重量、根量六个无性系形态性状指标进行测评。结果表明：基因型的差异也是影响羊草无性系生长发育的重要影响因子。因此，在今后的羊草无性繁殖生物学研究中，应综合考虑环境因子和基因型因子对羊草无性繁殖生长发育的影响。在所测评的10个基因型中，各基因型的形态性状指标差异很大，栽3基因型较其他基因型优于对照吉生1号，此结论可为今后培育羊草新种提供重要资料。 三、羊草幼穗离体培养方法的建立。其方法是取羊草幼穗为外植体，经0.1%升汞溶液表面消毒后，接种到含2mg/L的2,4-D的MS培养基上，置于恒温25℃条件下诱导愈伤组织。在加有1mg/L2,4-D的MS培养基上继代2次后，转移到含1mg/L KT和0.5mg/LNAA的MS培养基上分化培养得到再生芽。在除去激素后的基本培养基上获得了生根的试管苗。试管苗移栽到温室后生长正常。羊草试管苗的分化因基因型和外源激素条件的不同而异。 四、羊草有性生殖特性的研究。在自然条件下进行了羊草自交、异交结实性实验，采用FDA染色法检测羊草小孢子活性，并观测羊草雌蕊、雄蕊发育的时空特点。结果表明：在大田中羊草异交结实率远大于其自交结实率;成熟花药中有活性的花粉达到92.2%以上;同时，在发育时间顺序和空间结构上，羊草的雌蕊、雄蕊并不妨碍自体授粉。因此，初步结论认为羊草具自交不和性。

羊草生殖生物学研究

羊草 (Leymus chinensis (Trin.) Tzvel. ) ，隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部的重要草原建群种之一。羊草是牧草之王，属于我国有比较优势的战略性生物资源，对我国北方畜牧业发展以及保护生态环境均具有重要作用。 羊草较弱的有性生殖特性限制了其应用，本文从实验生物学角度，研究了羊草有性生殖的基本特点，并试图通过现代分子生物学手段探讨自交不亲和性的有关机理。本论文的主要结果如下： 1. 实验发现羊草具有自交不亲和性。以6 个羊草居群为材料，测定得知开放授粉时的结实率在6.5% - 56.7%之间，自交时结实率为0.6% - 4.3%，差异极其显著; FDA 染色法检测结果显示羊草成熟花药中有活性的花粉达到92.2% 以上;在发育时间顺序和空间结构上，羊草雌蕊、雄蕊适于异花和自花授粉;花粉柱头亲和性实验表明，自交花粉只有5.5%-11.7% 是亲和的，杂交花粉亲和率达到了60.0%-84.8%，说明自交花粉在柱头上萌发受到抑制，其次，荧光显微镜还观察到“不亲和花粉”在进入柱头后生长缓慢，或停止延伸。 2. 初步确定羊草自交不亲和性具有配子体型遗传特点。以不同居群羊草杂交后的姊妹系作为实验材料，观察到自交组合的亲和率变幅为0 % - 6.9 %，杂交组合的亲和率具有连续性变异和变幅较宽的特点（47.5％ - 96.0 %），且正反交结果具有一定的一致性（88.2％），表现出配子体遗传特性。 3. 羊草居群内结实率存在一定变异。以羊草单株为单位分别进行自交、随机互交和开放授粉，结果显示三者的平均结实率分别为4.6%，18.1% 和35.7%，株间的变异系数分别为33.4%，21.2%和17.1%，这些株间的变异均达到统计上的显著差异;同时羊草自交、杂交和开放授粉之间具有一定的相关性，显示羊草的这种株间差异与株系本身的生理特性相关。 4. 分离了羊草硫氧化还原蛋白 H 基因(ThioLc)并对其功能进行了分析。克隆了ThioLc全长和cDNA序列。序列分析结果显示，DNA全长2257 bp，包括3 个内含子和4 个外显子，与水稻Thio h 的cDNA 序列相比，具有 32.0% 的同源性;Southern 杂交显示 ThioLc 在羊草基因组中是单拷贝;Northern 杂交显示 ThioLc 在羊草根、茎、叶和幼小的雌蕊中没有表达, 在成熟雌蕊和幼小的花粉中微量表达, 在成熟花粉中大量表达，说明分离的羊草硫氧化还原蛋白H 基因具有花粉特异表达特点。 5. 原核表达的ThioLc 蛋白具有较高的催化活性。构建了ThioLc 基因的原核表达载体，检测证明ThioLc基因在大肠杆菌中正常表达;提取表达蛋白，纯化，用胰岛素和二硫苏糖醇反应体系进行硫氧化还原蛋白的催化作用反应，结果表明表达的蛋白具有催化活性。这一结果为进一步搜寻靶向蛋白和研究该蛋白的结构、功能和作用方式奠定了基础。

羊草细胞差异表达基因分析与遗传转化方法研究

羊草（Leymus chinensis (Trin.) Tzvel），隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部重要建群种之一。羊草是牧草之王，是我国比较有优势的战略性生物资源，对我国北方畜牧业的发展以及生态环境的保育均具有重要意义。近年来，由于缺乏科学管理、过度放牧等不利影响，加之羊草本身固有的“三低”问题（即抽穗率低、结实率低、发芽率低）已对羊草生物多样性维持构成了严重的威胁，限制了我国人工草地建设和天然草地的改良及沙化治理的步伐。因此，如何通过细胞、分子生物学以及生物技术手段改良羊草、快速评价和创造新的种质;如何加快育种进程便成为当前亟待解决的问题。本文围绕这些问题开展了系统的研究并取得如下结果： 1. 建立了羊草离体培养再生体系，并研究了影响愈伤组织诱导和植株再生的因素，影响植株再生的主要因素为激素配比和基因型。将3～5mm的幼穗接种到含有2,4-D 0～5.0mg/L的N6基本培养基上，随着2,4-D浓度的变化，愈伤组织诱导率不同，最高诱导率为93.21%（基因型C6）、最低为33.35%（吉生1号）;愈伤组织在N6(大)＋B5(微)＋KT1.0mg/L+BA1.0mg/L的培养基上可以分化出芽，并在1/2MS培养基上生根。羊草基因型W4不同幼穗诱导的愈伤组织在继代培养过程中其生长、褐化死亡等方面存在着差异;在分化培养过程中，不同幼穗的愈伤组织最高分化率为9.24%，最低分化率为5.26%。 2. 对来自同一基因型不同幼穗的愈伤组织中差异表达的基因进行了研究。采用DDRT-PCR技术对其差异表达的基因进行了分离，通过银染技术显示差异片段。将得到的差异片段进行回收、克隆测序，得到两个差异片段序列，经过序列分析表明，其中一个片段是与水稻翻译延伸因子eEF-1基因高度同源;另一差异片段与水稻谷胱甘肽转移酶GST基因高度同源。 3. 建立了羊草遗传转化方法。在获得羊草离体培养再生体系的基础上，采用基因枪法对羊草两个基因型进行转抗除草剂基因（PAT）的研究。对分别来自基因型W4和C3的愈伤组织各1430和1850块进行转化。在附加1.0mg/L PPT的培养基上进行一系列的筛选培养，共获得了23株再生苗，经过生根筛选培养，得到5株抗性苗，3株来自基因型W4，2株来自基因型C3。对5株植株进行PCR和Southern 检测，得到2株阳性苗，均来自基因型W4，对阳性植株经过无性繁殖得到的无性系进行PCR检测及Basta耐受性鉴定，外源基因可以在其无性系稳定遗传并表达，无性系除对Basta具有抗性外，其表型特征与对照无明显区别。

采用AFLP分子标记和分子生物学方法对资源植物的评价

中国资源植物丰富，蕴藏着优异的基因资源，开发和利用这些优异资源是植物学研究的重要课题。本文面向国家重大需求选择两种资源植物一羊草(Leymuschinensis (Trin.)Tzvel)和向日葵(llelia thus annuus L．)，采用分子标记技术和分子生物学方法对其进行评价和研究，以期为资源利用提供依据。由于两种植物本身的差别和采用的研究方法各异，故分别论述。 羊草，隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部重要建群种之一。羊草是牧草之王，是我国比较有优势的战略性生物资源，对我国北方畜牧业的发展以及生态环境的保育均具有重要意义。近年来，由于缺乏科学管理、过度放牧等不利影响，加之羊草本身固有的“三低”问题（即抽穗率低、结实率低、发芽率低）已对羊草生物多样性维持构成了严重的威胁，限制了我国人工草地建设和天然草地的改良及沙化治理的步伐。因此，如何通过形态调查结合生物技术手段评价羊草遗传多样性为建立核心种质及改良羊草、快速评价和创造新的种质、如何加快育种进程便成为当前亟待解决的问题。本文围绕这些问题开展了系统的研究并取得如下结果： 1． 对羊草的形态调查和AFLP分析，表明羊草是一种形态变异较大但是遗传变 异较小的物种。两种生态型的表现显著差异，其中灰绿生态型羊草比黄绿生 态型差异大。羊草遗传多样性与包括长期的栽培驯化、地理分布有很大的相 关性，地理来源相同的几乎全部聚到了一组。 2． 通过主成分分析和通径分析，简化了羊草31个性状分析的复杂性，了解到 羊草无性繁殖受好的营养生长促进。 3． AFLP分子标记技术在分析羊草遗传多样性方面有显著优势，尤其是对于羊 草这样多态性不高的物种是一种非常有效的分析工具。在分析AFLP数据时 采用聚类分析和主坐标分析相结合的方法，既兼顾了亲缘关系较近的种质之 间的关系调查也兼顾了亲缘关系较远的种质之间的关系调查。 4．羊草AFLP反应，不同引物所获得的总带数和多态性带数差别明显。羊草基因 组对3’端有选择性碱基TN的所有EcoRJ选择性引物扩增效果很差，前人 的有关赖草属的遗传研究也支持这一结果。 向日葵(n=17)，属于菊科( Compositae)向日葵属(Helia thus)，向日葵的研究重要领域是向日葵杂种生产，而细胞质雄性不育系的使用是杂种优势育种的核心。全世界90%以上的向日葵杂交种生产仍然在使用同一个细胞质类型PETI，玉米遗传单一给生产带来的毁灭性打击仍然令研究者和生产者记忆犹新，因此寻找更多的细胞质类型仍然是研究者的重要任务。本研究围绕一个新的不育源(G20023)的发现及鉴定，通过使用不育的G20023的保持系、恢复系、恢复的Fi代、回交一代之间比较以及与属于PETI细胞质类型的不育系的相应材料进行比较，找出与这一新的细胞质类型不育表型有关的可能差异序列，来探讨其不育机制，得到如下结果： 1、 通过田间杂交试验，证明G20023的保持系有很多（已证实有24份）， 目前找到的恢复系只有一个，H.maximiliani。G20023不育源作为一 种新的细胞质类型可以成为将来杂交育种的候选资源。同时，我们找 到一些表型证据，除了无花粉之外，G20023与PETI表型的典型不同 之处还在于前者的花药上下均为分离状态，而后者花药的基部联合， 顶部分离。显然，不同的细胞质类型在解剖结构上可能表现不尽相同。 2、 与线粒体基因组特异基因的核酸序列比较，结果表明，G20023线粒体 基因组上没有orfH522序列，与PETI表现出差异;此外，在基因atp6 位点也与PETI不同，而且在该位点也与同属向日葵ANTI不相同。同 时由于orf873并没有出现在ANTI中而出现在G20023中，因此我们可 以认为G20023这一个新的不育系是与ANTI和PETI不同的细胞质类 型。 3、 在参考常规线粒体DNA提取方法的基础上，我们做了很多改进，建立 了自己的向日葵线粒体DNA提取方法。该方法更快更简单，提取的线 粒体DNA完全可以用于酶切和杂交。 4、 G20023不育源由于其稳定的不育性状，可以作为培育无花粉彩色向日 葵杂交种的亲本材料，我们通过此不育源选育适当花色的无花粉观赏 向日葵生产杂交种。

羊草遗传多样性分析和赖草属的分子系统发育

羊草（Leymus chinensis（Trin.）Tzvel.或Aneurolepidium chinense Trin.），隶属禾本科（Gramineae），大麦族（Hordeae），小麦亚族（Triticieae），赖草属（Leymus），兼具重要的生态价值和经济价值。面向国家重大需求，本论文选择羊草作为主要研究对象，开展了两方面的研究工作，即我国羊草种质资源的遗传多样性评价和赖草属物种的系统发育分析。 羊草是一种多年生根茎型禾草，根据叶色可以划分为黄绿型和灰绿型两种生态型。其分布范围横穿亚欧草原的东部，包括朝鲜和蒙古的西部，以及西伯利亚的西北部，集中分布于我国的东北部。羊草是我国典型草原植物群落中的优势种。它可以在多种土壤和气候条件下正常生长，如松嫩平原、内蒙古草原和黄土高原。从另一个角度讲，不同类型的生境也造就了羊草丰富的遗传多样性。 自上世纪90年代中期开始，我们陆续从我国东北部6个省市收集了293份羊草种质，包括205份灰绿型羊草和88份黄绿型羊草。经过连续3年的观测记录，通过37个重要农艺性状，对293份羊草的遗传多样性进行了评估。依据10个质量性状和27个数量性状，统计了羊草不同性状和不同地域羊草的Shannon遗传多样性指数，同时还使用了主成分分析和通径分析做了相关统计。结果显示：（1）与黄绿型羊草相比，灰绿型羊草具有更高的遗传变异（P<0.05）。结合这两个趋异型羊草的分布范围，可以得出两种类型羊草之间存在稳定的遗传差异;（2）通径分析显示，羊草营养生长性状和遗传多样性两者的组合效应可以解释羊草生殖特性中20.6％的遗传变异;（3）在124-128ºE这一区域，羊草的遗传多样性指数最高（H＝2.252），表明这一地区具有最丰富的羊草种质资源。 赖草属（Leymus Hochst.）是一个异源多倍体属，约有34个物种，该属未知基因组的起源一直争论不休。其倍性范围从四倍体（2n=4x=28）、八倍体（2n=8x=56）一直到十二倍体（2n=12x=84）。新麦草属（Psathyrostachys Nevski）只含有Ns一个基因组，约有9个物种。这两个属都是多年生牧草，具有抗旱、抗病和耐盐碱等生物学特性。 应用核糖体ITS（Internal Transcribed Spacer）序列和叶绿体trnL-F序列，我们对13个赖草属物种、小麦族18个属（40份二倍体材料）、以及Elymus californicus和Bromus catharticus，共计57份材料进行了系统发生分析。ITS序列分析表明，赖草属分别与新麦草属和小麦族中一个未知属在进化上具有紧密的关系。ITS谱系树表明赖草属内部存在大量的分化，以及赖草属物种具有多次起源的特征。trnL-F序列分析表明，赖草属物种的母本，部分来自Ns基因组，部分来自Xm基因组，这可能与赖草属物种的地理分布有关，分布于亚欧大陆的物种其母本是新麦草属，而分布于北美的大部分物种其母本是Xm基因组。trnL-F序列分析还表明，E. californicus和赖草属未知的基因组具有紧密的关系。以上研究结果表明：（1）从分子层面证明，赖草属的未知基因组并非来自薄冰草属，或是一个修正的新麦草基因组，其基因组组成应是NsNsXmXm;（2）赖草属物种的母本，部分来自Ns基因组，部分来自Xm基因组，这可能与赖草属物种的地理分布有关;（3）E. californicus的母本是Xm基因组，父本是Ns基因组，该物种应从披碱草属转移至赖草属。

羊草cDNA文库的构建及果聚糖水解酶的分离与鉴定

羊草(Leymus chinensis(Trin.) Tzvel.)又称碱草，隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部草甸草原及干旱草原上的重要建群种之一。作为一种兼具重要经济价值和生态价值的优良牧草，羊草受到了广泛的关注。但长期以来，对羊草的研究主要集中在生态学、生殖生物学方面，在分子生物学方面知之甚少。为了保存羊草基因资源，并在基因水平上研究羊草生物代谢的调控机理，本研究采用羊草根、叶片混合后做为材料，构建cDNA文库，并对文库中部分基因序列进行了分析。同时从中克隆获得羊草果聚糖水解酶全长基因并对这些基因进行了深入的生物信息学分析、转化毕赤酵母研究初步确定其功能，为深入了解羊草代谢的分子机制提供理论依据。主要结果如下： 1. 成功地构建了羊草根、叶混合cDNA文库，原始文库滴度达到4×106 pfu/ml，扩增文库滴度接近1011 pfu/ml ，重组率达97% 。PCR检测插入片段，均在0.5 kb到3 kb之间，l kb以上占68%。从文库中检测到了TC、γ-TMT、FEH基因，文库覆盖度达到要求且为PCR筛选文库提供了可能。 2. 随机挑取经检测过的597个单克隆进行测序，去除插入片段小于和污染序列后，获得了584条高质量的序列。所有584条EST序列与NCBI的核酸数据库比对时，有30.99%的EST序列与己知序列有很大的同源性：而与蛋白质数据库进行比对时，有61.27%的EST序列与已知序列有很大的同源性。核酸比对中，有32.87%的序列为未知功能新基因，而蛋白质比对结果只有11.27%的序列为未知功能新基因。其中获得5条全长基因。 3. 文库中测序得到果聚糖水解酶（FEH）片段，依据其核酸、蛋白序列，以羊草根茎为材料，结合果聚糖水解酶基因的保守序列设计引物，通过 RACE 方法，获得羊草果聚糖水解酶基因 Lc 1-FEH 的全长序列（2040bp），包含一个 1803bp 的开放阅读框，采用生物信息学方法对该基因编码蛋白质进行功能分析，该基因编码的氨基酸序列具有明显的果聚糖水解酶类蛋白特征(NDPNG，FRDP 和[WEC (V/P)D] 结构域)，其分子量为 66.8kD，等电点 pI 为 5.49，是一种酸性蛋白质。同源性分析结果表明Lc1-FEH与单子叶植物小麦、大麦和黑麦草细胞壁类酵素酶同源性最高，分别为89％、87％ 和72％。运用实时定量方法对Lc 1-FEH表达量在羊草发育各时期及不同逆境处理下进行测定，结果发现，幼苗中以叶中表达量最低，根茎中表达较高，成苗中花梗中的表达量最高；Lc1-FEH在转录水平明显受碱、ABA、SA及低温胁迫诱导，随着胁迫时间延长，表达量迅速增加，到达到最大值，之后表达水平逐渐降低，在盐、干旱的诱导下的表达量迅速降低。 4. 羊草果聚糖水解酶Lc1-FEH基因在毕赤酵母中的高效表达 将pMD-Lc1-FEH 质粒经双酶切后构建果聚糖酵母表达载体 pPICZα- Lc1-FEH 。将重组表达载体线性化后电击转化毕赤酵母Pichia pastoris X33，经抗生素 Zeocin 和酵母 PCR 筛选获得高效表达酵母工程菌。毕赤酵母表达的果聚糖水解酶蛋白经SDS-PAGE 分析表明Lc1-FEH表观分子量为 67 kD 左右。其最适反应 pH 值为 5.5，在 pH 值为 4.5~6.5 的范围内能保持较高的酶活力；表达Lc1-FEH的最适反应温度为 30 ℃；在温度在 20～30℃度范围内有较高的酶活。 Lc 1-FEH能够水解含有β-2，1糖苷键类型果聚糖：蔗果四糖、菊粉、6-蔗果三糖；而对β-2，6糖苷键类型果聚糖：6-蔗果三糖、新蔗果三糖、细菌类果聚糖及蔗糖基本不具水解活性。