Phototoxicity of photosystem II (PSII) herbicides to coral

Recent reports of contamination of the Great Barrier Reef Marine Park by herbicides used in antifouling paints and in agriculture have caused concern over the possible effects on corals in nearshore areas. Pulse-Amplitude Modulated (PAM) chlorophyll fluorescence techniques were used to examine changes in the maximum effective quantum yield (ΔF/Fm′) of symbiotic dinoflagellates within the host tissues (in hospite) of the coral Seriatopora hystrix exposed to a number of Photosystem II (PSII) inhibiting herbicides in short-term toxicity tests. The concentration of herbicide required to reduce ΔF/Fm′ by 50% (median effective concentration [EC50]) differed by over 2 orders of magnitude: Irgarol 1051 (0.7 μg l-1) > ametryn (1.7 μg l-1) > diuron (2.3 μg l-1) > hexazinone (8.8 μg l -1) > atrazine (45 μg l-1) > simazine (150 μg l-1) > tebuthiuron (175 μg l-1) > ionynil (> 1 mg l-1). Similar absolute and relative toxicities were observed with colonies of the coral Acropora formosa (Irgarol 1051 EC50: 1.3 μg l-1, diuron EC50: 2.8 μg l-1), Time-course experiments indicated that ΔF/Fm′ was rapidly reduced (i.e. within minutes) in S. hystrix exposed to Irgarol 1051 and diuron. On return to fresh running seawater, ΔF/Fm′ recovered quickly in diuron-exposed corals (i.e. in minutes to hours), but slowly in corals exposed to Irgarol 1051 (i.e. hours to days). Time-course experiments indicated that the effects of diuron (3 μg l-1) on S. hystrix were inversely related to temperature over the range 20 to 30 °C, although initially the effects were less at the lower temperatures. Repeated exposure to pulses of Irgarol 1051 (daily 2 h exposure to 30 μg l -1 over 4 d) resulted in a 30% decrease in the density of symbiotic dinoflagellates in the tissues of S. hystrix.

Photosynthetic responses of seven tropical seagrasses to elevated seawater temperature

This study uses chlorophyll a fluorescence to examine the effect of environmentally relevant (1-4 h) exposures of thermal stress (35-45 [deg]C) on seagrass photosynthetic yield in seven tropical species of seagrasses. Acute response of each tropical seagrass species to thermal stress was characterised, and the capacity of each species to tolerate and recover from thermal stress was assessed. Two fundamental characteristics of heat stress were observed. The first effect was a decrease in photosynthetic yield (Fv / Fm) characterised by reductions in F and Fm'. The dramatic decline in Fv / Fm ratio, due to chronic inhibition of photosynthesis, indicates an intolerance of Halophila ovalis, Zostera capricorni and Syringodium isoetifolium to ecologically relevant exposures of thermal stress and structural alterations to the PhotoSystem II (PSII) reaction centres. The decline in Fm' represents heat-induced photoinhibition related to closure of PSII reaction centres and chloroplast dysfunction. The key finding was that Cymodocea rotundata, Cymodocea serrulata, Halodule uninervis and Thalassia hemprichii were more tolerant to thermal stress than H. ovalis, Z. capricorni and S. isoetifolium. After 3 days of 4 h temperature treatments ranging from 25 to 40 [deg]C, C. rotundata, C. serrulata and H. uninervis demonstrated a wide tolerance to temperature with no detrimental effect on Fv / Fm' qN or qP responses. These three species are restricted to subtropical and tropical waters and their tolerance to seawater temperatures up to 40 [deg]C is likely to be an adaptive response to high temperatures commonly occurring at low tides and peak solar irradiance. The results of temperature experiments suggest that the photosynthetic condition of all seagrass species tested are likely to suffer irreparable effects from short-term or episodic changes in seawater temperatures as high as 40-45 [deg]C. Acute stress responses of seagrasses to elevated seawater temperatures are consistent with observed reductions in above-ground biomass during a recent El Nino event.

Ultraviolet radiation effects on fruit surface respiration and chlorophyll fluorescence

High-value fruit crops are exposed to a range of environmental conditions that can reduce fruit quality. Solar injury (SI) or sunburn is a common disorder in tropical, sub-tropical, and temperate climates and is related to: 1) high fruit surface temperature; 2) high visible light intensity; and, 3) ultraviolet radiation (UV). Positional changes in fruit that are caused by increased weight or abrupt changes that result from summer pruning, limb breakage, or other damage to the canopy can expose fruit to high solar radiation levels, increased fruit surface temperatures, and increased UV exposure that are higher than the conditions to which they are adapted. In our studies, we examined the effects of high fruit surface temperature, saturating photosynthetically-active radiation (PAR), and short-term UV exposure on chlorophyll fluorescence, respiration, and photosynthesis of fruit peel tissues from tropical and temperate fruit in a simulation of these acute environmental changes. All tropical fruits (citrus, macadamia, avocado, pineapple, and custard apple) and the apple cultivars 'Gala', 'Gold Rush', and 'Granny Smith' increased dark respiration (A0) when exposed to UV, suggesting that UV repair mechanisms were induced. The maximum quantum efficiency of photosystem II (Fv/Fm) and the quantum efficiency of photosystem II (ΦII) were unaffected, indicating no adverse effects on photosystem II (PSII). In contrast, 'Braeburn' apple had a reduced Fv/Fm with no increase in A0 on all sampling dates. There was a consistent pattern in all studies. When Fv/Fm was unaffected by UV treatment, A0 increased significantly. Conversely, when Fv/Fm was reduced by UV treatment, then A0 was unaffected. The pattern suggests that when UV repair mechanisms are effective, PSII is adequately protected, and that this protection occurs at the cost of higher respiration. However, when the UV repair mechanisms are ineffective, not only is PSII damaged, but there is additional short-term damage to the repair mechanisms, indicated by a lack of respiration to provide energy.

Studying the diurnal and seasonal acclimation of photosystem Ii using chlorophyll-a fluorescence

A small fraction of the energy absorbed in the light reactions of photosynthesis is re-emitted as chlorophyll-a fluorescence. Chlorophyll-a fluorescence and photochemistry compete for excitation energy in photosystem II (PSII). Therefore, changes in the photochemical capacity can be detected through analysis of chlorophyll fluorescence. Chlorophyll fluorescence techniques have been widely used to follow the diurnal (fast), and the seasonal (slow) acclimation in the energy partitioning between photochemical and non-photochemical processes in PSII. Energy partitioning in PSII estimated through chlorophyll fluorescence can be used as a proxy of the plant physiological status, and measured at different spatial and temporal scales. However, a number of technical and theoretical limitations still limit the use of chlorophyll fluorescence data for the study of the acclimation of PSII. The aim of this Thesis was to study the diurnal and seasonal acclimation of PSII in field conditions through the development and testing of new chlorophyll fluorescence-based tools, overcoming these limitations. A new model capable of following the fast acclimation of PSII to rapid fluctuations in light intensity was developed. The model was used to study the rapid acclimation in the electron transport rate under fluctuating light. Additionally, new chlorophyll fluorescence parameters were developed for estimating the seasonal acclimation in the sustained rate constant of thermal energy dissipation and photochemistry. The parameters were used to quantitatively evaluate the effect of light and temperature on the seasonal acclimation of PSII. The results indicated that light environment not only affected the degree but also the kinetics of response of the acclimation to temperature, which was attributed to differences in the structural organization of PSII during seasonal acclimation. Furthermore, zeaxanthin-facilitated thermal dissipation appeared to be the main mechanisms modulating the fraction of absorbed energy being dissipated thermally during winter in field Scots pine. Finally, the integration between diurnal and seasonal acclimation mechanisms was studied using a recently developed instrument MONI-PAM (Walz GmbH, Germany) capable of continuously monitoring the energy partitioning in PSII.

Reducing the risk of herbicide runoff in sugarcane farming through controlled traffic and early-banded application

The off-site transport of agricultural chemicals, such as herbicides, into freshwater and marine ecosystems is a world-wide concern. The adoption of farm management practices that minimise herbicide transport in rainfall-runoff is a priority for the Australian sugarcane industry, particularly in the coastal catchments draining into the World Heritage listed Great Barrier Reef (GBR) lagoon. In this study, residual herbicide runoff and infiltration were measured using a rainfall simulator in a replicated trial on a brown Chromosol with 90–100% cane trash blanket cover in the Mackay Whitsunday region, Queensland. Management treatments included conventional 1.5 m spaced sugarcane beds with a single row of sugarcane (CONV) and 2 m spaced, controlled traffic sugarcane beds with dual sugarcane rows (0.8 m apart) (2mCT). The aim was to simulate the first rainfall event after the application of the photosynthesis inhibiting (PSII) herbicides ametryn, atrazine, diuron and hexazinone, by broadcast (100% coverage, on bed and furrow) and banding (50–60% coverage, on bed only) methods. These events included heavy rainfall 1 day after herbicide application, considered a worst case scenario, or rainfall 21 days after application. The 2mCT rows had significantly (P < 0.05) less runoff (38%) and lower peak runoff rates (43%) than CONV rows for a rainfall average of 93 mm at 100 mm h−1 (1:20 yr Average Return Interval). Additionally, final infiltration rates were higher in 2mCT rows than CONV rows, with 72 and 52 mm h−1 respectively. This resulted in load reductions of 60, 55, 47, and 48% for ametryn, atrazine, diuron and hexazinone from 2mCT rows, respectively. Herbicide losses in runoff were also reduced by 32–42% when applications were banded rather than broadcast. When rainfall was experienced 1 day after application, a large percentage of herbicides were washed off the cane trash. However, by day 21, concentrations of herbicide residues on cane trash were lower and more resistant to washoff, resulting in lower losses in runoff. Consequently, ametryn and atrazine event mean concentrations in runoff were approximately 8 fold lower at day 21 compared with day 1, whilst diuron and hexazinone were only 1.6–1.9 fold lower, suggesting longer persistence of these chemicals. Runoff collected at the end of the paddock in natural rainfall events indicated consistent though smaller treatment differences to the rainfall simulation study. Overall, it was the combination of early application, banding and controlled traffic that was most effective in reducing herbicide losses in runoff. Crown copyright © 2012

光合作用与环境的研究

该成果收集了近10年来我们对光合作用与环境方面研究的主要文章共57篇，概括为6个方面的内容，其中原始论文52篇，技术方法5篇。主要的新进展与特色为：a)阐 明CAM植物代谢与PEPCK的调节特殊性。鉴别菠萝和芦荟为CAM-PEPCK亚型，PEPCK是其光下C4酸的脱羧酶。首次证明PEPCK受底物和碳代谢中间产物的调控，纯化酶的负效应剂G6P、FBP、PEP及正效应剂Mn2+的作用在于改变酶蛋白的构象。b)首先指出PEPC也是活性氧攻击的靶蛋白，其失活原因在于酶蛋白氧化降解和构象改变。不同光合途径植物对光氧化的敏感性有别。光氧化条件下C3与C4植物产生.O2- 速率、耗散激发能和PSII稳定性有一定差异。脂氧合酶（LOX）抑制光合电子传递的位点在PSII氧化侧和Q和PQ上。c)指出较强的抗氧化能力（清除自由基能力）、抗UV-B能力（积累较多的UV-B吸收物质），提高叶片吸收的光能中非光化学耗散的比例，增高光合电子流向光呼吸、O2和NO2-光还原等电子传递支路的传递速率和比例是森林植物适应于自然光环境的强光的重要保护策略。d)从马尾松年轮的δ13C分析追踪了前80年来亚热带自然林区CO2浓度的上升速率（0.7~2.3μl/L/年）。对森林中不同人类活动干扰地点大气CO2、NOX和SO2浓度的现场检测和主要树种的生理、生化变化研究，证明其与人类干扰活动的形式和强度有关，为全球变化及其后效应提供了有力的证据。通过电脑调控水稻生长大棚的CO2浓度发现不同品种间对高CO2浓度适应性的显著差别，明确了适应性较强的4个品种，并从多种指标证明高CO2浓度对水稻的光氧化损伤具有缓解或防护效应。e)盐藻细胞中甘油和蛋白质受介质盐浓度调控，固定化培养提高甘油分泌量。改进和发展了利用对有机自由基DPPH. 的清除比例与数量来评价植物抗氧化性的简易可行的分光光度法。

TNFa在鱼腥藻7120中的高效表达和对宿主光合作用的影响

蓝藻分子生物学的飞速发展已使其成为生物学的前沿。近几年来，以蓝藻为宿主的基因工程发展迅速，使转基因蓝藻已有希望制备药物或处理环境问题。但迄今为止，国内外用蓝藻表达外源基因的表达效率都不高。为了使转基因蓝藻在应用上产生较好的社会效益和经济效益，必须进一步提高外源基因在蓝藻中的表速效率，以及提高光合效率、加速生长。 本研究用人肿瘤坏死因子a（Human Tumor Necrosis Factora简称hTNFa）作为外源目的基因。它是由巨噬细胞和单核细胞受到刺激后产生的一种多功能蛋白质细胞因子。hTNFcc多种生物学效应并作为信号传导体，其中最引人注目的是它对肿瘤组织和肿瘤细胞直接地、特异性和广谱性地杀伤作用，极有希望制成抗癌剩的天然因子之一。但是用大肠杆菌得到的重组产物需要严格纯化，通常用于静脉注射，但由于毒副作用大，十几年来国内外一直停留在临床实验阶段，我们研究组建议用蓝藻为宿主表达hTNFa制备口服剂，来减缓毒副作用，已经得到了转基因鱼腥藻，并测得产物具有抑瘤的生物学活性。但是表达效率一直不高，并且它的表达对蓝藻生长有些抑制。 由于蓝藻是原核生物，基因的表达调控主要是在转录水平和翻译水平。因此，寻找在蓝藻中高效的启动子，改变SD序列的结构是提高外源基因在蓝藻中表达效率的有效手段。本研究将连有不同SD序列的TNFa cDNA克隆到穿梭表达载体pRL-489的启动子（PpsbA）下游，构建2个鱼腥藻7120的穿梭表达载体（pMD-489-TNF1，2），通过三亲接合转移法分别导八鱼腥藻7120细胞。用放射免疫法定量分析TNFa在转基因蓝藻中的表达效率。结果表明，有效地提高了TNFa在鱼腥藻7120中的表达。TNFa的表达量占总可溶性蛋白的2.1 - 2.9%和0.15%，表达效率分别提高到原来的21 - 29倍和1.5倍。 在培养转基因鱼腥藻中，观测到它们在形态和生理上都发生了变化，这反应了TNFcc基因的转入和表达对宿主光合作用的影响。 光学显微镜和扫描电子显微镜的观察发现：转基因鱼腥藻比野生型异形胞数目减少约30%。转入空质粒的营养细胞比野生型略大，转TNFa基因的鱼腥藻异形胞体积明显增加，而营养细胞比正对照和野生型小。到了生长后期，转TNFa因的鱼腥藻营养细胞体积明里增大，多与异形胞相当，有的甚至比异形胞大。转pMD-489-TNFI的鱼腥藻细胞内出现明显的空腔。通过透射电子显微镜的观察发现：转基因藻中的类囊体膜片屡结构更加明显。转基因藻和野生藻的生长曲线的比较表明，转入空质粒pRL-489对宿主的生长几乎没有影响，甚至还略快于野生型;TNFa的表达对细胞的生长有一定副作用，胞内TNFa的含量高时，细胞数增长缓慢，并且平台期时细胞数有一定下降。 从光合作用光强曲线的分析可见，转TNFa因的鱼腥藻有较低的光饱和点，暗示了TNFa的表达可以增强宿主对光的敏感性;同时，TNFa的转入使宿主的呼吸作用加强，几乎比野生型和转空质粒的正对照高一倍，显示了TNFa基因的转入和表达可能给宿主带来更大的代谢负荷;在光饱和点以上，几种藻的真实光合放氧能力大致相同，表明TNFa的表达没有破坏宿主的光合反应中心。 从室温吸收光谱分析可见，转基因蓝藻有相对较高的类胡萝卜素和叶绿素a蓝峰，转TNF谌因的鱼腥藻显示了藻蓝蛋白含量有所降低。因为蓝藻的主要天线色素为藻胆蛋白，藻蓝蛋白相对含量的下降可能与宿主对光更敏感有关。 从低温荧光发射光谱分析可见，转TNFa基因的鱼腥藻7120光系统II能量分配较高。可能是TNFa基因的转入提高了藻胆蛋白的吸收和传递光能的效率。 从叶绿素荧光动力学分析可见，鱼腥藻7120在生长的过程中PSII的活性存在一个变化的过程。TNFa的转入和表达在对数后期提高了宿主的光系统II原初光能转化效率。 从转基因藻光系统I和光系统II光合放氧活性分析与TNFa表达随培养时间变化曲线表明，转TNFcc基因鱼腥藻的光合放氧活性比野生型和正对照高，尤其是显著地提高了宿主的Psn活性。 用自然界中原来不存在的转基因鱼腥藻作上述研究表明：原来只存在于高等、异养的人类和哺乳动物中的TNFa基因，一旦转入最古老的放氧光合生物后，其表达可被调控;同时TNFa的表达又能影响宿主的光合作用。它提高了宿主对光的敏感性、光系统II的活性和对光能的利用率。这似乎都表明TNFa在蓝藻细胞中起信号传导体的作用。而且，这些数据的积累，还有助于我们优化培养条件，提高TNFa的表达效率，为产业化做好准备。

盐角草（Salicornia europaea L.）SePSY和SeLCY基因克隆及功能分析

盐角草（Salicornia europaea L.）是一种叶片退化而茎肉质化，不具有盐腺和盐囊泡的真盐生植物，可以在1020 mM NaCl下生存。其特殊的形态适应特点使其成为研究植物抗盐性的良好实验材料。但目前与盐角草抗盐机理相关的生理和分子方面的研究还非常有限。本文以盐角草为材料，首先探讨了盐分和渗透胁迫对其光合作用和渗透平衡的影响，在此基础上进一步克隆了盐角草类胡萝卜素合成途径中的两个关键酶，八氢番茄红素合成酶（SePSY）和番茄红素β-环化酶（SeLCY）基因，并进行了功能分析。该研究对于了解类胡萝卜素在植物抗盐性中所起的作用具有重要意义。 盐分和渗透胁迫对其光合作用和渗透平衡影响的实验结果表明：200 mM NaCl是盐生植物盐角草生长的最适盐浓度，在该盐度下盐角草中叶绿素a/b的比值和光饱和点升高，植株的光合作用表现出增强的效应，植株生长最佳。而27％ PEG-6000所模拟的渗透胁迫显著降低了盐角草中叶绿色a/b的比值，抑制其光合作用和生长。200 mM NaCl下，Na+的含量显著增加，但脯氨酸含量保持不变，说明Na+对盐角草渗透平衡的作用要强于脯氨酸。同时盐角草中液泡H+-ATPase（V-H+-ATPase）活性增强，而盐角草Na+/H+逆向转运蛋白基因（SeNHX1）在盐分和渗透胁迫下却表现为组成型表达;我们因此推断在盐分胁迫下，Na+的吸收是由于液泡H+-ATPase活性的增强，而不是诱导SeNHX1基因的表达。同时Na+的吸收可能进一步诱导了与光合作用相关基因的表达。 盐分对植物的影响涉及植物体内包括光合作用和活性氧代谢在内的多个代谢过程。在植物中，类胡萝卜素是植物捕光天线复合体（LHC）和光系统反应中心叶绿素结合蛋白的重要组成部分。植物体内类胡萝卜素能够清除植物叶绿体，线粒体和过氧化物体在电子传递过程中产生的活性氧。同时类胡萝卜素是植物激素ABA的前体。200 mM NaCl虽然增加了盐角草细胞的渗透势，但并没有对其造成氧化胁迫和离子毒害，相反提高了其光合能力。类胡萝卜素作为植物活性氧的淬灭剂和光系统的组成成分，可能在盐角草抗盐机理中发挥着比较重要的作用。在过去的十年中，类胡萝卜素研究大多集中在其生物合成和提高作物中类胡萝卜素含量方面，可是，在植物对非生物逆境（如氧化和盐分胁迫）的适应机制中，类胡萝卜素合成途径究竟发挥什么作用目前还不是很清楚。为了了解盐角草中类胡萝卜素合成途径在植物逆境的适应机制中所发挥的作用，本文采用RACE的方法克隆了盐角草类胡萝卜素合成途径中的两个关键酶基因 SePSY和SeLCY，将它们构建到植物表达载体SN1301中，转化拟南芥，并对它们进行了初步的功能分析。 研究发现盐角草SePSY基因全长1655 bp，编码419个氨基酸，推测分子量为47.2 kDa，等电点为8.92。其蛋白在1-65个氨基酸处有一个信号肽。在1-19和242-264氨基酸处有2个跨膜区。盐角草SeLCY基因全长1937 bp，编码498个氨基酸，推测分子量为56.1 kDa，等电点为8.41。其蛋白在1-37个氨基酸处有一个信号肽。在79-96，367-385和454-474氨基酸处有3个跨膜区。SePSY和SeLCY基因过量表达均促进转基因拟南芥的生长，转SePSY基因拟南芥次生根数目比野生型拟南芥明显增多。SePSY和SeLCY基因的过量表达还使转基因拟南芥对百草枯的抗性得到提高;SePSY基 因的过量表达增强了植株体内抗氧化保护酶过氧化物酶（POD），超氧化物歧化酶（SOD）活性，但过氧化氢酶 （CAT）的变化不显著;转SeLCY基因株系POD，SOD，CAT的活性都有所增强，但转SePSY基因株系中POD活性明显高于 转SeLCY基因株系。转SePSY和SeLCY基因拟南芥叶片中丙二醛（MDA）和H2O2含量均降低，但转SePSY基因株系中MDA和H2O2含量明显低于转SeLCY基因株系。说明转基因拟南芥对氧化胁迫的抗性得到了提高，同时使得光系统II（PSII）和细胞膜的结构和功能不被破坏。而转SePSY基因株系对盐分和氧化胁迫的抗性明显高于转SeLCY基因株系。SePSY和SeLCY基因的过量表达还提高了转基因拟南芥的光合效率，气孔导度和Fv/Fm比值。 SePSY和SeLCY基因转化拟南芥及其功能分析的初步结果表明，SePSY和SeLCY基因的过量表达提高了转基因拟南芥对体内活性氧（ROS）的清除能力，增强了拟南芥的光合能力，进而提高了拟南芥的抗盐性。

果实成熟衰老与抗病性的调控机制研究

　　果实为开花植物所特有的发育器官，在种子的成熟和传播过程中发挥着重要作用。同时，肉质果实中含有丰富的营养物质，包括纤维素、维生素、抗氧化剂等，成为人们饮食的重要组成部分。由于果实的成熟衰老和抗病性直接影响果品的质量和市场价值，因此，研究果实成熟衰老和抗病性的调控机制具有重要的理论意义和应用前景。本文主要利用蛋白质组学的方法，探讨外源化学物质抑制果实成熟衰老和诱导抗病性的调控机制。 1. 硅对果实的抗病性诱导：用硅酸钠（1%）处理采后的甜樱桃果实，再接种褐腐病原菌（Molinilia fracticola），置于20C下，观测贮藏期间果实的发病率，并分析硅处理后诱导的主要蛋白质及调控机制。研究结果表明：硅酸钠处理可显著抑制贮藏期间褐腐病的发生，其抑病机理与硅诱导PR-蛋白的表达，提高果实的抗氧化水平，减轻由病原菌侵染造成的氧化胁迫相关。同时，硅处理还能保护细胞骨架结构，有利于增强果实对病原菌入侵的抵抗力。 2. 水杨酸对果实的抗病性诱导：用水杨酸（SA，2mM）在果园处理三种成熟度的甜樱桃果实，然后接种青霉病原菌（Penicillium expansum）观察其发病情况，并取样分析参与抗病性应答的主要蛋白质及调控机制。试验结果表明：SA处理能显著降低青霉病的发病率和抑制病斑扩展，而且SA对低成熟度甜樱桃果实的抗性诱导效果更好。在八成熟的果实中，有5个热激蛋白和4个脱氢酶蛋白被SA诱导，这些蛋白参与了糖酵解和三羧酸循环。抗氧化蛋白和PR蛋白主要参与较低成熟度果实的抗性应答，而热激蛋白和脱氢酶在较高成熟度果实的抗性应答中更明显，SA诱导的抗性与代谢途径相关。 　　3. 草酸对果实的抗性诱导：用5mM的草酸处理冬枣果实后，接种青霉菌（P. expansum），观察果实发病情况，测定果实相关的生理指标，分析参与果实抗性应答的主要蛋白质及调控机制。结果表明：草酸能明显延缓冬枣果实的衰老，提高果实对青霉菌的抗性。草酸处理能抑制果实乙烯的释放量和呼吸强度，延缓叶绿素的降解，减少乙醇积累。利用蛋白质组学的研究方法证实了在25个参与了草酸处理应答的蛋白中，胱硫醚-β-合酶结构域包含蛋白（CBB domain-containing protein）和3个与光合作用相关蛋白[二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase activase, chloroplast precursor），二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基结合蛋白（RuBisCO large subunit-binding protein subunit beta, chloroplast precursor），植物光系统Ⅱ放氧复合蛋白2（PSII oxygen-evolving complex protein 2）]的表达量上调，乙醇脱氢酶的表达量出现下调。草酸处理还提高了与乙烯合成前体相关蛋白的表达，抑制了ACC合成酶的活性。草酸提高果实抗病的机制与延缓果实成熟衰老和保持果实抗性有关。 4. 果实衰老的调控机制：采用高氧（100%）和低氧（2-3%）处理苹果果实，观察果实衰老的进程，并基于蛋白质组学的研究方法，探讨苹果果实衰老与线粒体蛋白质组的关系。结果表明，在苹果衰老过程中有22个蛋白的表达量发生变化，这些蛋白主要参与了三羧酸循环，电子传递，碳代谢和胁迫应答。高氧处理能诱导氧化胁迫，加速了果实的衰老。质谱鉴定结果证明：在高氧胁迫下，超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）和线粒体外膜通道蛋白（porin) 的表达量降低，MnSOD的活性受到抑制，由此提高了线粒体中超氧阴离子的含量，增加了蛋白质的氧化损伤。 此外，高氧处理改变了porin的功能，导致了线粒体膜的透势发生变化，从而引起外膜损伤。由此阐明了活性氧在果实的成熟衰老调控中的重要作用。

毛乌素沙地优势植物对全球气候变化的响应研究

毛乌素沙地是中国半干旱地区典型沙地，这里的干旱生态系统对全球的水热配合格局的变化具有很灵敏的响应。随着未来全球气候变化，如温度和降水量变化，将给这里的陆地生态系统分布格局和生产力以及水分平衡带来巨大影响。故本文人工控制157. 5mm、315. Omm、472. 5mm和630. Omm4种施水量水平以及25/20℃和28/23℃（白天／晚上）两种温度，来研究与模拟毛乌素沙地优势植物对水分和温度变化的响应。 以沙柳、杨柴和油蒿幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨它们的水分平衡对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，随着施水量的增加，沙地贮水量及其它的变化量、湿度、蒸发量和蒸腾量均逐渐增大。并且157. 5mm和315. Omm施水量的植物沙地出现水分亏缺现象。相同施水量下，沙地蓄水量和湿度均杨柴沙地>沙柳沙地>油蒿沙地，而植物蒸腾量却油蒿>沙柳>杨柴。 以沙柳和油蒿幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物气体交换过程对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，施水量的增加显著提高了两种植物的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和光能利用效率，并且显著降低了叶片温度。同时，157. 5mm施水量造成沙柳和油蒿的净光合速率和蒸腾速率具有显著的“午睡”现象，而充足施水却有效的解除或缓解这种“午睡”现象。 以沙柳、杨柴、油蒿和柠条幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物叶绿素荧光对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，不同施水量对这4种植物的初始荧光、最大荧光、可变荧光和PSII光化学效率均具有显著影响。157. 5mm施水量的沙柳、杨柴、油蒿和柠条以及630. Omm施水量的柠条出现明显的光抑制现象。 以沙柳、杨柴、油蒿和柠条幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物生长对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，施水量的增加对沙柳、油蒿和杨柴枝叶形态和生物量等都具有显著正效应。而157. 5mm和630. Omrn的施水量对柠条生长具有负作用。另外，沙柳、杨柴和油蒿根冠生物量比随着施水量增加均逐渐减小，而不同施水量的油蒿根冠生物量比之间差异不显著。 以柠条、杨柴和油蒿幼苗为研究对象，人工控制两种温度水平来探讨植物形态、生物量和气候交换特征对增温的响应。结果表明，增温显著提高了柠条和杨柴株高、叶数、叶面积、生物量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，却显著降低了水分利用效率。增温对油蒿叶数、叶大小、叶面积、生物量、蒸腾速率和气孔导度没有显著影响，却显著提高了油蒿的树高和净光合速率。柠条、杨柴和油蒿之间的种间生长和生理特征均有显著差异。

植物对光环境的适应性研究—富贵草对模拟光斑的光合响应——银衫对不同光环境的适应性——大叶黄杨叶片内部光能利用梯度

本文研究了富贵草对模拟光斑的光合响应、银杉对光的适应性以及大叶黄杨叶片内部光能利用梯度三个方面的问题。 1)研制了用于林内光环境调查和研究的光量子计组件。 关键词：光量子计，A/D板 2)以亚热带常绿阔叶林下一种常见的灌木富贵草为研究对象，利用气体交换和叶绿素荧光技术研究了其对模拟光斑的光合响应。在同样辐射通量（非光抑制）的情况下，光合诱导过程中光斑可以提高富贵草对光斑的利用能力（光斑诱导的碳同化量可高出对照48%）。叶绿素荧光测量结果表明：1）光斑与光斑之间的暗期发生了qN弛豫过程;2）暗期之后的光期光化学能量转换效率提高。强光光斑簇可以诱导富贵草光抑制的产生，但程度较连续光低。 关键词：模拟光斑， 叶绿素荧光， 光诱导过程 3)用高效液相色谱(HPLC)和77K低温荧光发射光谱技术来研究快速诱导组分发生的时间内光斑所导致NPQ (qN)降低的生理原因。在非光抑制条件下，光斑造成的NPQ (qN)降低的生理原因包括叶黄素循环的变化及LHCIIs聚集态的变化;此外低温荧光数据还显示光斑导致的PSII/PSI荧光产量比率要高于连续光，说明光斑导致植物对于光的利用增加。以上结果说明模拟光斑诱导了富贵草内囊体膜较低水平的能态。 关键词：模拟光斑，叶黄素，聚集态 4)用气体交换等技术测定了部分银杉幼树的生理生态指标，用鱼眼镜头测定了所测叶片的林冠开度(OP)。研究了沿林冠开度梯度的银杉幼树对光的适应性。银杉幼树在林窗边缘表现出较好的适应性，包括高的ISG（综合地上部分茎生长），高的HG（当年生树高生长速率），较高的LMA（单位叶片面积干物质重），较高的Pns（单位叶片干物质水平的净光合速率），高的单位叶片的碳同化速率，较高的截获光的单位叶片的叶面积等等，可以初步确定银杉属于Gap树种：在所测定的范围内（0. 00139%-0. 0109%）TN（土壤总氮量）明显不如OP对银杉幼树生长的影响大;综合的生态可塑性指标必须考虑具体的实验地情况、选取合适的形态学和生理学的因子、并结合多个相似生长环境下的树种来进行考虑。 关键词：林冠开度，生理生态指标，生态可塑性 5)分析了湖南八面山的银杉的某些光合特性，并比较了极郁闭（ OP<4%）情况下银杉当年生叶片与大树顶端枝条(OP>30%)当年生叶片之间光合特性上的差异。极郁闭情况下银杉叶片生长出现黄化现象，但银杉幼苗又不耐强光。银杉幼苗一天的光合动态变化表明，银杉最大光合速率在早晨8:00左右，当光照超过光饱和点时，净光合速率迅速下降，其后略有回升，呈不太典型的双峰模式。气孔关闭与净光合速率的下降有密切的关系。早晨8:00到11:00间叶黄素循环运转，对光合系统起到一定保护作用。 关键词： 银杉，色素分析，光合作用 6)采用一种新方法来测量大叶黄杨叶片内部的绝对光能利用效率梯度的曲线。该方法基于光声光谱的深度分析(Depth-Analysis)理论，并结合了光纤微探测器的叶片光梯度测量结果。日本小檗(Berberis thunbergii DC.)叶片的光声光谱扫描显示了深度分析的精确性。实验结果表明：叶片内部利用光能效率最低处在栅栏组织和海棉组织之间（入射光能的0.026%-660nm红光）;越靠近叶片的上表皮和下表皮，趋势显示叶片组织利用光能效率有上升的趋势(分别为0.092%，0.036%)。因此，不同叶肉组织绝对光能利用效率是不同的，该实验结果直接证实了Han &Vogelmann 1999b所提出的假设。 关键词： PA深度分析 叶片内部的光梯度 光化学损失 光吸收梯度

浑善达克沙地优势豆科植物 光合生理特性研究

　　氮素是植物光合生产的决定性因素，尤其是在沙地草地生态系统中，氮素贫乏往往限制植物的生长发育。因此，研究沙地植物光合作用与叶片N含量之间的关系，以及不同植物功能型氮素利用效率，有助于理解不同植物资源利用效率的差异。以浑善达克沙地分布的80种植物为研究对象，对不同生境(固定沙丘、丘间低地和湿地)、不同生活型(乔、灌、草)、不同光合途径(C3和C4)以及豆科和非豆科植物等功能型进行研究，结果表明：无论在单位叶面积水平还是单位干重水平上的叶片氮含量，均与光合速率成极显著正相关，但单位氮素的光合利用效率在不同生境以及不同功能型之间差异很大;光合氮素利用效率表现为：湿地植物>沙丘>丘间低地植物;草本植物>灌木>乔木;C4草本>C3草本植物，非豆科植物>豆科植物。 　　为了验证浑善达克沙地豆科植物是否比非豆科植物具有更高的光合潜力，我们比较研究了3种优势豆科植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、木岩黄芪(Hedysarum fruticosum var. lignosum)、披针叶黄华(Thermopsis lanceolata)和2种非豆科植物羊草(Leymus chinensis)和黄柳(Salix gordejeviii)，结果表明并非所有豆科植物都比非豆科植物有着显著高的光合速率，仅木岩黄芪表现出较高的光合速率，其它两种豆科植物的光合速率和羊草、黄柳的差异并不显著(P>0.05)，甚至低于后者，这是因为氮素利用效率(PNUE)在其中起关键作用，通过对影响PNUE的几个主要因素进行分析得出：叶绿素对光能的吸收、光化学转换效率和CO2分压并不是构成豆科和非豆科植物PNUE差异的主要因素，而Rubisco羧化效率决定了所实验的5种植物对氮素利用效率的高低。 　　木岩黄芪在浑善达克沙地的沙丘上为优势种，甚至成为流动沙丘的先锋种。除了其显著高的氮含量外，对沙丘胁迫生境的光合适应性是我们关注的另一个重点。通过对木岩黄芪和其伴生种黄柳的光反应曲线以及光合日动态的研究，发现木岩黄芪具有显著高的光合速率、水分利用效率和PSII 光化学效率，其忍受中午强光和高温的能力较强(即“光合午休”现象不明显)。另外，该物种还表现出了显著高的光饱和点和低光补偿点。 对木岩黄芪的模拟降雨试验结果表明：气体交换参数以及叶绿素荧光参数均受到干旱和模拟降雨的影响，其中气孔因素和非气孔因素共同决定了干旱条件下木岩黄芪光合速率的降低;但降雨解除干旱后，气孔导度恢复较快，而PSII 潜在活性和PSII 光能转换效率的恢复却比较缓慢。在0-15mm的降雨量范围内，随降雨量的增加各项生理指标不断升高，但大于15mm的降雨量对木岩黄芪影响不大，因此木岩黄芪可被视为低耗水型植物。 　　对木岩黄芪光合酶的研究结果表明，其C4光合酶的活性很高，磷酸稀醇式丙酮酸羧化酶(PEPcase)、NAD-苹果酸酶(NAD-ME)、NADP-苹果酸酶(NADP-ME)、NAD-苹果酸脱氢酶(NAD-MDH)、NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MDH) 和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)等酶的活性，在整个生育期内为黄柳的5倍以上，但稳定性碳同位素测定结果却表明木岩黄芪为C3植物。因此，我们认为C3豆科植物木岩黄芪体内可能存在着C4光合途径，这种机制使得其对于流动沙丘的胁迫环境有着很强的适应性和很高的资源利用效率。

捕光叶绿素a/b蛋白复合体LHCP-II和LHCP-I在类囊体膜中的模向迁移及其对激发能在两个光系统间分配的影响

本文主要研究了Mg2+对LHCP－II和LHCP－I在基粒膜与基质膜之间横向迁移的作用及其对激发能在两个光系统间分配的影响，进一步证实和发展了Kyle等提出的移动天线色素假说（mobile antenna hypothesis）。揭示了二价金属阳离子使激发能有利于向光系统II（PSII）分配，而不利于向光系统I（PSI）分配的生化基础。 用毛地黄皂（Digitonin）方法分离了悬浮在低渗、低浓度一价金属阳离子介质中的小麦类囊体的基粒膜与基质膜，结果发现，事先用5m MMgol2预处理过的类囊体，其基质膜比未处理的有较高的叶绿素a/b比值，基粒膜的叶绿素a/b比值变化不大。 低温荧光（77K）发射光谱表明，mg2+处理能增强类囊体膜和基粒膜的687nm荧光发射峰，降低F741/F687比值。除此以外，在对照的基质膜里还发现F687-向F688以及F741向F738的位移。 解垛叠及Mg~(2+)诱导的重垛叠实验表明，低温荧光F741/F687比值在解垛叠进程中上升，而在重垛叠过程中，F741／F687比值下降。 湿和的SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳分析表明，Mg2+处理使LHCP寡聚体解聚成单体，类囊体膜凝胶柱上LHCP寡聚体的含量减少，单体的含量增加。基质膜的电泳分析发现，Mg2+处理促时了LHCP从富含PSI的基质区向富含PSII的基粒膜区的迁移。同时还证明，不仅LHCP－II，LHCP－I也能向基粒膜区迁移。 进一步用梯度胶分析基粒膜与基质膜的多肽组成，发现经Mg2+处理的基质膜中相应于LHCP－II的两条多肽，25KD和27KD的量明显减少，尤其是27KD多肽变化更为显著。 此外，我们还研究了介质中pH值（H+浓度）对两个光系统间能量分配与传递的影响，发现H+的作用机理与Mg2+的不同。H+能引起膜垛叠，改变类囊体膜的低温荧光发射光谱，使F741／F687比值降低。而对基粒膜和基质膜的作用却与Mg2+作用相反。温和的SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳分析结果表明，pH的变化不改变类囊体膜上色素蛋白复合体的种类、组成和比例。 据此，我们比较并讨论了金属阳离子与H对光系统间能量分配与传递的影响的不同作用，认为二价金属阳离子除能引起类囊体膜垛叠、改变色素蛋白复合体的空间构象和排列，从而影响激发能在两个光系统间的分配外，还能调节和促进LHCP－II及LHCP－I从富含PSI的基质膜向富含PSII的基粒迁移，使PSII的光捕获截面增加，调节激发能有利于向PSII分配。而介质中的质子（H+）浓度的改变只能引起类囊体膜片层垛叠，可能改变光合膜中色素蛋白复合体的构象和排列，最终影响激发能在光系统间的分配。