中国冬小麦品种对臭氧、二氧化碳和干旱的响应

臭氧属于二次污染物，它是由机动车、工厂等人为源以及天然源排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等一次污染物在大气中经过光化学反应形成的。O3 是光化学烟雾的主要成分，可对植物生长产生抑制。近几十年来，全球O3 污染的格局正在发生着巨大改变。由于北美及西欧等经济发达地区采取了有效控制臭氧形成前体物的措施，其空气中的O3 浓度在减少，而亚洲等经济发展中地区的O3 形成前体物的排放却在急剧攀升，导致大气中O3 浓度显著增加。中国经济的快速发展以及汽车保有量的迅猛增加导致O3 前体物的大量排放，许多经济较发达的地区空气中的O3 浓度超过了75ppb。由于O3 污染将导致农作物产量显著降低，因此，亚洲尤其是中国O3 污染对本地区农业生产的影响引起了国内外科学家的广泛关注。然而，在中国开展的关于O3 对植物生长及生产影响的研究相对较少，但已有的几篇研究报道确实指出目前中国部分地区的O3 浓度可导致冬小麦产量大幅下降，并预测到2020 年由O3 污染将引起小麦产量进一步降低。 植物对臭氧的反应或敏感性取决于诸如叶片导度、叶片结构及生化解毒等很多方面。首先，由于高叶片导度将吸收较多的臭氧量，因此，叶片导度通常被认为是决定抗性最为重要的因子。处于湿润条件下的植物，通常具有较高叶片导度，受到臭氧危害的程度一般也较大。其次，植物抗氧化胁迫能力的大小也决定着其对臭氧的敏感性。同一植株的老叶首先表现出伤害症状，这是由于老叶的抗氧化能力差于新叶，体现在抗坏血酸和谷胱甘肽含量及抗坏血酸氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性低于新叶。另外，叶片对臭氧的敏感程度与其叶片结构关系密切，拥有较大的细胞间隙对抗污染特性至关重要，由于叶片上表面的栅栏组织较海绵组织致密，因此通常较早表现出伤害症状。 影响植物对臭氧反应的环境因子很多，诸如光照、水气压亏、温度等。由于臭氧主要通过气孔进入植物体内，因此目前的研究主要集中在能显著调节气孔导度的环境因子，如土壤水分状况和在未来可能会与大气中臭氧浓度同步增加的CO2 浓度。CO2 浓度升高可降低植物的气孔导度，因此，CO2 浓度升高可减少叶片对O3 的吸收量。同时，大气CO2 浓度升高可提高净同化速率，可导致气孔的部分关闭而减少蒸腾，从而显著提高植株的水分利用效率，最终促进作物生长并提高产量。然而，二者对作物产量的交互影响尚不明确。水分胁迫被认为是影响O3 对植株伤害的一个重要环境因子。与正常供水相比，水分胁迫常常伴随着气孔导度的降低，导致进入到植株体内的O3 量相对较少而减轻植株受到的伤害程度。然而水分供应不足本身将导致小麦生长降低及产量下降。因此，水分亏缺可能会保护植株免受O3 伤害，同时也可能会加剧对植株的胁迫。 高浓度臭氧环境下，植物表现出较低的气孔导度。但研究表明，对臭氧敏感性不同的植物其气孔导度对臭氧的反应程度不同。臭氧对气孔的作用将影响植物生产力，同时也将影响植物对其它环境胁迫如干旱等的反应。短时间臭氧熏蒸小麦导致叶片细胞膜系统受损、光合产物输出受阻;而长期受臭氧污染后，小麦叶片的光合速率、光化学效率、叶绿素含量和蔗糖含量均显著降低，并与臭氧剂量的大小和峰值出现的早晚有关。O3 浓度升高将抑制光合作用，减少气孔导度，加强呼吸作用，改变C 同化物分配，加快叶片的衰老。众多研究表明，O3 导致的光合能力下降主要是由Rubisco 最大羧化效率降低导致;而O3 对光合器官捕获光的能力及光合电子传递速率的影响是光合作用下降的另一个原因。 尽管已有不少关于不同物种间对O3 敏感性的种间差异研究，然而育种方法或育种地点对中国不同冬小麦品种的O3 敏感性的影响尚不清楚。因此，我们假设育种年代、育种方法及地点将交互影响冬小麦品种对O3 的生长及生理响应。为进一步明确基因对冬小麦O3 敏感性的控制，研究了普通六倍体冬小麦的近缘体对O3 敏感性的差异。CO2 浓度升高及干旱胁迫对小麦臭氧敏感性的影响也进行了研究。论文主要从生理生化、生长及产量水平上来阐释O3 浓度升高、CO3加倍、干旱对冬小麦生长及生产影响的机理。 本研究主要是在温室中的上部开口的生长箱（open-top chamber, OTC）中进行。先后开展了四个盆栽实验研究，主要目的是确定中国不同基因型冬小麦种或品种对臭氧的敏感性及其反应机理;确定CO2 浓度升高及干旱在减轻O3 伤害方面的作用及其机理。实验材料为中国不同年代选育出的小麦品种，即1745年至2004 年间选育出的20 个品种和7 个小麦材料。主要评价指标包括相对生长速率、异速生长系数、叶绿素荧光、抗氧化活性、可溶性蛋白质含量、膜酯过氧化、气体交换、光合能力、叶绿素含量、暗呼吸、生物量及籽粒产量。实验研究得到的主要结果如下： 1) O3 升高显著降低整株及地上和地下部分的相对生长速率，显著降低异速生长系数、可变荧光、最大光化学效率、量子产额、光化学淬灭系数以及电子传递速率，但提高了非光化学淬灭系数。冬小麦不同品种对O3 的敏感性随育种年代的增加而增大，并与对照植株相对生长速率呈正相关。尽管近年来环境中的O3 浓度比过去显著增加，但新近育出的品种对臭氧的抗性却没有表现出协同进化效应。通过杂交选育的品种对臭氧的敏感性大于通过引进的和重选的品种。从生长和光合生理上来看，不同小麦品种对臭氧的敏感性与育种地点没有相关性，表明冬小麦品种对臭氧的适应能力与其生长环境下的臭氧浓度无关。因此，对臭氧相对敏感的冬小麦品种主要是由培育中较高相对生长速率或较高光合能力的杂交育种方式决定的，而与选育地点环境中的臭氧浓度无关。 2) 臭氧显著降低叶片中抗坏血酸（AsA）和可溶性蛋白的含量，但提高了过氧化物酶（POD）的活性和膜酯过氧化物（MDA）的含量。臭氧浓度升高抑制饱和光强下的净光合速率（Asat），降低气孔导度（gs）和总叶绿素含量，而显著提高暗呼吸速率（Rd）和胞间CO2 浓度（Ci）。臭氧导致总生物量降低，但地下部生物量受到的影响大于地上部。不同基因型小麦对臭氧的潜在敏感性与实际观察到的抗臭氧能力存在很大差异。冬小麦品种对臭氧的敏感性与臭氧环境下植株气孔导度和暗呼吸速率相关。臭氧导致Ci 浓度升高以及膜酯过氧化，由此得出臭氧导致的净光合速率主要是由于臭氧降低了叶肉细胞活性及细胞膜的完整性。新品种对臭氧相对敏感，主要是由于其具有较高的气孔导度抗氧化能力下降幅度较大以及较低的暗呼吸速率，从而对蛋白和细胞膜完整性造成较高的氧化伤害。 3) 臭氧对冬小麦光合和生长的影响存在着显著的种间差异。原初栽培种表现出最大的抗性，当代品种次之，而野生种对臭氧最为敏感。在普通冬小麦不同基因组供体中，钩刺山羊草（Aegilops tauschii，DD）对臭氧最敏感，其次为栽培一粒小麦（T. monococcum，AA），而圆锥小麦（Triticum turgidum ssp.Durum，AABB）对臭氧的抗性最大。因此，当代冬小麦品种对臭氧的敏感性可能是与其D 染色体供体-钩刺山羊草对臭氧敏感有关，而与其A、B 染色体供体-圆锥小麦的关系相对较小。 4) CO2 浓度升高提高了老品种和新品种的Asat，最大羧化速率（Vcmax），最大电子传递速率（Jmax）、光和CO2 饱和光合速率（Amax）。与之相反，臭氧显著降低了这些生理参数。虽然两品种对CO2 的响应没有显著性差异，但CO2浓度升高均有效保护了臭氧对它们的伤害。这种效应与CO2 浓度升高引起的气孔导度降低无关，而与代谢活性的提高有关。 5) 水分胁迫和臭氧分别都显著降低了 Asat 和gs。干旱显著降低Vcmax 和羧化效率（CE），而对Jmax 和暗呼吸（R）的影响不显著。臭氧显著降低冬小麦不同基因型的Vcmax，Jmax，R 和CE。二者均降低了生物量的积累及最终籽粒产量。与六倍体小麦相比，四倍体小麦对干旱相对敏感，但对臭氧却表现出较高抗性。干旱降低了气孔导度从而显著减少了植株对臭氧的吸收量，但两基因型的反应截然不同。干旱使臭氧对六倍体小麦产量和收获指数的伤害分别减少了约16%和50%，而干旱对该四倍体小麦的保护效应不大。

冬小麦对盐分与臭氧胁迫的生理生态响应机理研究

本研究选用抗盐冬小麦品种—德抗961（DK961）和盐敏感品种—济南17（JN17）为试验材料。一方面，研究了冬小麦对盐分及臭氧胁迫的生理生态响应机制；另一方面，探讨了外源硝酸钾对小麦盐伤害的缓解机理，提出了盐胁迫下小麦优质高产的栽培技术规程。主要结论如下： 1 冬小麦产量与品质对不同浓度盐胁迫的响应 同一小麦品种在不同盐浓度胁迫下产量和品质存在显著差异，不同小麦品种在同一盐分浓度胁迫下产量和品质也有显著差异，说明盐胁迫下小麦产量和品质与小麦品种特性和耐盐性关系密切。在对照栽培条件下，两小麦品种的产量次序为JN17＞DK961；在轻度（0.3%）盐胁迫下，耐盐品种仍获得了较高的产量（仅下降5.8%），而盐敏感品种下降幅度较大（为22.9%），此时的产量次序为DK961＞JN17；DK961在0.5%盐胁迫下，产量较对照处理下降9.7%，而JN17下降了54.3%；在0.7％盐浓度环境中，DK961和JN17产量均出现了大幅降低，但DK961的产量仍显著高于JN17。 盐胁迫下的小麦品质指标表现为：在0.3％和0.5%盐浓度下，随着盐浓度的升高，蛋白质含量升高，淀粉含量下降；当盐浓度达到0.7%时，两者都快速下降。 2 不同耐盐性冬小麦品种对盐胁迫的生理生态响应 2.1品种与盐浓度对小麦生长特性的影响 盐胁迫造成了小麦的后期衰老加快，光合速率降低，生育期缩短。但这种影响会因小麦的耐盐性不同而有很大的差异：DK961在轻、中度盐浓度（0.3％、0.5％）下，生育期与无盐处理时无显著差异，但当盐浓度达到0.7%时，生育期出现了明显的缩短；相反，JN17生育期在各个盐浓度下都出现了显著变化。对盐敏感品种，盐胁迫导致小麦出苗期、拔节期推迟3-5 d，抽穗期和开花期提前6-7 d，成熟期提前10-15 d。盐胁迫对小麦生育期的影响主要是缩短生殖生长期。 2.2品种与盐浓度对小麦生理代谢的影响 不同冬小麦品种对盐胁迫产生的生理反应程度不同，耐盐小麦品种在一定的盐浓度范围内，盐胁迫症状不明显，生理反应比较迟钝，光合速率、气孔导度、光饱和点等基本维持在无盐处理的水平，丙二醛和活性氧清除酶活性增加不显著；盐敏感品种在各种盐浓度胁迫下或耐盐品种在过重的盐分浓度胁迫下，盐胁迫症状极为显著，小麦植株生长矮小，光合速率、气孔导度、光饱和点等大幅下降，丙二醛和活性氧自由基含量大幅上升，严重的情况下，小麦植株不能正常生长，甚至出现“干死”现象。 3 盐胁迫下冬小麦生理生态特征对臭氧浓度升高的响应 3.1 臭氧污染对小麦生理代谢的影响 3.1.1对小麦叶片气体交换的影响 气孔是小麦叶片与外界气体交换的“大门”，是臭氧进入叶片的主要通道，控制着蒸腾、光合、呼吸等重要生理过程。通常，高浓度臭氧环境中，小麦表现出较低的气孔导度。气孔的这种反应是植物限制臭氧进入叶片中的一种避害机制。 臭氧的强氧化性导致高浓度臭氧环境中小麦的光合速率下降。臭氧通过气孔进入叶片后，对植物叶片光合作用的抑制主要是由Rubiso酶含量/活性的降低引起的。研究发现，臭氧低于某一临界值时，产生的氧化伤害可以被植物体的抗氧化系统清除而不会对光合作用产生抑制，而高于该临界值时由Rubsico限制引起的光合速率降低将与臭氧吸收量呈线性关系。高浓度臭氧环境下，植物光合作用降低的生理原因，主要是臭氧导致叶绿素和可溶性蛋白分解，叶片衰老加快、叶绿体结构发生改变、活性氧清除酶活性升高，而与碳素固定有关的酶活性降低、光合产物向外运输受阻而导致的反馈抑制。 3.1.2对小麦生长特性的影响 研究表明，环境中臭氧浓度升高可引起小麦生长特性发生巨大改变。臭氧污染首先加快老叶的衰老，而对新叶的影响很小。然而老叶衰老能够将其中的营养转移到新生长叶片中，有利于维持植株的生长。臭氧环境下，老叶迅速衰老的同时，同一植株中的新生组织具有较高的Rubisco合成速率和总量，同化速率加强。这一现象被认为是植株在臭氧环境下的一种补偿机制。臭氧显著降低植株同化物向根系的分配，而同化物向根系分配的改变将导致根系与整株植物功能关系的改变。在水分亏缺环境下，植物根系的生长受到抑制，导致根系对土壤营养吸收能力的降低，从而间接降低叶片的光合速率。 3.2 盐胁迫引起的生理响应提高了小麦抵御臭氧伤害的能力 试验结果表明，盐胁迫引起的小麦生理响应（如，气孔导度降低、抗氧化酶活性升高等），显著增强了小麦抵抗臭氧伤害的能力。但这种保护作用是相对的，因为盐胁迫本身已对小麦生长产生显著的抑制作用。 3.2.1 气孔导度下降减少了臭氧的进入 研究发现，臭氧是通过气孔进入植物体内的，而盐胁迫引起的小麦气孔导度下降，显著减少了臭氧进入小麦体内的量，大大减轻了臭氧对小麦的伤害。本实验中，无盐栽培条件下，臭氧引起的小麦光合速率降低，达到了显著水平；而盐胁迫下，由臭氧引起的小麦光合速率降低，未达到显著水平。这说明盐胁迫引起的气孔导度降低，起到了减轻臭氧对小麦生长抑制的作用。 3.2.2 渗透调节能力的增强弱化了臭氧的伤害 盐胁迫引起的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等渗透调节物质含量的升高，大大增强了小麦抵御臭氧伤害的能力。如，臭氧往往造成植物蛋白质的分解，降低蛋白质含量；但盐胁迫下，可溶性蛋白含量是上升的，两方面协调，维持了植株蛋白质水平，促进了小麦生长。另一方面，渗透调节物质的积累，有利于小麦同化物的合成、转化和运输，加快了循环的节奏，这也是盐胁迫降低臭氧对小麦伤害的重要原因之一。 3.2.3 抗氧化能力增强降低了臭氧的氧化伤害 盐胁迫引起的小麦酶促保护系统抗氧化酶（SOD、POD等）活性升高，提高了小麦体内活性氧清除能力。臭氧污染可产生大量的活性氧自由基，对小麦产生强氧化伤害，抑制小麦生长。通常情况下，臭氧胁迫也可引起小麦抗氧化酶活性的提高，来适应这种污染环境。本实验表明，在盐和臭氧的交互作用下，小麦抗氧化酶活性的升高呈现了叠加效应，小麦的活性氧清除能力大大加强，减缓了小麦衰老进程，有利于小麦生长。 4 外源硝酸钾对冬小麦盐胁迫伤害的缓解机理及高产栽培技术规程 4.1 不同浓度硝酸钾处理对盐胁迫下小麦幼苗生理代谢的影响 植株体内K+/Na+比值是衡量小麦抗盐性的一项重要指标。盐胁迫下，小麦体内Na+含量快速上升，而K+含量相对下降，K+/Na+比值快速降低，打破了植株体内离子平衡，对小麦造成Na+“单盐毒害”，严重抑制小麦生长。可溶性糖、脯氨酸等低分子量渗透调节物质含量升高；膜质过氧化程度加重，电解质外渗量及丙二醛含量升高；活性氧自由基增多，抗氧化酶活性升高。 外源KNO3显著提高了小麦植株组织内K+/Na+比值，盐胁迫症状减轻，可溶性糖、脯氨酸等低分子量渗透调节物质含量比单独NaCl胁迫时降低；膜质过氧化程度减轻，电解质外渗量及丙二醛含量降低；活性氧自由基减少，抗氧化酶活性恢复到接近正常水平。但过量施用硝酸钾同样不利于小麦的生长。实验结果表明，小麦生长环境中最佳的K+/Na+ = 16:100。 4.2 抽穗期叶面喷施硝酸钾对盐胁迫下小麦花后生长及籽粒产量的影响 根据小麦生长环境中最佳的钾/钠 = 16:100的实验结果，设计了对100 mM NaCl生长环境中小麦抽穗期叶面喷施10 mM KNO3溶液试验（Hoagland 营养液中已含6 mM KNO3），得出外源硝酸钾有利于盐胁迫下小麦生长的恢复及籽粒产量的提高，DK961和JN17的穗粒数分别比单纯盐胁迫时提高了1.9%和7.1%；千粒重分别提高了2.3%和2.8 %；产量分别提高了4.5%和12.3%；叶面喷施钾肥后，盐胁迫对耐盐小麦产量指标影响变小，小麦各项指标恢复到接近于对照水平。盐敏感小麦品种受到盐胁迫的伤害较重，产量下降幅度较大，施钾肥后小麦盐胁迫症状虽有改善，但仍与对照相差较远。所以，盐胁迫下小麦高产优质栽培中，耐盐品种的选用是首要的。 4.3外源硝酸钾对盐胁迫下花后小麦旗叶气体交换的影响 盐胁迫下小麦叶面喷施钾肥，旗叶光合速率在灌浆期比不施钾处理显著升高，且维持高光合速率时间延长，小麦后期衰老速率减缓。由于施钾处理使旗叶光合速率提高，功能期延长，使籽粒可溶性总糖含量和蔗糖含量高于不施钾的处理，促进了淀粉合成底物的供应，由此促进了淀粉的合成。盐胁迫下小麦抽穗期施钾，可促进小麦旗叶、籽粒的碳、氮代谢，淀粉合成速率加快。同时游离氨基酸含量增加，籽粒中蛋白质合成底物的供应增加，蛋白质产量提高。适宜的钾肥处理能够显著促进小麦植株碳、氮代谢过程，加速碳水化合物和蛋白质的合成，使籽粒蛋白质、淀粉产量提高。 4.4外源硝酸钾对盐胁迫下小麦花后旗叶抗衰老酶活性的影响 盐胁迫可使小麦代谢过程中产生的活性氧自由基增多，刺激酶促防御系统的保护酶（如，SOD、POD、CAT等）活性提高，但当盐浓度超过其上限时，酶活性达到一定的极限，活性氧自由基不能及时的清除，代谢发生紊乱，植株加速衰老或不能正常生长，出现“早死”现象。外源硝酸钾可有效缓解这一抑制作用，提高小麦在盐胁迫下的代谢能力，减少活性氧自由基的产生，减轻活性氧清除系统的压力，能较长时间维持叶片细胞结构的完整性，提高小麦抵抗盐胁迫的能力。 4.5 盐胁迫下小麦优质高产栽培技术规程 研究结果表明：选用高产优质抗盐小麦新品种，并合理配合施用钾肥是获得小麦优质高产的一项有效措施： 1） 选用高产优质抗盐小麦新品种 在品种选用上，首先要考虑苗期耐盐力好、个体分蘖强、成穗率高三大因素，在此基础上选择多穗、粒大、粒多的性状。 2）配合施用钾肥 钾肥基施和抽穗期叶面喷施皆对盐胁迫下小麦生长有促进作用。钾肥的施用量应根据土壤盐浓度而定，小麦生长环境中最佳的K+/Na+比值为16:100。

玉米 rbcL 基因与兰藻 rbcS 基因定向融合及它们在宿主大肠杆菌中的表达

二磷酸核酮糖羧化酶/氧化酶(简称Rubisco, EC, 4.1.1.39)是绿色植物光合作用中参与固定CO2的关键酶。在高等植物，该酶是由8个分子量为55KD的大亚基(LSU)和8个分子量为14KD的小亚基(SSU)构成的16聚体。每个大亚基有四个活性中心，具有双向催化功能，其编码基因位于叶绿体基因组大单拷贝区;小亚基功能还不清楚，它由核基因组编码且有几个拷贝;未成熟小亚基N端有一段transit peptide，靠它的定向跨越叶绿体膜。迄今为止，取自几种植物材料的这二种亚基的氨基酸顺序和编码基因的核苷酸顺序分析业已完成。为该酶的遗传操作奠定了必要的基础。 由于Rubisco与人类利用太阳能和提高作物产量直接相关，所以成为通过生物技术进行改造的重大项目。 巢状假囊细菌(Anacyslis nidulans) R2是一种不含限制性内切酶的单细胞原核生物，能营光合作用，其Rubisco大亚基的氨基酸顺序与玉米的LSU同源性高达80%，但是第四个活性部位(Leu 456位)与玉米不同(Sys, 459位)，由此导致其对CO2的亲合力降低。另一方面，其rbcL与rbcS仅相隔93个bp，且同属一个操纵子。这意味着有可能用同源DNA片段等位交换的办法来改造其rbcL基因。 根据现有的资料，设计出玉米rbcL与兰藻rbcS定向重组于pUC119的兰图：先从pANP1155中切出0.7kb含蓝藻rbcS的PstI-HindIII片段，克隆进pUC119的lacZ启动子下游得pTAS28，采用Reverse primer作引物进行核苷酸顺序分析，确认蓝藻rbcS基因座落在pTAS28正链上。随后从pZmc460中切出包含玉米rbcL基因1.7kb的BglII-HincII片段，将它插入pTAS28的HincⅡ-BamHⅠ双酶切位点，得到pTMN3;为了比较，在另一个质粒pTMN7于1.7kb片段之前加进0.1kb的PstI-HaeIII蓝藻DNA。根据玉米rbcL基因核苷酸顺序（1218-1251）合成一个Oligonucleotide probe，对这三个质粒的总RNA抽提物进行Northern Blot，得到明显的杂交斑点;接着用菌体总蛋白冻干品进行了Western分析，并以新鲜的玉米和烟草叶片为对照，得到阳性结果。显然这二种基因重组之后仍能在宿主E. coli中正常表达。 真正的挑战应是下一步用上述二种质粒转化兰藻A. nidulans R2，考查其能否整合进基因组并表现出较低的氧化酶活性。

水稻对大气二氧化碳浓度及温度升高的光合适应的研究

基于长期观测资料，众多大气环流模型预测在二十一世纪末大气中二氧化碳浓度将达到700μmolmol'I，地球表面年平均温度也将升高1.5-4.OoC。水稻是亚洲的主要粮食作物，为世界近三分之一的人口提供食物能源。这项工作的目的，是利用人工模拟环境，预测在未来全球气候变化，二氧化碳及温度升高的条件下，水稻的光合生理反应及随之而来的对其产量的影响。本研究是美国环境署( EPA)与国际水稻研究所(IRRI)合作研究项目“Effects of UV-B and Global Climate Change on Rice”的一部分． 在这项研究中，采用了特殊设计并直接建立在水稻田间的开顶式气室（open-top chambers）。在此之前还没有这样大规模的在水稻主产区的此类模拟研究，水稻在气室中渡过了从萌发到收获的整个生长过程。模拟环境条件有三个浓度的二氧化碳（包括现有大气浓度，在此基础上升高200及300 μmolmol-l）和两个温度（即：现有大气温度及升高4度）共六个处理。供试水稻品种四个：IR72，IR65598-112-2，IR65600-42-5-2-BSI-313和N22。在实验中我们发现，水稻品种（如：1R72）单叶光合速率（以二氧化碳气体交换速率计）受二氧化碳浓度促进，在水稻营养生长期，二氧化碳及温度对其光合有协同促进作用．然而，随着花期的到来，在高温条件下，叶片光合能力（photosynthetic capacity）下降，出现光合适应现象（Photosynthetic acclirnation）.水稻群体光合作用同样受到二氧化碳浓度促进，但在后期(Grain fill stage)这种促进作用消失;在高浓度二氧化碳下生长的大多数水稻品种的叶片中有较多的碳水化和物（可溶性糖和淀粉）积累．耐高温品种N22叶片中淀粉积累较少：叶片中氮素含量降低，同时发现Rubisco总活性相应降低，这与NCi曲线所示光合效率降低相吻合;通过叶片叶绿素荧光动力学测定，没有发现光系统光能转化效率的变化;水稻籽粒产量随二氧化碳浓度升高而增加，但温度升高使产量降低12.8-36.8%;不同品种对二氧化碳浓度的反应没有显著差别;在高温条件下，耐高温品生长在高二氧化碳浓度下表现良好。 本文系统地研究了水稻光合作用在二氧化碳及温度条件影响下，对二氧化碳浓度及光强变化的反应曲线，初次对水稻单叶与群体光合对二氧化碳浓度变化的反应做了实验性对比;讨论了温度升高对水稻在高浓度二氧化碳下发生光合适应的影响，对光合适应现象的可能机制做了探讨，并提出对未来大气二氧化碳浓度及温度升高条件下水稻适应品种筛选的可能方向。

谷子和甘蔗C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的克隆及其转基因水稻光合效率的提高

水稻是我国重要的粮食作物之一，它是一种典型的C3植物。与其它C3作物不一样的是，水稻的生长需要相对较高的温度和充足的阳光照射。然而高温和高光强的生长环境更加适合于C4植物的生长，更加有利于发挥C4植物高光合效率的特点。因此本论文希望将C4植物中固定CO2的酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因导入水稻，获得一种更加适合高温和高光强生活环境的“C4型”水稻，这对于提高水稻的产量，满足人口增长对粮食需求具有重大意义。 本论文从C4植物谷子和甘蔗中克隆了其C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶cDNA基因，获得了具有自主知识产权的基因克隆，并将它们导入粳稻品种中花8号，进而对转基因材料的光合生理特性进行了研究。结果如下： 首次从谷子中得到了ppc基因两个cDNA克隆，分别命名为Mppc1和Mppc2。前者是一个C3型的ppc基因，它可能属于在根中特异表达的C3-2型ppc基因;后者是在绿色叶片中大量表达的C4型ppc基因。它们所编码的蛋白的氨基酸残基数分别为961和964，序列同源性为82.5%。C4型PEPC多出的3个氨基酸位于N末端。利用RACE的方法我们得到了谷子C4型ppc基因完整的cDNA序列，包括63bp的5'非编码区，2895bp的编码区和256bp的3'非编码区。 首次获得了甘蔗C4型ppc基因完整的cDNA序列的克隆，命名为Sppc。它包括95bp的5'非编码区、2886bp的编码区，和224bp的3'非编码区。 利用所克隆的基因，分别连上强组成型启动子Ubiquitin启动子和强光调控启动子Rubisco小亚基启动子后，再插入两个标记基因不同的表达载体pCB和pPCB的多克隆位点中，构建了八个含有外源ppc基因的植物表达载体pCB-Pubi-Mppc、pCB-Pubi-Sppc、pCB-PrbcS-Mppc、pCB-PrbcS-Sppc、pPCB-Pubi-Mppc、pPCB-Pubi-Sppc、pPCB-PrbcS-Mppc和pPCB-PrbcS-Sppc。再加上含有玉米完整的C4型ppc 核基因的载体pCB-ZMppc，共有9个载体。利用农杆菌介导法进行了水稻的转化，各个载体都获得了大量的转基因植株。对标记基因潮霉素磷酸转移酶基因hpt和磷酸甘露糖异构酶基因pmi以及导入的目的ppc基因的PCR扩增检测，结果显示绝大多数转基因植株都能扩增出目的片段，而未转化的植株则没有扩增产物。对部分转基因水稻的Southern和Western杂交以及RT-PCR分析都表明，无论从DNA水平、mRNA水平，还是从蛋白质水平上都证明外源ppc基因都成功地导入了水稻，并获得了正确的表达。 对各载体转基因植株PEPC活性大规模的测定表明，转入玉米完整C4型PEPC核基因（有内含子）的水稻表现出极大的表达效率，大多数转基因材料的PEPC活性为对照的10-20倍，其活性最高可达到对照的44倍。转入谷子和甘蔗PEPC基因cDNA的水稻，表达的效率很低，多数材料活性增加仅为对照的2-5倍，但也有极少数材料活性增加了10倍以上。用Rubisco小亚基启动子控制的ppc基因在水稻的表达活性要略高于Ubiquitin启动子控制的ppc基因。以上结果说明ppc基因的内含子在其转录或mRNA的稳定上起着重要作用。 对部分转基因材料气体交换特征的研究发现，随着转基因水稻PEPC活性的增加，净光合速率也有逐渐增加的趋势。其中PEPC活性最大的ZM24株系的三个单株净光合速率比对照增加了39.8%、13.7%和28.6%，而它们的PEPC活性比对照分别增加了21.2、21.9和23.6倍。 转PEPC水稻的净光合速率与气孔导度具有显著的相关性。这说明表达的外源ppc 基因产物PEPC参与了转基因水稻的气孔运动，使气孔开放程度增加。更有意义的是过表达PEPC的水稻具有更高的水分利用效率，这就增加了其耐旱能力。在光抑制条件下转基因水稻也具有更高的光合能力。这些特征表明转ppc基因的水稻比对照更加适合于水稻高温高光强和干旱的原生环境。

甜菜碱提高植物光合作用对逆境抗性机理的研究

从菠菜中克隆甜菜碱醛脱氢酶( betaine aldehyde dehydrogenase，BADH)基因并转化烟草， 研究转基因烟草光合作用对高温和盐胁迫等环境胁迫的抗性机理，利用外源甜菜碱研究在正常条件下对植物光合作用的影响以及在盐胁迫下外源甜菜碱对玉米幼曲光合作刚的保护机理。主要结果如下： 转BADH基因烟草中能合成甘氨酸甜菜碱，合成的甜菜碱主要积累于叶绿体中。转BADH 基因烟草提高了对高温胁迫的抗性，在中度高温胁迫下，转基冈烟草生长利光合作用对高温 的抗性增强。中度高温胁迫下，转基冈烟草光合作用的维持是由于甜菜碱对Rubisco活化酶的保护作用。在中度高温胁迫下甜菜碱通过维持Rubisco活化酶的活化态以及阻止Rubisco 活化酶山可溶性问质向类囊体的聚集，从而维持了Rubisco活化酶的活性，进而维持了C02 的同化。在严重高温胁迫下，烟草光系统II受到影响，转BADH基冈烟草通过提高体内抗氧化酶系统的功能，减轻了高温胁迫对光合机构造成的活性氧伤害，高温胁迫下转基因烟草体内抗氧化酶如SOD、APX、GR等酶活性明显高于野生型。在高温胁迫下，证明了甜菜碱对光系统II的保护作用主要在氧化侧，严重高温胁迫下，转基因烟草维持较高的PSII活性。 转BADH基因烟草提高了对盐胁迫的抗性，盐胁迫下转基因烟草光合作用的维持与盐胁迫下转基因烟草较高的气孔导度和抗氧化酶活性的提高有关。 外源甜菜碱在正常的非胁迫条件下对植物的生长有促进作用，而这一作用与光合速率的提高有关。通过对气孔导度、光合碳同化关键酶以及叶绿素荧光分析证明，甜菜碱对光合作用的促进与气孔导度的提高有关，同时甜菜碱提高了光系统ll的实际光化学效率。 外源甜菜碱提高了盐胁迫条件下植物的抗性，抗盐性的提高与盐胁迫下甜菜碱对气孔导度的提高以及维持较高的光系统II光化学活性有关。

桃和苹果库源关系中源叶光合作用，光抑制及其光保护机制的研究

以‘早久保’（Prunus persica (L.) Batch.）为试材，在果实最后迅速生长期，通过去果处理降低库力，同时设留果对照，并通过环剥和保留相同数量叶片严格控制库源关系，进行了源叶净光合速率（Pn）、叶绿素荧光、叶黄素循环、抗氧化酶及抗氧化同化物日变化的研究。结果表明，和留果对照相比，去果处理显著降低了源叶Pn、气孔导度（gs）和蒸腾速率（E），但显著增加了胞间二氧化碳浓度（Ci）、叶面饱和蒸汽压亏缺（VPDl）和叶片温度（Tl）。光系统II光化学效率（ΦPSII）以及羧化速率（CE）与Pn平行降低。中午去果降低Pn主要归因于非气孔限制。在低库需条件下，开放的PSII反应中心捕获能量的降低以及关闭的PSII反应中心的增加导致了ΦPSII的降低。去果处理叶片中依赖于叶黄素循环的热耗散以及抗氧化系统的上调保护叶片免受光氧化破坏。和留果对照相比，去果处理的叶片有更大的叶黄素循环库，更高的脱环氧化状态以及更高的抗氧化酶活性，包括超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）和脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）的活性以及更高的还原型抗坏血酸（AsA）和还原型谷胱甘肽（GSH）的含量。但与此同时，去果显著增加了过氧化氢（H2O2）以及丙二醛（MDA）的含量，这意味着在去果处理的叶片中可能会发生光氧化破坏。 以一年生‘皇家嘎拉’苹果（Malus domestica Borkh.）组培苗为试材，通过环剥降低库力，进行了源叶Pn、叶绿素荧光、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶（Rubisco）以及光系统II（PSII）复合体关键蛋白PsbA和PsbO含量日变化的研究。和对照相比，环剥显著降低了源叶Pn、gs和E，但是却显著增加了Ci、Tl和淀粉的含量。在低库需下，开放的PSII反应中心捕获能量的降低以及关闭的PSII反应中心的增加导致了ΦPSII的降低。另一方面，环剥降低了光合作用关键酶Rubisco以及PSII复合体PsbA和放氧复合体PsbO的含量。以上结果表明，环剥降低Pn主要归因于非气孔限制。

绿藻CO_2浓缩机制的研究进展

单细胞绿藻是淡水水体中浮游植物的重要组成部分 ,也是淡水生态系统中主要的初级生产者 ,其在适应外界环境CO2 浓度变化的过程中 ,细胞内形成了一种主动转移无机碳的机制———CO2 浓缩机制(CO2 concentratingmechanism ,CCM ) .该机制能使细胞在核酮糖 2 磷酸羧化氧化酶 (rubisco)固碳位点提高CO2 浓度 ,以增加光合作用和减少光呼吸 .本文综述了这种机制中的无机碳转移模型和不同环境因子 (光、温度、CO2 浓度和营养水平 )对它的调控作用 ,以期促进深入开展浮游植

豌豆核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶亚基结合蛋白的纯化及特性

用~(35)S-Met在照光下与豌豆完整叶绿体保温,显示新合成的标记的RubisCO大亚基与结合蛋白形成一复合物,经ATP处理后解离为结合蛋白亚基,同时释放出的标记的RubisCO大亚基参与了RubisCO的装配。豌豆叶片提取液经热处理,硫酸铵分部,DEAE-Sepharose fast flow和Sephacryl S-300柱层析在ND-PAGE,SDS-PAGE上显示为一条带,估计纯度达90％以上,得率比以前报道的高12倍。纯化的结合蛋白表面巯基数经测定为12±1个,总巯基数为36±1个。远紫外CD

长白山阔叶红松林冠层光合生产力的模拟研究

森林作为陆地生态系统的主体，在碳的生物地球化学循环中起着关键的作用，因此对森林生态系统生产力的研究具有重要意义。本文以长白山阔叶红松林为研究对象，在2005年7月~9月对其主要优势种红松、紫椴、蒙古栎、水曲柳的生理生态学参数进行了测定，并利用单叶尺度的光合作用-气孔导度-能量平衡耦合模型，以及冠层尺度的多层模型，对单叶尺度以及冠层尺度的光合作用进行了模拟，主要的结论有： （1）长白山阔叶红松林主要优势树种红松、紫椴、蒙古栎、水曲柳的生理生态学参数：光合有效辐射吸收率a、初始量子效率α、光饱和时的最大净光合作用速率Pmax、最大的Rubisco催化反应速率Vcmax、CO2饱和时的最大净光合作用速率Jmax有着明显且不同的季节变化。7、8月水曲柳的α值最大，分别为0.077、0.064，9月紫椴的最大，为0.051。红松的Vcmax值在7、9月为四个树种中最大的，分别为：49.085、43.072μmol•m-2•s-1，8月为水曲柳最大，为66.041μmol•m-2•s-1。 （2）对优势树种单叶尺度的净光合作用速率An和气孔对CO2的导度gsc进行模拟发现：紫椴、蒙古栎、水曲柳的An、gsc的值在7~9月要大于红松，进入植物生长末期的9月则随着生理活性的下降而迅速下降，而红松则表现较为平稳且略有上升。7月蒙古栎的An、gsc的最大值最大分别为15.055μmol•m-2•s-1、0.400 mol•m-2•s-1；8月水曲柳的最大分别为22.944μmol•m-2•s-1、0.567 mol•m-2•s-1；9月紫椴的最大分别为12.045μmol•m-2•s-1、0.249 mol•m-2•s-1。 （3）通过模拟得到：长白山阔叶红松林冠层2005年8月的净光合作用速率An有着明显的日变化特征， 8月林冠的净光合作用速率最大值可以达到44.880μmol•m-2•s-1，该月白天净光合作用速率的总量可以达到23.580 mol•m-2。通过与观测值比较发现模拟结果能够较好地反映冠层光合作用的特征。

长白山阔叶红松林与大气间CO2及H2O交换的过程与模拟

在全球变化背景下，森林生态系统CO2和H2O交换过程已经成为国际研究的前沿问题。本研究以长白山阔叶红松林为研究对象，利用基于生理生态学过程的多层模型，考虑了混交林中不同树种的生物量、冠层高度和厚度，对冠层及生态系统尺度的碳水通量进行了详细模拟及分析，同时用涡动相关实测数据对模拟结果进行检验，并模拟和预测了阔叶红松林生态系统碳水收支对气候变化的响应，以期为我国研究区域甚至更大尺度碳水平衡的时间和空间格局特征提供模型储备。本文的主要结论如下： 1）长白山阔叶红松林主要优势树种红松、紫椴、水曲柳、色木槭和蒙古栎的生理生态学参数（初始量子效率α、光饱和时的最大净光合作用速率Pmax、最大Rubisco催化反应速率Vcmax、CO2饱和时的最大净光合作用速率Jmax）有着明显且不同的季节变化。6、8月的α值较大，Pmax、Vcmax和Jmax的最大值也出现在6—8月，而5、9月的各项参数值均较小。 2）对阔叶红松林冠层结构的观测，发现各树种在冠层中所处位置有明显差异。假设各树种水平分布均匀，以各树种的冠高、冠厚和叶片生物量为依据，将冠层垂直分为20层，模拟出各层各树种的CO2和H2O通量。这与传统的假设各树种垂直均匀分布相比，更加符合阔叶红松林的实际群落结构。 3）长白山阔叶红松林的能量平衡比EBR为0.800，居于国际同类观测的中上水平，涡相关观测数据较为可靠。CO2和H2O通量有明显日变化，夜间值较小且变化平缓，白天值呈单峰形的日变化。对2003—2007年生长季的模拟结果分析表明，CO2和H2O通量模拟值与涡相关实测值的回归线斜率分别为0.935和0.875，截距为-0.0136 mg•m-2•s-1和13.7 W•m-2，相关系数为0.655和0.622（n=30107）；CO2通量模拟和实测的平均值分别为-0.138和-0.134 mg•m-2•s-1，模型高估了2.99%；H2O通量模拟和实测的平均值分别为88.5和85.4 W•m-2，模型高估了3.63%，模拟效果较好。从季节变化来看，生长季初、末期（5月和9月）CO2和H2O通量较小，生长旺盛期（6—8月）通量值较高。CO2和H2O通量受环境因子的综合影响，其中，辐射和气温是主要限制因子。 4）对模型的主要参数和环境因子的敏感性分析表明，CO2通量对a1 (气孔导度的参数)、Vcmax、Ca (大气CO2浓度)变化的响应较强，而H2O通量对a1、LAI (叶面积指数)、Ta (气温)变化的响应较强。CO2通量对Ca的变化最为敏感，而H2O通量对其它环境因子的响应程度均高于CO2通量。与将冠层分为20层的方法相比，5层方法（Gaussion五点积分法）得到的碳吸收量和蒸发散量分别低估了25.3%和11.1%。这两种分层方法产生的差异，主要来自于不同层的辐射吸收和权重分配。

CO2浓度升高对红桦幼苗生理与生长的影响

大气CO2浓度的增加已经成为不可争议的事实。预计本世纪末大气CO2浓度将增加到约700µmol mol-1。森林年光合产量约占陆地生态系统年光合产量的70%。森林树木是一个巨大的生物碳库，约占全球陆地生物碳库的85%。森林树木对CO2的固定潜力是缓解由大气CO2浓度升高引起的未来全球气候变化问题的决定性因子之一。红桦（Betula albosinensis Burk.）是川西亚高山采伐迹地自然或人工恢复的重要树种。本研究以1a红桦幼苗为模式植物，采用人工模拟的方法，研究CO2浓度升高对不同种内竞争强度（种群水平）下红桦幼苗的生理特征、生长、干物质积累及其分配的影响，探讨在种内竞争生长条件下红桦幼苗的“光合适应机理”与生长特征，为西南亚高山森林生产力对未来全球变化的预测提供重要参考。 本研究的主要结果如下： 1）在种内竞争生长条件下红桦幼苗经过CO2浓度升高熏蒸4个月后，叶片出现“光合适应”现象。与对照相比，低种植密度（28株m-2）和高种植密度（84株m-2）条件下的红桦幼苗净光合速率（A）、气孔导度（gs）、蒸腾速率（E）、表观量子产量（AQY）和羧化速率（CE）显著降低，而水分利用效率（WUE）则显著提高。CO2浓度升高处理的红桦幼苗叶片Rubisco活性、单位叶面积N浓度、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素浓度都显著降低。但CO2浓度对红桦幼苗的叶绿素a与叶绿素b的比值没有显著影响。CO2浓度升高显著增加红桦幼苗单位叶面积的非结构性碳水化合物（TNC）浓度，结果是红桦幼苗的比叶面积（SLA，cm2 g-1）显著降低。 2）与对照相比，CO2浓度升高处理的红桦幼苗高、基径、单叶面积和侧枝的相对生长速率（R GR）显著提高，尤其在试验处理的早期。CO2浓度升高既增加单株红桦幼苗总叶片数量又增加单叶面积，结果是单株红桦幼苗的总叶面积比对照显著增加。 3）CO2浓度升高处理显著增加红桦幼苗干物质积累（尤其是细根生物量），改变了红桦幼苗生物量的分配格局。与对照相比，CO2浓度升高处理的红桦幼苗叶重比（LWR）、叶面积比（LAR）、叶根重比（Wl/Wr）和源汇重比（leaf weight to non-leaf weight ratio, Wsource/Wsink）显著下降（高种植密度的LWR除外），而根冠比（R/S）则显著增加。在两种种植密度条件下，CO2浓度升高显著增加红桦幼苗根生物量的分配比率，显著降低叶片的生物量分配比率，对主茎、侧枝以及地上生物量的分配比率不变或约有下降。 总之，长期生长在CO2浓度升高条件下的红桦幼苗光合能力下降，并伴随Rubisco活性、叶N浓度、光合色素浓度的显著降低以及TNC浓度的显著增加。支持树木光合速率下降与Rubisco活性、叶N浓度下降以及TNC浓度增加紧密相关的假设。CO2浓度升高处理红桦幼苗的早期相对生长速率大大高于对照，而后期迅速下降，说明红桦幼苗生物量的显著增加主要归功于CO2浓度升高的早期促进作用和叶面积的显著增加。CO2浓度升高显著增加红桦幼苗根系生物量和根冠比，表明红桦幼苗“额外”固定的C向根系转移。 The steady increae of atmospheric CO2 concentration（[CO2]）has been inevitable fact. Models predict that the atmospheric [CO2] will increase to about 700µmol mol-1 at the end of the twenty-first century. As trees constitute a majoor carbon reservoir–85% of total plant carbon is found in forest, and their ability to sequester carbon is a key determinant of future global change problems caused by increases in atmospheric CO2. In addition to the role of forests in the global carbon cycle, inceased growth could be of economic benefit, for example, offsetting deleterious effects of climatic changes. Betula albosinensis (Burk.) usually emerges as the pioneer species in initial stage and as constructive species in later stages of forest community succession of mountain forest area, and also is one of important tree species for afforestation in logged area, in southwesten China. In this experinment, Betula albosinensis seedling (one-year-old) was used as the model plant. B. albosinensis seedlings were grown under two all-day [CO2], ambient (about 350 µmol·mol-1) and elevated [CO2] (about 700 µmol·mol-1), and two planting densities of 28 plants per m2 and 84 plants per m2. The objectives were to characterize birch mature leaf photosynthesis, growth, mass accumulation and allocation responses to long-tern elevated growth [CO2] under the influences of neighbouring plants, and to assess whether elevated [CO2] regulated birch mature leaf photosynthetic capacity, in terms of leaf nitrogen concentration (leaf [N]), activity of ribulose bisphosphate carboxygenase (Rubisco), Rubisco photosynthetic efficiency, and total nonstructural carbohydrates (TNC) concentration, and also to provide a strong reference to predict the productivity of subalpine forests under the future global changes. The results are as follows: 1) B.albosinensis seedlings exposed to elevated [CO2] for 120 days, photosynthetic acclimation phenomena occurred. At two planting densities, leaves of birch seedlings grown under elevated [CO2] had lower net photosynthetic rate (A), stomatal conductance (gs), transpiration (E), apparent quantum yield (AQY) and carboxylated efficiency (CE) and higher water use efficiency (WUE), compared to those of B.albosinensis seedlings grown under ambient [CO2]. Based on the leaf area, leaf [N], Rubisco activity and photosynthetic pigments concentrations of B. albosinensis seedlings grown under elevated [CO2] were significantly lower than those grown under ambient [CO2]. The ratio of chlorophyll a to chlorophyll b concentration was not affected by elevated [CO2]. Under elevated [CO2], the TNC concentration per unit leaf area significantly increased, resulting in significant decrease in specific leaf area. Thus leaf photosynthetic capacity of B. albosinensis seedlings would perform worse under rising atmospheric [CO2] and the influences of neighbouring plants. 2) Under elevated [CO2], the relative growth rate (RGR) of B. albosinensis seedlings height, basal diameter, a leaf area and branch length significantly increased, especially at the initial stage of exposure to elevated [CO2], and a leaf area and leaf numbers per B. albosinensis seedling also significantly increased. Thus the total leaf area per B. albosinensis seedling was significantly increased under elevated [CO2]. 3) As the increase of RGR and total leaf area, biomass of B. albosinensis seedling grown elevated [CO2] was higher, compared to that of B.albosinensis seedlings grown at ambient [CO2]. Elevated [CO2] changed the biomass allocation pattern of B. albosinensis seedling. At two planting densities, B. albosinensis seedlings grown elevated [CO2] had lower leaf weight to total weight ratio (LWR), leaf area to total weight ratio (LAR) and leaf weight to non-leaf weight ratio (Wsource/Wsink), but higher root weight to shoot weight ratio (R/S), compared to those of B.albosinensis seedlings grown at ambient [CO2]. Under elevated [CO2], roots biomass to total biomass ratio was signigicantly increased, leaves biomass to total biomass ratio was significantly decreased. The main stem and branch biomass to total biomass ratio were not affected by elevated [CO2]. In conclusion, our results supported the hypothesis that the decline in photosynthetic capacity of C3 plants will appear after long-term exposure to elevated [CO2], accompanying with the significant decrease in Rubisco activity, leaf N concentration, photosynthetic pigments concentration, and significant increase in total non-structural carbohydrates concentration. Our results also have shown that the increase of biomass of B. albosinensis seedlings should be attributed to initial stimulation on RGR and total leaf area resulted from elevated [CO2]. Under elevated [CO2], the extra carbon sequestered by B.albosinensis seedlings transferred into under-ground part because of increase in root biomass and R/S.

中国沙棘(Hippophae rhamnoides subsp. sinensis)不同种群对干旱胁迫的响应差异与干旱诱导蛋白的分析

沙棘广泛分布于亚欧大陆的温带地区和亚洲亚热带的高海拔地区。沙棘能适应多种生态环境，能耐受多种逆境(如干旱、低温、高温和盐害等)。在中国，沙棘常常被用作植被恢复中的先锋树种而大量栽培。本文以中国沙棘为试验材料，探索沙棘适应干旱机制，以及沙棘对干旱胁迫的适应机制是否存在种群间的差异，同时试图通过分析干旱胁迫下沙棘叶片蛋白质表达变化探索沙棘适应干旱胁迫的分子机理。 对三个分别来自低海拔湿润地区、低海拔干旱地区和高海拔湿润地区的中国沙棘种群进行干旱胁迫处理。干旱胁迫能提高根冠比，比叶面积，降低平均叶面积和总生物量，提高沙棘的抗氧化性酶活性、脯氨酸含量、脱落酸(ABA)含量、降低光合作用，提高长期用水效率。实验中的这两个低海拔种群比高海拔种群抵抗干旱的能力更强,不同的种群采用了不同的策略来耐受干旱胁迫和过氧化胁迫。 在2004 年度的实验中，干旱胁迫处理下，高海拔湿润种群(道孚种群)严重失水，生长也受到更大的抑制，非气孔因素在抑制光合作用方面占支配地位，抗坏血酸含量下降，ABA和脯氨酸含量增加幅度比九寨沟种群的要高，这可能是因为道孚种群严重失水而引起的；而低海拔湿润种群(九寨沟种群)的体内水分状况几乎不受干旱的影响，生长情况也较道孚种群要好。 在2005 年度的试验中，和高海拔湿润地区种群(道孚)相比较，低海拔干旱地区种群(定西)在叶片相对水含量、根冠比、抗氧化酶活性(过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶)、保护性物质(脯氨酸，脱落酸)含量等方面都要高，光能热耗散能力也更强，而且气体交换参数(气孔扩散阻力和胞间CO2浓度等)对干旱也更不敏感。 分析了干旱胁迫下沙棘叶片蛋白质表达的变化。共发现319 个蛋白质，有4 个蛋白在干旱胁迫下消失(Putative ABCtransporter ATP-binding protein 、Hypothetical proteinXP-515578，热激蛋白Hslu219 和一个没得到鉴定的蛋白)，4 个只在干旱胁迫下出现(没命名的蛋白质产物，对甲基苯-丙酮酸双加氧酶，NTrX 和一个没得到鉴定的蛋白)，46 个蛋白质的表达丰度变化显著，包括32 个干旱负调蛋白，14 个干旱正调蛋白(3 个Rubisco 的大亚基、J-type–co-chaperone Hsc20、putative protein DSM3645-2335、putative acyl-COA 脱氢酶、nesprin-2 和两个没有得到鉴定的蛋白质)。这些蛋白质参与了氮代谢调控、抗氧化行物质的合成、脂肪酸β－氧化、核骨架构造、[Fe-S]基团组装、物质跨膜运输、细胞分裂或作为分子伴侣和蛋白质酶起作用。putative ABC transporter ATP-binging protein、NtrX、nesprin-2 和Hslu 是本试验新发现的高等植物蛋白，我们主要从它们的保守结构域或在其他生物中的同源物来猜测它们的功能。实验结果为我们研究植物抗干旱机制提供了新线索和新视野。 Seabuckthorn (Hippophae rhamnoides L.) is widly distributed throughtout the temperatureresiogn of Europe and Asia and sub-tropical plateau zone of Asia. H. rhamnoides can adapatseveral different environments, and can tolerant several envioronmental stresses (e.g, lowtemperature, high temperature, drought and salty). It has been widely used in forest restoration asthe pioneer species in China. In present study, we applied H.rhamnoides subsp. Sinensis asexperimental materials to study its drought-tolerant mechanism, and expected to findpopulational difference in drought-tolerant mechanism that may exist among populations, and tryto get some insight in drought-tolerant mechanism of it at morecular level through analyzing thechange of leaf protein expression. Three populations from high altitude wet zone, low altitude wet zone and low altitude arid znoe,respectively, were applied in our experiment, and were subjected to drought. Drought increasedthe root/shoot ratio(RS), special leaf area, long-term water use efficinency, activity of antioxidantenzymes, proline content and abscisic acid (ABA) content, declined the net photosynthesis rate(A), average leaf area (ALA), total biomass (TB). Both two low altitude populations were moredrought-tolerant than the high altitude population, and different population applied differentstratedgies to tolerant oxidant stress and drought stress. The results of the exprement in 2004 showed that Daofu population was more drought-sensitivethan Jiuzhai population. Under drought conditions, leaf relative water content (RWC) greatlydecreased in Daofu population, but not in Jiuzhai population. The large loss of water in Daofupopulation resulted in a limitation on A mainly caused by non-stomatal factors, severer suppression in growth rate and a significant reduction in ascorbic acid (AsA) content, comparedwith Jiuzhai population. The greater increase in content of ABA and proline in Daofu populationmay be also induced by large loss in water, so that enable plants to cope with sever drought. In the exprement of 2005, drought significantly increased RS, activities of catalase (CAT),peroxidase (POD), glutathione peroxidase (GPX) and ascorbate peroxidase (APX), and alsosignificantly increased ABA and proline contents. On the other hand, compared with Daofupopulation, drought induced larger RS and activities of CAT, GPX and APX, and higher ABAcontent in Dingxi population, whereas gas exchange traits, e.g., stomatal limitation value (LS) andintercellular CO2 concentration (Ci), were less responsive to drought in Dingxi population thanthose in Daofu population. All these factors enable Dingxi population to tolerant drought betterthan Daofu population. The leaf protein profile of seabuchthorn subjected to drought was analyzed. Altogether 319proteins were detected in well-watered sample, four proteins disappeard by drought (putativeABCtransporter ATP-binding protein, hypothetical protein XP-515578, Hslu219and aunidentified protein), four only appeared under drought (a probable nitrogen regulation protein(NtrX), a 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase , an unnamed protein product and an identified protein), 32 drought down-regulated proteins, and 14 drought up-regulated proteins (nine wereidentified: three large subunits of Rubisco, a hypothetical protein DSM3645-23351, a putativeacyl-COA dehydrogenase, a nesprin-2, a J-type-co-chaperone HSC20 and two unmatchedproteins). These proteins may involve in β-oxidation, cross-membrane transport, cell division,cytoskeleton stabilization, iron-sulfur cluster assembly, nitrogen metabolism regulation andantioxidant substance biosynthesis or function as molecular chaperone or protease. Four proteins(a putative ABC transporter ATP-binging protein, NtrX, nesprin-2, Hslu) were new found in highplants, and their functions were estimated from their conserved domain or their homologues inother organism. Our results provided new clue and new insight for us to study thedrought-tolerant mechanism in plants.

青杨(Populus cathayana Rehd)雌雄植株对锈病和干旱胁迫的生理响应及差异蛋白质组比较

雌雄异株植物对环境的不同响应一直是一个有趣而新颖的研究领域，由于雌雄个体不同的繁殖成本及不同的生存策略，使得雌雄植株在生长、存活、生殖格局、空间分布、资源配置等方面已经表现出明显的不同，在生理和分子水平上也表现出明显的性别间差异。干旱是制约农林业发展的环境因子之一，叶锈病是对杨树危害最严重的病害之一，由于长期进化的结果，不同性别的植物必然对生物和非生物胁迫有着不同的响应。本文以雌雄异株的青杨为模式植物，研究雌雄间在生理、生化、亚细胞结构和蛋白质水平上对生物和非生物胁迫的差异响应。主要研究结果如下： （1） 青杨雌雄植株对锈病胁迫的生理生化差异响应 在正常的对照组中，雄株叶片比雌株叶片有着较高的活性氧自由基产生速率、较高的SOD、POD、PPO 和较低的CAT 活性；在锈病感染的早期阶段， SOD、POD、CAT 活性、活性氧自由基产生速率、H2O2 含量、膜脂过氧化程度和细胞膜的电渗率在雌雄株中都增加，而PPO 仅在雄株中增加明显，APX 仅在雌株中增加明显，并且雌株比雄株有着更严重的锈病感染程度、细胞膜的伤害程度和光合系统II 的破坏程度，雌株有更多的净光合速率、气孔导度和叶绿素a 含量的降低，在同工酶变化上，雌雄间对锈病也显示出不同的表达模式。结果显示，雄株比雌株对锈病有着更好的抗性和更有效的ROS 清除系统。 （2） 青杨雌雄植株对干旱胁迫的生理生化及亚细胞结构的差异响应 与较好水分条件相比，干旱下雄株比雌株有着更高的A-Ci 响应参数，如Rubisco 最大羧化速率、光呼吸速率、暗呼吸速率和最大电子传递速率等。干旱显著地增加了膜脂过氧化程度和游离脯氨酸含量，并且雄株比雌株表现出较低的膜脂过氧化程度，较高的总蛋白和游离脯氨酸含量。无论是中度干旱还是极度干旱，除了CAT 外，雄株比雌株表现为较强的抗氧化酶活性，在同工酶谱带上，雌雄间表现出不同的变化模式，并且有些条带是干旱影响应的，而有些条带是性别特异性的，这些性别特异性条带能够作为鉴定性别快速而准确的标记。干旱显著地影响了线粒体、叶绿体和细胞壁的结构，尤其在中度干旱胁迫下，雄株线粒体和叶绿体比雌株呈现出较好的完整性，并且雄株细胞壁要比雌株更厚。因此， 雄株比雌株表现出更强的干旱忍耐性和更高效的抗氧化酶系统。 （3） 青杨雌雄植株对干旱胁迫的蛋白质组差异响应 用双相电泳检测到雌雄间近1000 个蛋白点，通过对比发现对照组雌雄间有54 个差异蛋白点，干旱下雌雄间有108 个差异点，其中102 个被质谱成功鉴定。对照组雌雄间的差异蛋白主要集中在与光合作用相关蛋白、抗氧化酶、胁迫防御蛋白和一些调节基因表达的蛋白；干旱胁迫下雌雄间差异蛋白明显增多，主要有参与信号转导、调节基因表达、蛋白质加工、转录产物的转录翻译后修饰的调节性蛋白蛋白和参与氧化还原平衡、抗胁迫、细胞壁合成、光合作用、能量代谢、氨基酸代谢和脂肪酸代谢等的功能性蛋白。干旱下这些蛋白的表达量在雌雄中有的表现出相同的表达模式，如干旱下雌雄株中Rubisco 激活酶、小热激蛋白等表达都增加，而有的表现出相反的表达模式，如Rubisco 大亚基的降解片段、羰酸酯酶等在雄株中表达量上调而在雌株中却是下调。因此，雌雄间在蛋白质水平上对干旱胁迫响应的差异是显著的，也是复杂的。 It is an interesting and novel topic that dioecious plants possess different responses to environmental stress. As for the different productive cost and different survive strategy, different sexual plants have shown obviously morphological, physiological and molecular differences. Drought is one of the most worldwidely important environmental stress factors that limit plant growth and ecosystem productivity. Rust disease is one of the economically important diseases in many trees. As a result of the long evolutionary process, male and female plants should show different responses to abiotic and biotic stress. In this paper, using a dioeious tree of Populus cathayana Rehd as a model, we study the sexual differences to drought and rust disease stress in physiological, biochemical, sub-cellular and proteomics levels. The main results are follows: (1) The sexual differences in physiology and biochemistry of poplar to rust disease In controls, males showed higher production of superoxide radicals, higher activities of SOD, POD, PPO and lower CAT activity. Under rust disease, the activities of antioxidant, the content of ROS and the degree of cellular member destroyed were increased in both sexes, except for PPO in diseased males and APX in diseased females. However, females showed more seriously disease severity and cellular member and PS II destroyed degrees. Net photosynthesis rate, transpiration rate and chlorophyll a content were decreased more in diseased females than in males. There were also some different changes inantioxidant isozymes under rust disease. The results suggested that male poplar possessed a more effectively antioxidant system and were more resistant to rut disease than females. (2) The sexual differences in physiology and biochemistry of poplar to drought stress Under drought stress, there were higher rates of RuBP-saturated CO2 assimilation, dark respiration, photorespiratory release of oxygen, the max electron transportrate in CO2-saturated and carboxylation efficiency in males than in females. And males showed lower TBARS and higher proline content. Except for CAT, the activities of other antioxidants were higher in males than in females. Meanwhile, there were obviously differences in isozyme changes between teo sexes. Drought stress obviously destroyed the integralities of chloroplasts and mitochondria and the sexual differences in sub-cellular level were obviously under the moderate water stress. Male cell walls were more sensitive to drought stress than did female. The results suggested males were more resistant to drought stress. (3) The sexual differences in proteomics of poplar to drought stress By 2-D and MS analysis, we identified 102 different protein spots between males and females. Under control conditions, the different proteins were mainly in photosynthesis related proteins, antioxidants, stress response proteins and some gene expression related proteins. Under drought stress, the different proteins were focused on (i) regulated proteins such as signaling conduction, kinase, HSP, gene expressional regulation and protein modification, (ii) functional proteins such as photosynthesis, energy metabolism, antioxidant, redox, stress response, lipid metabolism and amino acid metabolism. Some protein showed the same expressional pattern, while some showed contrary expressional pattern. Thus, the results suggested that sexual differences in proteomics were significant and complex.

高浓度CO_2对红松(Pinuskoraiensis)针叶光合生理参数的影响

以开顶箱内经过6个生长季高浓度CO2处理的原位土壤种植的红松幼树为实验对象,研究了500μmolmol-1CO2对针叶光合作用及相应光合参数的影响。实地条件下测定了净光合速率(PN)对光合有效辐射(PAR)及胞间CO2浓度(Ci)的响应曲线,根据光合作用的生化模型,推算出了Rubisco活性或数量限制的最大羧化速率(VCmax)和光饱和条件下由RuBP再生能力限制的最大电子传递速率(Jmax),以及表观量子产量(AQY)和最大净光合速率(Pmax)等。500μmolmol-1CO2使红松针叶的VCmax降低了4%,Jmax和Jmax/VCmax比分别增加了27%和18%,均与对照差异不显著,所以红松针叶经过6个生长季高浓度CO2处理仍未发生光合驯化。在各自生长条件下测定的PN-PAR响应曲线表明,500μmolmol-1CO2使Pmax增加了94%,AQY增加了21%,Pmax增长高于AQY和Jmax的增加比例,说明500μmolmol-1CO2使红松针叶对光的利用效率增强。500μmolmol-1CO2下的最大气孔导度(gsmax)和最大蒸腾速率(Emax)与对照比增加了一倍,与Pmax增加的幅度接近。500μmol mol-1CO2下和对照条件下的Ci/Ca比均随环境CO2浓度(Ca)增加呈非线性下降趋势,在较低Ca处(Ca≤200μmol mol-1),500μmol mol-1CO2使Ci/Ca比下降了1%~7%,较高Ca处(Ca≥300μmol mol-1),500μmol mol-1CO2使Ci/Ca比增加了5%~20%。CO2浓度变化会改变Ci/Ca比,由于气孔的调节作用,Ci/Ca比最终还是要维持在一恒定范围,且气孔对较低的CO2浓度更敏感。