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。

克氏针茅草原的土壤种子库特征与植被恢复

近几十年来，由于过度放牧和不合理的农业开垦，内蒙古的天然草原退化严重。自2000年起，中国政府制定了“退耕还林还草”政策，并在草原地区实行了“禁牧、轮牧、休牧”等草原管理措施，期望依靠自然力来恢复退化的草原。然而，这些政策究竟能够带来什么样的后果还是一个未知数。土壤种子库和种子雨的资料对于全面理解植物种群和群落的动态具有重要价值。退化生态系统的恢复评价应该包括土壤种子库和种子雨的资料。因此，我调查了不同利用方式下克氏针茅（Stipa krylovii）草原的土壤种子库、种子雨和地上植被组成，来探讨政府的恢复政策对于该地区草原生态系统的影响。 研究地点位于中国科学院多伦恢复生态学试验示范研究站的永久实验样地，该实验样地在内蒙古自治区锡林郭勒盟的多伦县境内，该地区属于典型的农牧交错区。 采用幼苗萌发法，本研究测定了三种具有不同土地利用历史的样地的土壤种子库密度和物种组成。它们分别是：放牧样地、围封样地和弃耕样地。主要的研究结果有： （1）弃耕样地的土壤种子库密度最大，且主要是一年生和杂草类植物的种子，弃耕地由于其开垦的历史导致种子库的物种组成与放牧样地和围封样地的种子库有明显区别，其种子库缺少合适的多年生植物的种子是限制弃耕地自然恢复为天然草原的重要因素。 （2）放牧虽然会降低土壤种子库的密度，但是其中并不缺少多年生植物的种子。恢复由过度放牧引起的退化草原比恢复由农业开垦导致的退化草原要容易一些。围封对于由过度放牧引起的草原退化有明显的积极作用。 （3）采用Sorensen指数来计算地上植被与土壤种子库的相似性，这三个样地土壤种子库与地上植被的物种相似性均较高。在地上植被生物多样性的调查中，不能将草原中的一些早春植物遗漏。 采用网筛分离法，本研究测定了四种具有不同土地利用历史的样地的种子雨密度和物种组成。它们分别是：放牧样地、围封样地、割草样地和弃耕样地。主要的研究结果有： （1）不同样地间种子雨的密度差异显著（p < 0.05）。围封样地的种子雨密度最大，弃耕样地和放牧样地的种子雨密度居中，割草样地的种子雨密度最小。 （2）弃耕样地的地上植被和种子雨中均存在大量的一年生植物，这可能需要放牧或者割草等其它的一些管理措施来去除一年生植物的优势，从而加快弃耕地向天然草原的恢复速度。 （3）围封样地和割草样地的种子雨和地上植被中的物种数目均比放牧样地的要少，且围封样地中多年生非禾草类植物的比例大大增加，说明禁牧会改变草原植被的物种组成，这些究竟给草原植被的恢复带来怎样的影响，需要进一步的研究。 （4）克氏针茅草原整个取样期间种子雨的降落是连续的，因此在一些长期土壤种子库的研究中应该结合种子雨的数据，不能简单的将7月份的土壤样品作为长期土壤种子库。 采用网筛分离法，本研究测定了不同留茬高度的刈割实验样地的土壤种子库密度和物种组成。主要研究结果有： （1）无割草处理的对照样地的土壤种子库密度与其它割草处理样地的土壤种子库密度之间差异不显著。可能的原因是刈割的实验小区过小，植物种子的散布能够从不割草样地传播到割草处理的样地，或者动物的采食以及搬运降低了对照样地中种子的数量。 （2）虽然多年生禾草类植物在地上植被中占优势地位，但其在土壤种子库中的密度很小，均不到土壤种子库总量的10%。可见无性繁殖对于保持多年生禾草类植物在植被中的优势地位具有重要的意义，而相反的是非禾草类植物在土壤中保存大量的种子作为种群扩大的重要手段。

薇甘菊对其入侵地植物种子萌发和幼苗生长的化感影响

薇甘菊主要入侵我国华南的广东、海南和云南三省，给当地造成了严重的危害，其强烈的化感作用被认为是其成功入侵的原因之一。而目前对薇甘菊化感作用的研究还较少，因而对薇甘菊化感作用的认识还有待深入的研究。另外，在对入侵植物入侵群落进行恢复时，由于入侵植物的凋落物以及生长过的土壤都还含有化感物质，常常导致恢复难以继续。因而选择抗化感能力强的物种来恢复薇甘菊的入侵地也成为该研究的一个主题。本文以薇甘菊为实验材料来研究薇甘菊化感作用对植物种子活力、种子萌发和幼苗生长的影响，同时筛选化感抗性强的物种以进行薇甘菊入侵地的恢复工作。其主要结论如下： 1、薇甘菊根和叶的提取液对植物种子活力、种子萌发和幼苗生长都有很大的抑制作用，并且这种抑制作用随着提取液浓度的升高以及处理时间的延长而加强，这证明了薇甘菊具有很强的化感作用。 2、一些植物种子萌发和幼苗生长在低、中浓度提取液以及高浓度提取液的短时间的处理下能被促进，不过在高浓度的提取液以及长时间的处理下都被抑制，这说明化感作用是抑制还是促进作用在很大程度上受到提取液浓度和处理时间的影响。 3、薇甘菊提取液（50 g L-1）对紫薇(Lagerstroemia indica)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、黑麦草(Lolium perenne)和西葫芦（Cucurbita pepo）种子处理50-100 h就能极大的影响到其后的种子萌发和幼苗生长，这说明薇甘菊在短时间（50-100 h）就能给植物产生极强的化感作用，也进一步证实薇甘菊很强的化感作用。 4、由于各物种进化历史的不同，而且各物种在对薇甘菊的化感抗性上也存在着差异，所以各物种对薇甘菊提取液的化感反应也各不相同。 5、薇甘菊根提取液对刺槐和紫薇幼苗根的生长的影响要大于叶提取液对刺槐和紫薇幼苗根的生长的影响，而对刺槐和紫薇种子萌发率、初始萌发时间、萌发速率以及幼苗株高的影响却是叶提取液的化感作用强。这支持了一个新的假设：由于物种间代谢的多样性，至少在根和叶对受试植物根的化感影响方面，对于一些物种来说根的化感作用可能强于叶的化感作用，对于另一些物种来说叶的化感作用可能强于根的化感作用。 6、薇甘菊叶提取液对西葫芦种子活力、种子萌发和幼苗生长的化感影响大，而对其后开花时间以及开花的数目没有明显的影响，这说明薇甘菊对西葫芦生活史前期的化感影响要大于对西葫芦生活史后期的化感影响。 7、薇甘菊叶的水提取液对种子萌发的抑制作用要大于对幼苗生长的抑制作用;对非豆科植物种子萌发的影响要大于对豆科植物种子萌发的影响，而对非豆科植物幼苗生长的影响要小于对豆科植物幼苗生长的影响;对本地种的抑制作用要大于对外来归化种的抑制作用。 本研究证实了薇甘菊强烈的化感作用，根提取液对受体植物幼根生长的影响大于叶提取液对受体植物幼根生长的影响，这种化感作用可能极大的促进了薇甘菊的入侵。另外，在恢复薇甘菊入侵群落时，考虑到薇甘菊的化感作用，理应选择外来的已经归化了的非豆科植物的幼苗。

围栏封育和自由放牧下植物群落特征和土壤特征对比研究

　　本文选取内蒙古锡林郭勒盟放牧退化羊草草地为研究对象，基于对连续7年的围栏样地和自由放牧样地的植物群落特征以及土壤理化性状特征的动态对比分析，揭示围栏封育措施对放牧退化草地恢复过程中植被-土壤系统的影响。研究结果表明： 　　(1) 围栏封育措施使退化羊草草地的物种多样性和群落均匀度较自由放牧区略有提高，群落生态优势度略有降低，但差异均未达到统计显著水平(P>0.05)。 　　(2) 围栏封育措施改变了退化草地的优势物种组成。随着封育时间的延长，草地群落优势种逐渐为典型草原代表性物种羊草和大针茅所替代，反映出典型草原特征；而自由放牧样地，其优势种主要以典型草原中度退化和重度退化时期的优势种或主要伴生种糙隐子草为主，并呈现优势度逐渐增强的趋势。表现出退化草原特征，且退化程度加剧。 　　(3) 围栏封育措施改变了退化草地功能群的结构。从生活型功能群看：尽管多年生草本在群落中的主体地位没有变化，但随着围栏封育时间的延长，灌木的优势度逐年升高，成为群落中处于次优势地位的功能群，一、二年生草本的优势度逐年降低。在自由放牧样地，一、二年生草本的优势度表现出逐年升高的趋势，成为群落中处于次优势地位的功能群，灌木的优势度表现出逐年降低。 　　从生态类型功能群的优势度看，尽管旱生植物一直是围栏样地和自由放牧样地群落的优势功能群。但自由放牧样地旱生植物的优势度显著高于围栏样地，且围栏样地内旱生植物的优势度呈现逐年降低趋势，中旱生植物显著增多。围栏措施促进了群落环境向中旱生环境转化。 　　(4) 围栏封育措施显著提高了群落植被的平均高度、地上生物量和凋落物量。但研究区域围封2年后，地上生物量达到了最高水平，以后随着时间的延续地上生物量逐渐降低。 　　(5) 围栏封育措施使退化草地的土壤理化性状（土壤容重、土壤有机碳、全氮）及其植物生存的土壤微环境（土壤温湿度）均得到不同程度地改善。土壤有机碳、土壤全氮含量以及土壤含水量有所提高，土表温度降低，日较差减小。 　　(6) 围栏封育对退化草地的结构和功能的恢复存在不同步性。其中群落生物量受围封措施影响最为明显，围栏2年已达顶峰。其次是群落的优势种，4年的围封已使典型草原的优势种羊草和大针茅成为群落的优势种。反应最为缓慢的是群落的多样性指标，7年的围封措施并没有使群落的多样性指标与自由放牧区形成显著的差异。同时土壤环境的改变也存在不同步性，其中土壤物理性状和微环境的改善要明显于化学性状的变化。因此，在制定围栏措施时，应考虑恢复目的，采用不同的恢复时间，从而提高草地的可持续利用能力，降低恢复成本。

硅在大豆低钾胁迫中的作用

钾是作物生长发育的必需矿质元素，缺钾对大豆产量和营养品质影响显著。硅是植物的有益元素，在低钾胁迫条件下，硅对大豆生长是否有改善作用还未见相关报道，本研究以对低钾敏感的不同基因型大豆品种（铁丰35和铁丰31）为试验材料，在低钾条件下（1 mmol L-1)，施加Na2SiO3，通过大豆生物量、根系形态学、生理学和抗氧化物酶活性等参数的变化，研究硅在大豆缺钾胁迫生长中的作用。主要研究结果如下： 1低钾胁迫对大豆生长发育和生理指标形状的影响 与正常钾生长条件（5 mmol L-1）相比，对低钾敏感的基因型大豆品种铁丰35，低钾胁迫使铁丰35品种主根、侧根，过氧化氢 (H2O2)和丙二醛含量(MDA)，根系和叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性和光合特性指标等发生显著变化，同样地，铁丰31品种根系的SOD、CAT、POD活性和MDA含量也发生显著变化。相反，铁丰31品种的其它形态学和生理学指标参数受低钾胁迫影响差异不显著。 2 Si和Na+对大豆生长发育和生理过程中低钾胁迫的减缓作用 为探明Si对大豆生长发育和生理过程中低钾胁迫的减缓作用，我们将Na2SiO3分别设立3个浓度处理水平(0.1, 2.0, 5.0 mmol L-1)，对照CK0：5.0 mmol/L KNO3+0.0 mmol/L Na2SiO3，副对照CK1：1.0 mmol/L KNO3+4.0mmol/L NaCl，其中以Si2处理是2个品种减缓低钾胁迫效应最好的，对大豆生长发育和促进大豆根、茎和叶内钾浓度含量，低钾胁迫使SOD、POD、CAT活性，H2O2和MDA含量，以及光合特性(Pn, WUE)等指标参数得以显著地改善，但Na2SiO3对低钾敏感品种铁丰35的减缓作用远大于对低钾不敏感的品种铁丰31。为排除Na2SiO3中Na+对低钾大豆的生长作用，用等浓度NaCl进行检验，结果表明，Na+可以部分地减缓低钾胁迫，并且这减缓作用远小于等浓度的Si。本试验结果说明Si通过改变几个关键的生理过程，进而提高低钾胁迫条件下，大豆生长发育的表达活力，以有效地改善低钾对大豆生长的胁迫。 3 Si通过提高抗氧化胁迫进而减缓大豆生长发育中低钾胁迫 低钾胁迫使大豆地上和地下生物产量与对照CK0相比显著减少，增施Na2SiO3前后大豆其根冠比、过氧化氢积累、钾含量、膜质过氧化产物和抗氧化物酶活性变化显著。另外，Na2SiO3显著减缓了低钾胁迫使大豆根冠比、提高了低钾大豆根、茎、叶内钾浓度，Si还减缓了过氧化氢 (H2O2)和丙二醛含量(MDA)，这说明Si抑制了低钾的过氧化胁迫，显著地抑制了因低钾胁迫而使超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等活性的升高，这些酶活性提高效应被施加的Na2SiO3消除，这些结果表明，Si通过提高抗氧化胁迫能力，进而减缓大豆生长发育的低钾胁迫，对低钾胁迫有非常重要的减缓调控作用。

Degradation of tropical forest in Hainan, China, 1991-2008: Conservation implications for Hainan Gibbon (Nomascus hainanus)

The Hainan gibbon (Nomascus hainanus) is one of the most endangered primates in the world, confined to mature natural forest in Hainan Island, China. We assessed changes in habitat condition on the island between 1991 and 2008, using vegetation maps generated by remote-sensing images. We defined forest suitable for gibbons based on composition, tree size and canopy cover. During the 17-year period, the area of suitable gibbon forest decreased by 540 km(2) (35%) across the whole island, and by 6.3 km(2) (7%) in the locality of the sole remaining gibbon population at Bawangling National Nature Reserve. The forest patches large enough (>1 km(2)) to support a gibbon group decreased from 754 km(2) to 316 km(2) in total area, and from 92 to 64 in number. Suitable natural forest was mainly replaced by plantations below 760 m, or degraded by logging, grazing and planting of pines above 760 m. Meanwhile, forests in former confirmed gibbon areas became more fragmented: mean area of patches decreased by 53%. We mapped the patches of natural forest in good condition which could potentially support gibbons. We recommend a freeze on further expansion of plantations between core patches at Bawangling, Jiaxi-Houmiling and Yinggeling Nature Reserves in accordance with forest protection regulations; establishment of nature reserves in currently unprotected natural forest patches elsewhere in line with the local government's nature reserve expansion policy; and active natural-forest restoration between remaining fragments at Bawangling. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Statistical image modelling using interscale phase relationships of complex wavelet coefficients

A novel method for modelling the statistics of 2D photographic images useful in image restoration is defined. The new method is based on the Dual Tree Complex Wavelet Transform (DT-CWT) but a phase rotation is applied to the coefficients to create complex coefficients whose phase is shift-invariant at multiscale edge and ridge features. This is in addition to the magnitude shift invariance achieved by the DT-CWT. The increased correlation between coefficients adjacent in space and scale provides an improved mechanism for signal estimation. © 2006 IEEE.

A ferrofluid seal technology for fluidic microactuators

Recent research revealed that microacruators driven by pressurized fluids are able to generate high power and force densities at microscale. Despite these promising properties, fluidic actuators are rare in microsystem technology. The main technological barrier in the development of these actuators is the fabrication of powerful seals with low leakage. This paper presents a seal technology for linear fluidic microacruators based on ferrofluids. An accurate design method for these seals has been developed and validated by measurements on miniaturized actuator prototypes. Our current actuator prototypes are able to seal pressures up to 16 bar without leakage. The actuator has an outside diameter of 2 mm, a length of 13 mm and the actuator is able to generate forces of 0.65 N and a stroke of 10 mm. Moreover, promising properties such as the restoration of the seal after a pressure overload have been observed.