小麦肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）基因的分离和功能分析

作为植物界广泛存在的一类酚类聚合物，木质素是陆生植物正常生长发育过程中非常重要的生物大分子，而且与人类的生活息息相关。利用分子生物学手段和基因工程方法，从小麦中分离木质素生物合成途径的关键酶-肉桂酰辅酶A还原酶基因（CCR），研究肉桂酰辅酶A还原酶基因在木质素代谢途径中的调控规律，从其催化的限速步骤入手，来调控木质素的合成，有效的改变木质素的组成、含量和结构，是改善木质素在植物生长发育中的作用乃至开发木质素资源的关键所在。本文就小麦肉桂酰辅酶A还原酶基因的分离、表达特征及其在木质素合成途径中的作用开展了研究工作。 首先用RACE方法从小麦中克隆了CCR的两个cDNA的部分序列，序列分析表明它们编码的蛋白具有CCR的典型特点，GC含量高于均60%，两者在核酸水平和蛋白水平的同源性为76%和 69%，证明在小麦中至少存在着两个CCR基因。通过 RT-PCR和Northern 杂交确定W-cr6和W-cr19在小麦的发育中具有不同的表达特征，W-cr6主要在茎中表达，而W-cr19的表达集中在根中。以W-cr6为探针，从cDNA文库中筛选到一个全长1317bp的cDNA，命名为TaCCR1。TaCCR1包括开放阅读框 (ORF) 1047bp、5′端侧翼 72bp和3′端侧翼198bp的非翻译序列。TaCCR1能够编码由349个氨基酸组成的蛋白质，预期的分子量为37.4kD。同源性比较显示TaCCR1基因在核酸水平和蛋白质水平与其他物种的CCR基因的同源性高于60%。 为了分析CCR在木质素合成中的作用，用TaCCR1构建了用于转化烟草的正义和反义表达载体pStCCR和pAtCCR、用于转化小麦的正义和反义表达载体pBSC1和pBAC1。通过农杆菌介导得到了30株反义转基因烟草和12株正义转基因烟草。由于外源基因的抑制作用，转基因烟草在形态、木质素组成和含量、木质部显微结构上都程度不同的发生了变化。正义和反义的转基因株系呈现出株型矮化、木质素含量下降、木质部导管细胞壁受到破坏等现象。同时利用花粉管通道法转化小麦种子5000多粒，部分处理经过初步的PCR和 Southern分子鉴定获得了1株转基因株系，需要对其遗传、生理和形态特征做进一步的研究。 本文还对木质素对小麦茎杆的机械强度的影响做了初步的探讨，得到的结果是小麦茎杆的木质素含量、维管束的数量、茎杆有效的横界面积与其最大弯曲应力存在着正相关，而维管束的结构、密度对茎杆的最大弯曲应力没有明显的影响，从而为通过CCR基因来改善小麦茎杆的抗倒特性建立了生理学基础。

吐鲁番洋海墓地植物遗存与古洋海人及环境之间的关系

古民族植物学（Paleoethnobotany）在我国尚属一个比较年轻的学科，其主要研究对象是先民们所栽培或利用过的植物遗存（Plant remains），目的在于揭示古代人们对食物的选择，栽培植物的起源，早期农业的出现以及居址周围的自然与生态环境。吐鲁番地区降水稀少。干燥的环境，使得考古遗址中的植物遗存得以完好的保存。本论文首次对吐鲁番洋海墓地（2500 B. P. ）的包括木材、果实、种子、茎杆、叶片等在内的植物遗存进行了系统的研究，依此分析了当时的植被及环境，并对与当时的土著居民密切相关的植物类群进行了详细研究。 研究表明，吐鲁番洋海墓地植物群包括木材、禾本科粮食作物、杂草及其它植物共18 种。其中我们详细研究了14 种，隶属于7 科14 属，它们分别为禾本科黍属中的黍（Panicum miliaceum），大麦属中的青稞（Hordeum vulgare var. nudum），小麦属中的普通小麦（Triticum aestivum），芦苇属的芦苇（Phragmites australis），虎尾草属的虎尾草（Chloris virgata），小獐毛属的小獐毛（Aeluropus pungens var. pungens），稗属的稗子（Echinochloa crusgali），大麻科大麻属中的大麻（Cannabis sativa），紫草科紫草属中的小花紫草（Lithospermum officinale）， 豆科槐属中的苦豆子（Sophora alopecuroides var. alopecuroides），茄科枸杞属中的黑果枸杞（Lycium ruthenicum），松科云杉属中的云杉属未定种（Picea sp.）， 杨柳科杨属的胡杨（Popules euphratica）及柳属未定种（Salix sp.）。研究表明，这些植物遗存渗透到古洋海人生活的方方面面。其中，粮食作物为可能以黍为主，以普通小麦及青稞为辅;用以作装饰的为小花紫草的小坚果;可能与其原始宗教及医药相关的为大麻;与建筑相关的植物有芦苇、黑果枸杞、云杉（Picea sp.）、胡杨及柳（Salix sp.）等;与当地居民意义不大的杂草有稗子、苦豆子、小獐毛、虎尾草等。其中，大麻及小花紫草遗存的出土意味着当时的土著居民对当地的植物已经有了很高的认识水平;黍、青稞及普通小麦的出土意味着他们可能与东西方文化均有接触，为东西方文明的交融起了桥梁作用;所出土的部份植物如小獐毛、小花紫草、柳、苦豆子，尤其是稗子、芦苇及香蒲属植物等都属于喜湿植物。这说明，在当时的洋海墓地周边环境与今天相似，亦为一块植被丰富的绿洲，其中可能有大面积的湿地。

小麦幼苗阶段体内同化产物的运输和分配

用14C示踪法研究了冬小麦（Triticum aestivum L.）在整个冬前分蘖期内各个叶龄期主茎各叶位叶片同化产物的运输方向和供应范围，同时测定了主茎各叶位叶片净同化量对主茎叶片总同化量的贡献及其同化产物的运转率，对于各个分蘖出现后不同叶龄期接受主茎输出同化产物的量进行了定量的估计。得到以下主要结果： 1、整个冬前分蘖期，主茎一般维持有4-5片叶行使光合功能。其中顶部两片叶对植株同化产物的贡献最大。这两片叶的净同化量占主茎叶片总同化量的60%以上。主茎各叶位叶片在24小时内对标记同化产物的运转率在60%-85%之间。随着叶位下降，由于叶片衰老，不仅净同化量下降，而且叶片的同化物运转率也下降。整个分蘖期内，主茎叶片同化物的总运转率逐渐提高。 2、主茎叶片输出的同化物除主要供应主茎本身的顶端生长部位外，有相当大的一部分（约50%）供应给各分蘖，而不输入已经展开的主茎叶片。主茎顶部的两片主要功能叶主要供应主茎本身的顶端生长部位，0叶对主茎本身顶端生长部位的供应量始终保持在50%以上。随着叶位下降，对主茎本身的供应减少，而对分蘖的供应大大增加。 3、在向各分蘖的供应中，主茎顶部的三片主要功能叶集中供应正在出现（即正在长-1叶）的主茎一级分蘖和只有一片展开叶的主茎一级分蘖，对其它一级分蘖的供应，随蘖位降低，供应减少。其它主茎叶片都是主要供应本叶腋所包的上一节位的主茎一级分蘖，其次是本节位和上二节位的一级分蘖。每一主茎叶片的供应范围可分别达上、下两个节间距离。 4、各一级分蘖从主茎接受同化产物的量具有相同的变化规律。既分蘖在伸出叶鞘前和伸出后的早期（具有两片展开叶前）生长，从主茎接受相当大的部分同化物（约占主茎叶片总输出量的10-20%）;当分蘖具有两片展开叶时，从主茎接受同化物的量明显减少（占主茎叶片总输出量的10%）;当分蘖具有三片展开叶时，从主茎接受同化物已很少（5%以下）。作者认为，可以把具有两片展开叶的分蘖视为开始营养独立的分蘖。 5、主茎运向二级分蘖的同化物很少（5%以下）。主茎基部的一至两片叶对根系供应较多。但与地上部相比，主茎运往根系的同化物也比较少（10%以下）。 6、一级分蘖叶片的同化产物主要供应一级分蘖本身的生长部位和它所带的二级分蘖;一级分蘖叶片对二级分蘖的供应方式与主茎对一级分蘖的供应方式相同。一级分蘖的同化产物运向主茎和其它蘖群及分蘖很少。

小麦穗、小穗及子粒差异的生理原因

本文研究了冬小麦(Triticum aestivum L)在生长发育过程中，穗、小穗及子粒等产量构成因素不均衡性的生理原因。主要是从碳氮营养角度及维管系统分布等方面对造成主茎德及分蘖穗，穗中不同部位小穗、不同粒位子粒分化发育差异的生理原因进行了探讨，得到了下主要结果。 1、主茎及一蘖、二蘖的穗下节间及穗下第二节间横切面的各性状有明显的差异。穗下节间及穗下第二节间的直径，基本组织面积、中央维管束总面积及韧皮部总面积均以主茎为最大，一蘖次之，二蘖再次之。维管束数目以主茎为最多，一蘖、二蘖顺次减少。 2、从返青到拔节期。主茎叶鞘及叶片中可浴性糖含量最高，一蘖次之，二蘖再次之。尤为叶鞘中可溶性糖含量明显高于一蘖和二蘖。拔节期后，主茎叶鞘中可溶性含量较低，分蘖中含量较高。在此时期内，主茎叶鞘及叶片中可溶性氨基酸含量较低，而分蘖中氨基酸含量较高。 3、在小花两极分化期，即从药隔形成期至抽穗期，穗不同位小穗中可溶性糖及可浴性氨基酸含量不同，基本小穗中氨基酸含量最高，但可浴性糖含量最低。上部小穗中可浴性糖含量最高，但氨基酸含量最低。中都小穗中，碳氮含量较为平衡。 4。在子粒形成期，中部小穗各子粒中可溶性糖及氨基酸含量不同。第一粒位子粒中可溶性糖含量最高，二、三、四子粒顺次减少。尤其是第四子粒中可溶性糖含量极低。第二及第四子粒中氨基酸含量较高，第一及第三子粒中氨基酸含量较低。 5、在子粒形成期，不同部位小穗同一粒位子粒中可溶性糖及氨基酸含量不同，顶部小穗子粒中可溶性糖含量最高，中部小穗子粒次之，基部小穗子粒再次之。各子粒中氨基酸含量无明显差别，子粒形成初期，中部小穗子粒中氨基酸含量较高。 6、在子粒灌浆期，初期中部结实三粒的小穗第一子粒中可溶性糖含量最高，第二子粒次子，第三子粒最少。以后各子粒中可溶性糖含量无明显差别。灌浆始期，第一子粒的干重最重。第二粒次之，第三粒最轻。从灌浆中期开始，第二粒干重逐渐赶上并超过第一粒，最终子粒干重表现为II＞I＞Ⅲ。 7、在子粒灌浆初期，不同穗位小穗同一粒位子粒中可溶性糖含量有明显差别。中部小穗子粒中可溶性糖含量最高，上部小穗子粒次之，下部小穗子粒含量最低。以后各子粒中可溶性糖含量无明显差别。在整个灌浆过程中，中部小穗子粒的干重始终保持最高，上部及下部小穗子粒干重明显地低于中部小穗子粒干重。 8、穗内部维管束分布是不均衡的，中部小穗的小穗轴中维管数目多，面积大。而顶部及基部小穗的小穗轴中维管束数量较少，面积也较小。在同一小穗中，通向小花的维管束随着花位的升高，数量越来越少，面积越来越小。但通向一、二花的维管束数量及面积较为接近，差别不明显，通向三花、四花的维管束数目明显减少，面积明显减小。通入第一、二花的维管束是独立的，均直接来自小穗轴，第三花以上的小花和二花构成串联关系。 本文最后对小麦体内碳氮营养、维管束的分布和小麦主茎、分蘖及穗内部发育不均衡的关系进行了讨论。

小麦抗寒力诱导过程中特异性蛋白质的合成

以5个不同抗寒性小麦品种（不抗寒的春小麦京771，抗寒性中等的郑州741和济南13号，以及强抗寒性冬小麦农大139和燕大1817）为材料，对其在抗寒锻炼过程中所发生的可溶性蛋白及膜蛋白组分的变化进行了电泳图谱的分析。主要结果如下： 1、可溶性蛋白质电泳图谱的分析表明：人工低温锻炼20天后，在不同品种中新合成的多肽分子量分别为：郑州741是28，73 KD;济南13号是24，28和73 KD;农大139是28，60，65和68 KD;田间抗寒锻炼的燕大1817为15，28，51，60，65和68 KD。 2、不同抗寒性品种经人工低温锻炼20天后，新合成的膜多肽分别是：郑州741为30和68 KD;济南13号为30，58，68和81 KD;农大139为18，21，27，32和56 KD。田间锻炼的冬小麦燕大1817为21，29，36，43和83 KD。 3、脱锻炼后，抗寒特异性的多肽及与抗寒相关的膜多肽发生减少或完全消失。 4、春小麦在低温锻炼后，抗寒力不显著提高，不产生抗寒特异蛋白质。此外，膜多肽的变化也较少。 以上结果进一步揭示和证实，在小麦的抗寒锻炼过程中无论是可溶性蛋白还是膜蛋白均确实有抗寒特异性蛋白的新合成，并在各品种间表现出某些共同的特异性多肽，这些新合成的多肽与品种的抗寒性存在密切的关系，品种愈抗寒，特异多肽的种类愈多。这些结果进一步证明，植物抗寒性是由多基因控制的。

CO2倍增对禾本科植物幼苗形态结构的影响

本论文为国家自然科学基金重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”的部分研究内容。 本文对C02正常浓度(350ppm)和C02倍增(700ppm)条件下，小麦（Triticum, aestivum）、半野生小麦(Triticum aestivum spp．tibeticumShao)、大麦（Hordeum vulgare）、野大麦（Hordeum brevisubulalum）、水稻（Oryza sativa,）、野生稻（Or7za sativa ssp．）、谷子（Setaria italica）、狗尾草（Setaria viridis）、高粱（Sorghum vulgare）、玉米（Zea mays）、旱雀麦（Bromus tectorum）、旱麦草（Eremopyrum triticeum）等12种禾本科植物幼苗的叶片厚度、叶肉细胞密度、维管束鞘细胞中的叶绿体数、叶肉细胞中的叶绿体数、表皮细胞密度、气孔密度、气孔指数、气孔长度、气孔阻抗及平均株高、鲜重、茎秆直径、根的直径、种子的萌发率及叶绿体超微结构等进行了比较研究。 结果表明，C02倍增使不同种类、不同测试项目反应不一。总体上看，CO2浓度倍增，使10种禾本科植物（野大麦、玉米外）的吐片厚度普遍增加。除个别种类外，C4种类的平均株高、鲜重、根直径倍增组比对照组减小;气孔平均密度增加，而C3种类则呈相反趋势o C4种类比C3种类的叶片气孔开度对C02倍增反应更为敏感。在高浓度C02条件下，C4种类的叶绿体超微结构变化较明显，淀粉粒显著增加。野生种类的表皮细胞密度，叶肉细胞密度，维管束鞘细胞中的叶绿体数及茎秆直径，C02倍增组比对照组减少，栽培种类则显著增加。气孔密度与气孔指数基本呈正相关;而气孔长度与气孔密度则大体上呈负相关。 文中对高浓度C02条件下，供试植物形态结构的变化和规律，及全球大气变化对未来农业可能产生的影响进行了讨论。

运用减法杂交、差异筛选与信使RNA差别显示聚合酶链式反应克隆冬小麦春化相关基因

对于某些一年生或二年生高等植物，春化作用是诱导其成花的一个重要的环境因子。冬小麦春化进程中存在着一个核酸代谢的关键期，利用分子生物学技术分离特异表达的基因是研究春化诱导成花机理的一个突破口。 利用TRIzol试剂快速提取冬小麦燕大1817(Triticum aestivum L. cv Yanda 1817)未春化、春化4d、春化20d、5d脱春化的胚芽中的总RNA，去除污染的DNA后，将引物P_1(5'TTTTTTTTTTTCA3')、P_2(5'TTTTTTTTTTCC3')与10个碱基的随机引物OPF_1-OPF_(20)、OPG_1-OPG_(20)组成80个引物对，对不同来源的RNA进行差别显示，共显示了大约10,000种mRNA，结果发现了两个仅在春化20d这一关键期表达而在未春化、春化4d、5d脱春化时不表达的春化相关基因(VRG)VRG49与VRG54。Northern分析进一步表明这两个基因仅与春化20d的冬小麦RNA有杂交信号。将VRG49与VRG54亚克隆于pGEM-4Z载体上，利用T_7测序系统获得了VRG49和VRG54的DNA序列，它们的长度分别为307bp与169bp。 春化21d的冬小麦京冬1号(T. aestivum L. cv Jingdong No. 1)胚芽的mRNA在逆转酶作用下反转录成sscDNA杂交，将过量的未春化、脱春化的mRNA与sscDNA杂交，运用磁珠法分离出未杂交上的sscDNA，以特异的sscDNA为模板，用DNA聚合酷I合成了dscDNA。通过对dscDNA内部EcoRI位点的甲基化、末端补平、EcoRI接头的安装、连接进入λgt10载体的EcoRI位置，以及运用包装系统进行体外包装，建立了库容为4 * 10~6pfu的富集低温诱导的冬小麦cDNA噬菌体文库。用来源于未春化、春化21d、脱春化的冬小麦mRNA合成3种cDNA探针，对噬菌斑进行原位杂交，结果筛选出了3个春化相关基因(VRG)VRG79、VRG111和VRG231。Dot blotting与Northern分析表明VRG79仅在冬小麦春化关键期21d表达。运用PCR方法从λgt10DNA中扩增出VRG79片断并亚克隆于PUC18载体上，通过T_7测序系统获得了VGR79的序列，其包括349个碱基。 通过Internet将VRG49、VRG54、VRG79与GenBank、EMBL、DDBJ、PBD中的序列进行同源性分析，结果发现这些基因至少是在植物中新发现的基因，对这些基因推测的一些功能也进行了讨论。

小麦春化相关基因元件克隆分析与小麦矮化突变体的研究

一、 春化相关基因全长cDNA序列及其启动子的克隆与分析研究 通过建立小麦（Triticum aestivum. L. cv Jingdong No.1）胚芽春化cDNA文库，以春化相关基因VER2的3’端序列为探针，筛选获得全长1195 bp cDNA序列，它编码300个氨基酸。在VER2中存在植物疾病抗性反应蛋白和茉莉酸诱导凝集素两种蛋白的结构域。另外在VER2蛋白中存在核定位信号和多种磷酸酶的作用位点，VER2可能参与了多种调控途径。 以VER2基因的cDNA为探针，利用改进的池式PCR以及高密度膜杂交筛选的方法，从小麦TAC基因组文库中获得41,788 bp的基因组克隆，该序列含有11个基因，其中VER2基因位于第三个基因。VER2基因组序列含有3个内含子，4个外显子与cDNA序列100%同源。通过对转录起始点和转录终止点的分析，进一步证明从cDNA文库筛选得到的VER2基因为全长序列。 对VER2基因的上游启动子区域进行分析，发现基因上游启动子区存在三个小的重复序列，每个片段有482 bp，另有两个较大的重复序列，每个片段有2,161 bp。对上游2.8 kb启动子区（不含重复序列）的响应元件分析，其包括ABA响应元件（ABRE）、茉莉酸甲酯响应元件（Me-JARE）、胚乳特异性表达元件、参与淀粉酶合成的元件以及存在类似GA响应元件（ATAACAAAC）如ATAACATAC等等。根据VER2基因上游6 kb序列结构特点，将VER2启动子区域进行缺失突变形成10个片段，分别以GUS和GFP为报告基因构建成瞬间表达载体和植物表达载体等四类质粒。通过基因枪方法将最大片段（6 kb）驱动GFP报告基因的瞬间表达载体转入经春化处理或未春化处理的小麦幼叶中，结果发现GFP在春化处理的幼叶中表达，而在未春化处理的幼叶中不表达，说明VER2基因的启动子驱动基因转录受春化处理调控。 二、 小麦矮化突变体的研究 通过对小麦矮化突变体gaid遗传生理分析发现该突变体为半显性阻断GA信号途径，由此发现在赤霉素信号途径中，α-淀粉酶的诱导一定程度上通过某些与株高相关的基因控制。突变体gaid呈现对高浓度的脱落酸更敏感，当ABA浓度达到10-6M时，突变体的生长几乎完全受到了抑制，而野生型的生长需要ABA浓度达到10-5M时才能完全受到抑制。通过突变体gaid对乙烯等抑制型生长调节剂的响应实验研究，首次提出GA调控植物伸长生长存在两条信号途径，即GA基础水平信号途径（GA basal level signaling pathway）和GA正常水平信号途径（GA normal level signaling pathway），而乙烯以及高浓的GA合成抑制剂（如PAC）是通过第一条途径（GA基础水平信号途径）起作用。光形态建成中对植株生长的抑制作用存在独立于GA的信号途径。 突变体gaid的根系在强光照（63.5 Es-1m-2）和培养基内（低氧）的生长条件下，表现出弯曲、变短、加粗等异常性状，而随光照强度的减弱，这种根系异常生长的表型也减弱，在暗培养中则完全消失，但无论在哪种环境条件下，相对野生型对照而言，突变体的种子根短、侧根少。低浓度的ABA（10-8M）可以恢复突变体gaid根系在强光低氧条件下的正常生长发育。然而利用IAA及其极性运输的抑制剂（TIBA）、乙烯生物合成前提物（ACC）及合成抑制剂（AOA）处理突变体gaid，并没有发现突变体根系的生长发育得到恢复。 突变体gaid可能是一个新的属于小麦GA信号途径中的负调控基因（GAID）发生了突变或超表达，导致其负调控作用增强，呈现半显性的矮化突变。在与另一已知小麦GA信号途径中的负调控基因RHT的关系研究上发现，GAID可能对RHT蛋白磷酸化后的降解途径起抑制作用。通过双向电泳发现突变体gaid与野生型对照（京冬1号）在生长过程中存在差异蛋白，这将有助于对GA信号途径分子机理的深入研究。

I.小麦非叶器官碳酸酐酶活性与定位分析II.镉毒害导致芦苇胚性细胞死亡的激素调控研究

第一部分： 通过生理测定和化学染色分析了冬小麦品种小堰54和京411的叶片和非叶片组织的碳酸酐 酶活性。叶片碳酸酐酶活性(CA)在挑旗时期达到最大值，之后减少到最小，而在饱粒期又呈 增加趋势。从灌浆期到饱粒期，颖片和内稃的CA活性均减少，而外稃和种皮的CA活性均增加。在饱粒期，小堰54的叶片、颖片、外稃和种皮CA活性均高于京411。组织化学染色表明，CA主要分布在旗叶的叶肉细胞叶绿体中，也分布在非叶片组织颖片、外稃和内稃的叶肉和维管束鞘细胞的胞质中。这些结果表明，小麦非叶组织叶肉和维管束鞘细胞的胞质中的CA可能对饱粒期冬小麦的C4光合途径起作用。饱粒期小堰54的C02传递到Rubisco酶速率和抗旱性较京411高。 第二部分： 以继代培养的芦苇胚性细胞为材料，利用台盼兰拒染法检测了悬浮细胞死亡过程，并利用石蜡切片法及苏木精染色法观察了不同浓度镉对芦苇细胞的毒害作用。1000μM的CdCl2迅速导致芦苇悬浮细胞死亡，200μM的CdClz在接种后第5天引起悬浮细胞死亡，100μM的CdCl2在接种后第7天引起悬浮细胞死亡，≤50μM的CdClz在接种后7天不引起悬浮细胞死亡。同时对不同浓度镉处理的芦苇胚性细胞的内源植物激素和可溶性蛋白质进行分析，≤50μM的镉浓度显著地降低胚性细胞内IAA、ZR、GA3和GA4的含量，却提高ABA的含量，抑制可溶性蛋白质的合成：≥100μM的镉浓度显著地提高IAA、ZR、GA3和GA4的含量，却降低ABA的含量，促进可溶性蛋白质的合成。这些结果表明，镉的毒害至少包括镉浓度决定的两种细胞死亡机制，高浓度的镉(1000μM)引起的细胞死亡应当为坏死，而100μM的镉引起植物悬浮细胞发生程序性死亡。在较高浓度(≥100μM)的镉处理下，芦苇细胞内内源IAA、ZR、GA3和GA4的浓度较高，可能调控可溶性蛋白质的合成而促进细胞发生程序化死亡。

一种小G蛋白TaRAN1在植物细胞周期和发育过程中的功能研究

　　小G蛋白作为信号转导中重要的分子开关， 进化相当保守，与许多不同的调控因子和效应器分子相互作用，产生细胞功能的多样性。近年来，人们不断发现植物中小G蛋白家族的新成员，也不断揭示小G蛋白的新功能，许多植物特有的信号途径和功能需要小G蛋白这个重要的分子开关来完成，使它越来越成为人们研究的热点问题。但是，有关植物中Ran GTPase及其编码基因的研究工作报道很少，对与之相互作用的调控蛋白研究进展也刚刚开始。 　　TaRAN1 (AF488730) 是小麦来源的Ran同源蛋白编码基因，全长1055 bp, 编码221个氨基酸，它在植物发育过程中的功能还没有任何报道。本论文在验证了它是小G蛋白Ran家族的成员后，从分子水平上还发现它在植物细胞周期调控、对生长素以及胁迫应答信号转导过程中都起着重要作用，这也说明了它可能作为信号转导过程中重要的转换因子，参与了很多细胞的基本生理过程。 　　利用原核表达系统及亲和色谱的方法纯化了TaRAN1融合蛋白，并用放射性标记的GTP和竞争实验证实了它具有特异的GTP结合活性。TaRAN1的转录产物在小麦幼茎和花芽等分生组织活动旺盛的器官表达较多，而在老叶中表达较少。利用洋葱表皮瞬时表达系统分析表现，TaRAN1蛋白主要定位于细胞核，但其没有典型的核定位信号。 　　细胞周期一直是生物学领域中的热门问题，人们虽然在动物细胞中取得了很大进展，但在植物细胞中的研究远落后于动物。裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）是研究细胞形态和细胞周期的良好系统，利用此系统发现超表达TaRAN1的酵母细胞表现出许多新的细胞学表型，例如G2细胞周期延滞、染色体对紫外线敏感、细胞超长或多隔细胞的出现等;反义表达TaRAN1的酵母细胞呈近圆型、具有高度凝集的核并且生长速度缓慢、核质混合和无核细胞的数目明显增加。流式细胞仪检测实验也证实其细胞周期的异常。这些结果推测TaRAN1蛋白可能参与细胞周期的有丝分裂过程和发育的调控机制，并且在维持染色体结构稳定和完整性方面起着重要的作用。通过免疫荧光实验观察表明，超表达转基因酵母的微管多呈异常的狭小扇形结构，反义表达TaRAN1的酵母微管不能形成丝状结构，推测TaRAN1还可能参与微管（包括纺锤体）的结构形成过程。最后，我们用超表达TaRAN1的转基因拟南芥和水稻也证实了它的功能，其生长点表现出分生组织增多的原基、根生长点的有丝分裂指数有所改变、出现异常的细胞分裂时相等有关细胞周期异常的现象，更进一步说明了TaRAN1确实参与着细胞周期的调控过程，推测其与细胞周期从G2期进入M期的过程有关。 　　TaRAN1基因受IAA的诱导表达，且随着浓度的增加表达量增强。超表达的TaRAN1植株（包括拟南芥和水稻）的根表现出对外源生长素异常敏感，侧根显著变少，地上部分表现出生长素过量的表现型，顶端优势减弱，分蘖增多，生长周期延长等。HPLC测定转基因植物的IAA含量，明显高于对照。所以，TaRAN1可能还参与了复杂的生长素信号转导过程。TaRAN1基因还受各种胁迫处理的诱导表达，并且超表达植株对胁迫的忍受能力有明显提高，这说明TaRAN1还参与了胁迫信号应答的相应机制。Ran蛋白这些新功能目前还未见到其它报道。

小麦SKP1同源基因TSK1的克隆和功能分析

SKP1 (S-phase kinase-associated-protein 1) 家族蛋白是普遍存在于真核生物中的一类小分子量蛋白质，其主要的生物学功能在于参与SCF复合体的形成，从而调控生物体内泛素介导的蛋白质降解，并参与多方面的生物发育过程。SKP1蛋白能够同时和Cullin蛋白以及F-box蛋白结合，形成SCF复合体的核心部分。因此，SKP1正常功能的维持对于SCF复合体功能的实现至关重要。研究显示，植物中尤其是以拟南芥为代表模式植物中已经发现了21个SKP1基因成员，并发现其中的ASK1参与了多个SCF复合体的形成并调控着包括植物雄性减数分裂、生长素、赤霉素、茉莉酸和乙烯等生理和发育进程。但是来自高等植物尤其是小麦和水稻中的SKP1基因还鲜有报道，其功能还不为所知;此外，SKP1基因与ABA的关系还没有任何报道。 　　本文利用筛选小麦减数分裂期小花的cDNA文库结合RT-PCR的方法从小麦中分离到了一个SKP1同源基因，并命名为TSK1 (Triticum aestivum SKP1-Like 1)。序列比较结果显示TSK1与多个植物来源的SKP1基因有较高的同源性，对其推测的编码蛋白序列的分析发现TSK1与包括拟南芥来源的ASK1/ASK2等蛋白的羧基端存在非常高的保守性。 　　在对TSK1表达模式的研究中，本文发现TSK1主要是集中在小麦花序和幼根中表达。利用多种激素对小麦幼苗处理之后，发现TSK1的表达受ABA的抑制，但是当小麦中ABA合成受抑的情况下，TSK1的表达会有所增加，说明TSK1的表达受ABA的调控。RNA原位杂交显示TSK1基因在花顶端分生组织、花药以及幼根等分生较旺盛的组织中有较强的表达，暗示该基因可能参与了与细胞分裂相关的过程。 　　为了研究TSK1可能具有的功能，本文首先在ask1-1突变体背景上超表达TSK1，发现能够部分恢复ask1-1突变体雄性不育的表型，说明TSK1和ASK1在植物减数分裂过程中存在某种保守性。 　　在野生型拟南芥中超表达TSK1造成了拟南芥多个方面的变化，包括萌发和开花推迟，气孔开度减小等。进一步的观察发现，转基因植株的萌发和营养生长都呈现出对ABA的超敏感，后续证据证实这种ABA的超敏感性并不是由于转基因拟南芥中ABA合成途径的改变所造成的，而极有可能是影响了ABA的信号传导过程。RT-PCR的结果显示，转基因植株中多个ABA相关的已知基因表达量的发生了变化。 　　为了提供植物中SKP1家族成员参与调节植物ABA信号传导途径证据，本文对拟南芥ASK1/ask1 ASK12/ask2的杂合双突变体自交后代进行了研究。结果显示，ask1/ask1纯合突变体和ask1/ask1 ASK2/ask2植株表现出对ABA的弱敏感性。该结果从另一个侧面印证了TSK1超表达植株对ABA超敏感表型。 　　此外，TSK1超表达拟南芥也表现出生长素相关表型，也印证了该基因可能与ASK1类似，参与到生长素介导的根发育过程。 　　综上所述，本文认为TSK1参与了植物激素介导的植物发育过程，而且极有可能是形成了目前未知的某种SCF复合体。最重要的是，本文的结果为SCF复合体参与调节植物ABA信号传导途径提供了生理及遗传层面的证据。 　　 　　

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。

冬小麦对二氧化碳、臭氧和温度升高的生理生态响应

CO2浓度升高和气候变暖已成为不可逆转的现实，而具有强氧化性的臭氧浓度升高也被认为是全球变化的重要组成部分，已经或将对植被生长产生严重威胁。冬小麦（Triticum aestivum L.）生长发育期内受到环境变化的影响相对较大。小麦是对臭氧最为敏感的作物之一，华北地区冬小麦灌浆期容易发生臭氧污染。本研究以冬小麦为试材，研究了CO2浓度加倍和2oC增温对中国北方不同年代推出的冬小麦品种幼苗生长的效应；研究了不同小麦品种对花后短期臭氧胁迫的反应；分别研究了干旱、增温与臭氧污染对冬小麦旗叶光合和产量的交互影响。研究结果如下： 1) CO2浓度加倍和温度升高加快冬小麦幼苗的生长速率。CO2浓度加倍主要是促进了幼苗的分蘖(+1.54分蘖)，而增温加快了发育进程(主茎叶片数比对照多1叶)。不同品种对CO2浓度加倍和增温的响应存在着差异，但与育种年代没有显著相关关系。从20个品种的总体情况来看，CO2浓度加倍和2.0℃增温对冬小麦幼苗的生长具有叠加效应。生长较慢的冬小麦品种对CO2浓度加倍的反应越大。 2) CO2浓度加倍显著提高了小麦新展开叶的净光合速率（Psat），显著降低了气孔导度（gs）和蒸腾速率（E），从而显著提高了瞬时水分利用效率（ITE），但不同小麦品种对CO2浓度加倍的反应与其育种年代没有明显的相关性；增温对冬小麦叶片Psat的效应不显著，但显著降低了gs，而E显著增大，从而导致ITE显著降低，其中，Psat对增温的反应与品种育种年代呈显著正相关（R=0.525, p<0.05），并与叶片比叶面积（SLA）显著正相关（R=0.45, p<0.001）。CO2浓度加倍和增温同时处理时对Psat、gs和ITE的效应显著大于CO2浓度加倍处理。 3) 冬小麦灌浆初期，短时间的臭氧胁迫对旗叶的同化能力带来了显著的负效应，而且光合性能最大的叶片中部受到的抑制最为严重。同化能力的下降导致最终产量的降低。然而，不同品种对臭氧的敏感性存在着很大差异。臭氧对具有较高收获指数和产量的当代品种-烟农19的效应（-19%，p<0.01）明显大于产量较低的老品种-农大311（-8%，p<0.05），主要表现在叶片可见伤害程度较大，旗叶净光合速率受到的负效应较大，籽粒重量以及穗粒数均显著降低。 4) 短期高浓度臭氧胁迫对处于中度干旱胁迫下的小麦植株产生了可见伤害（<20%），但伤害程度明显低于处于土壤含水量较高的植株(>30%)。短期臭氧处理显著降低了处于较高土壤含水量下的小麦旗叶Psat（-36%），干旱胁迫也显著降低了旗叶Psat（-34%），但臭氧仅使处于中度干旱胁迫下的植株旗叶Psat进一步降低了7.8%。gs的变化趋势与Psat的变化基本一致。臭氧处理结束并复水后，干旱处理植株的Psat与对照基本相同，而臭氧处理过的植株均明显低于对照，其中臭氧处理期间处于良好土壤含水量条件下的植株旗叶Psat显著低于对照，并且随着植株的衰老，其下降的速度明显快于其它处理，表明衰老速度加快。而中度干旱胁迫可减轻臭氧对小麦产量的危害程度。 5) 正常供水条件下，短期臭氧处理结束2天后，小麦旗叶Psat与对照植株的值接近，然而随着时间的延长，Psat下降的速度明显快于对照。臭氧处理结束后，植株若遭受干旱胁迫，旗叶Psat显著低于对照。虽然gs的变化趋势与Psat基本一致，但臭氧处理后光合的降低主要是由非气孔限制因素引起的。旗叶光合能力下降、叶片提前衰老，是臭氧处理导致产量显著降低的主要原因。穗粒数没有显著变化，而千粒重却显著降低。而臭氧处理后若遇干旱胁迫，旗叶的光合能力以及光合有效期进一步减少，导致不育小花数增多，因此籽粒产量进一步减少。 6) 灌浆期臭氧浓度升高显著降低了小麦叶片的光合能力，导致产量显著降低；2oC升温加快了植株的衰老，然而并没有对产量性状产生显著效应；温度和臭氧两因子对旗叶的气体交换参数具有交互效应，但对各产量性状均没有交互效应发生。 综合以上研究结果，不同品种对环境变化的响应存在着显著差异，意味着可以通过育种途径来减轻未来环境变化对农业生产的负面影响；灌浆期臭氧胁迫显著降低冬小麦的产量，环境因子可影响臭氧胁迫效应，但之间的交互作用比较复杂，有待进一步深入研究，以保证未来全球变化环境下的粮食安全。

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。

植物根系、根区微生物对大气CO2浓度倍增的反应及其生态学意

预测下世纪中叶，大气CO_2浓度将高到目前的两倍（即达到700μ1•1~(-1)）。CO_2倍增对植物地上部的影响已经有了较多的研究，胆是由于方法学上的困难，至今关于倍增CO_2对植物根及根区微生物的研究仍是非常匮乏。本文应用国际上最新的根研究方法，以根系为中心，研究开顶式CO_2C熏蒸培养室中，CO_2倍增条件下根系与地上部，根系与根区微生物[共生的泡囊－丛枝菌根（VAM）真菌，非共生的土壤微生物]的关系。 1. CO_2倍增对根系的影响目前CO_2倍增对根系影响的研究多集中在根生物量的测定，或根／冠比值的测定，而善于其它参数如根长度则很少涉及，而根表面的反应目前还未见文献报道。本实验以幼苗期小麦“青323”（Triticum aestivum）、水稻“中作 29”(Oryza sativa)、大豆“科农4号”（Glycine max）、玉米“农大3138”（Zea mays）、甜高粱“M－81E”（Sorghum saccharatum）为材料，研究CO_2倍增对植物生物量的影响，发现CO_2倍增使C_3植物水稻、大豆的地上部、根系干重均显著增加，使小麦的根系干重显著增加，地上部无显著差异;C_4植物玉米和甜高粱的地上部和根系均没有显著反应。植物干重反应资料表明在光合产物的分配方面，C_3和C_4植物之间存在巨大的差异。 为了解根系获取土壤资源的能力的变化，我们对根系总长度和总表面积进行了分析。用样格交叉法研究根系长度的变化，结果显示，幼苗期的小麦、大豆的根系长度均被显著促进，尤其值得注意的是，尽管玉米根系干重没有显著改变，但是根长度已发生显著变化。同时应用研究根系表面积的最新方法－Na NO_2吸附法，研究发现幼苗期小麦、水稻和大豆的根系表面积在CO_2倍增条件下均显著增加，C_4植物玉米的根表面积亦有显著增加，但甜高粱的根表面积却没有显著反应，这说明即使在C_4植物类型中，根系表面积的反应在不同物种间仍存在很大差异。由于根长度和根表面积增幅大于根干重的增幅，所以推断在CO_2倍增条件下，植物根系细根比例增加，这有利于植物获取更多的养分。由于不同植物之间根系的反应不同，这将改变群落中原有的根系竞争关系，从而影响群落中物种的组成。 2. CO_2倍增对VAM真菌侵染强度和活力的影响本文应用NBT染色法，并结合浸染强度等级和活力等级标准，首次对CO_2倍增条件下，植物VAM真菌的侵染强度和活力的变化进行了检测。对比常规的酸性品红乳酸甘油法和NBT法，发现两者在显示侵染强度时元显著差异，但后者能同时用于侵染活力等级的研究。对幼苗期大豆以及不同生长期的小麦和玉米根系VAM真菌的侵染强度和活力进行观测，结果显示，倍增CO_2对大豆的侵染强度和活力均没有显著效应;使幼苗期玉米的侵染强度显著增加，但侵染活力无显著差异，但随生长期的推移，侵染强度所受的CO_2倍增效应逐渐减小，与14天苗龄（DAP）和35DAP相比，侵染活力在22DAP时所受效应最大;使10DAP小麦的VAM侵染强度和活力均显著增加，而且这种效应在30DAP小麦中的表现与10DAP小麦的相同。说明C_3、C_4植物中，菌根真菌对CO_2倍增反应不同，这也许是C_3、C_4植物对CO_2倍增反应不同的原因之一。倍增CO_2改善了VAM真菌的发育，所以较之于非菌根侵染植物，菌根侵染植物将因为CO_2倍增而获益更多，另一方面不同种植物中，VAM真菌的发育反应不同，这将使植物群落中，根系获取无机营养的竞争能力发生变化，最终影响植物群落的物种丰度和生物多样性以及群落的演替。 3. CO_2倍增对非共生土壤微生物的影响CO_2倍增使生长70天的小麦、垂柳（Salix babylonica）、藜(Chenopodium album)、繁穗苋（Amaranthus cruentus）品种“红苋K112”的地上部和根系的生物量增加。以这些植物所在土壤为材料，用氯仿熏蒸直接提取法研究土壤微生物生物量C（C_(mic)）和生物量N（N_(mic)）的变化，发现CO_2倍增尽管使各类型植物的C_4植物）土壤中C_(mic)的变化趋势不完全相同（小麦和藜所在土壤的C_(mic)下降，垂柳中C_(mic)升高，而在繁穗苋中无显著差异），但N_(mic)在各物种所在土壤中均有不同程度的上升，在繁穗苋中增幅最大。C_(mic):N_(mic)比值在4个物种所在土壤中均明显下降，这意味着CO_2倍增后在植物生长后期，土壤微生物活性提高，分解植物凋落物和土壤中其它有机质的能力加强，从而改善贫瘠土壤中有机质质量。 4.CO_2倍增对植物呼吸和光合作用及C素积累的影响 1）CO_2倍增对植物暗呼吸的影响：以杜仲（Eucommia ulmoides）、紫花苜蓿(Medicago sativa)和玉米等10种植物的离体成熟叶片或整株为材料，研究不同测定温度（15～35 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸的影响。结果表明：在较低温度（15 ℃、20 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸没有显著效应;在较高温度（30 ℃、35 ℃）时，多数被测植物的暗呼吸显著增强。由于植物在不同温度时它们的暗咱吸受CO_2倍增的促进幅度不同，这将导致不同地区（环境温度不同）的植物暗呼吸反应有差异，而且由于不同物种的暗呼吸增幅不同，综合光合效应，它们的生物量的反应也会不同。 2）CO_2倍增对整株植物的CO_2气体交换及植物C素积累的影响：利用自行设计的一套CO_2气体测定装置，首次尝试同步测定CO_2倍增条件下幼苗期小麦地下部和地上部的气体交换在昼夜24小时内的变化及C素的积累。发现CO_2倍增不仅使小麦地上部C素的积累增加，也使地下部释放的C素增加，但整株植物的C素收入仍高于对照两倍多，这从植物与环境的CO_2气体交换角度为CO_2倍增促进植物生物量的增加提供了依据。并首次提出：植物的整体性及植物所在的环境条件（主要是温度和光照强度）决定着植物暗呼吸对CO_2倍增的响应方式：被抑制或无效应。