白杄体细胞胚胎发生及其植株再生的研究

本文以白杄的合子胚为材料，建立了体细胞胚胎发生及其植株再生系统．通过对影响体细胞胚胎发生的主要因素的系统研究，实现了体细胞胚的高频率发生。运用扫描电镜、整体染色封片及石蜡切片等方法全面观察了体细胞胚胎发生过程中的形态学、细胞学及组织化学变化。建立了胚性细胞悬浮系，测定了几个重要生长参数的变化动态，优化了体细胞胚的液体培养条件。采用垂直平板聚丙烯酰胺电泳方法分析了体细胞胚胎发生过程中三种同工酶的变化。通过压片法观察了长期继代过程中胚性愈伤组织细胞及其再生植株根尖细胞染色体数目的变化。具体结果如下： 合子胚在4-6 ℃低温条件下保存1~3个月后，接种于LP+2mg/L2.4-D+lmg/L 6-BA的培养基上，黑暗条件下培养1个月后，产生浅黄色、褐色和白色半透明三种愈伤组织，其中白色半透明愈伤组织是胚性愈伤组织。黑暗中胚性愈伤组织在MS+lmg/L 2，4-D+lmg/L KT的继代培养基上可保持旺盛的增殖能力和分化潜力。当胚性愈伤组织转到MS+5mg/L ABA+50g/L PEG+5mg/L AgN03的分化培养基上，1个月后可产生大量正常的子叶期成熟体细胞胚。成熟体细胞胚在相对湿度为75%的条件下干化20天后，转到含0.5%活性炭的无激素1/2MS基本培养基上，约40天后长出1.5—2.5cm的根，约60天后长出真叶。光，ABA、蔗糖、AgN03 PEG浓度是影响体细胞胚胎发生的主要因素。 在相同的培养条件下，以新产生的子叶期体细胞胚为外植体，也可诱导体细胞胚胎发生。 胚性愈伤组织起源于合子胚子叶和下胚轴的表皮及表皮下的一些细胞。胚性愈伤组织中的一些单个胚性细胞经过第一次分裂产生两个细胞，即胚细胞和胚柄细胞，它们继续进行分裂几次以后形成胚性胚柄团结构。胚性胚柄团在分化培养基上可发育为成熟的子叶期胚。体细胞胚的成熟过程大致可分四个时期：胚性胚柄团、球形胚至鱼雷形胚、子叶前期胚和子叶期成熟胚。通过PAS反应研究后发现，在体细胞胚发育过程中，淀粉粒在胚性胚柄团时期开始积累，至心形胚时期达到积累高峰，子叶胚时期仅在器官原基及其附近细胞肉有淀粉粒分布。结果表明，淀粉是体细胞胚胎发生的一种重要能量来源。 在初始细胞密度为3.O%（鲜重）、摇床转速为150r/min的条件下，用与固体培养基成分相似的液体培养基对胚性愈伤组织进行悬浮培养，胚性愈伤组织的生长率大大提高。在悬浮培养过程中，培养物的鲜重、干重、紧实细胞体积及胚性胚柄团数目依次在6～10天内达到高峰。培养液的pH值和电导率分别在6—8天达到最低点。 胚性和非胚性愈伤组织的三种同工酶酶谱都明显不同;胚性愈伤组织的过氧化物酶和酸性磷酸酯酶活性较高，而非胚性愈伤组织的酯酶活性较高。体细胞胚发育过程中，三种同工酶酶谱都呈规律性变化;j活性都有逐渐增强的趋势，但酸性磷酸酯酶活性到了最后时期又突然下降。 胚性愈伤组织经过长期继代后，生长率和分化能力没有明显变化，但有些细胞内染色体数目发生了无规律的变化( 2n=7—24，2n>28)，而再生植株根尖细胞染色体数目比较稳定( 2n=28).

白扦的树木年轮生态学研究

树木年轮生态学是利用树木年轮来评价生态环境及其变化的学科，其基本依据是系列年轮宽度和结构特征的变化。一般情况下，半干旱草原的环境条件不适宜树木的生长，但在我国内蒙古锡林河流域的草原沙地上，存留着一片天然白扦林，它们被认为是第四纪早期的残遗植被。鉴于锡林河流域半干旱的环境条件已接近白扦的生存界限，此片残遗白扦林可认为是进行树木年轮生态学研究的理想材料。 本文应用树木年轮生态学的方法，结合木材解剖、气候资料、历史文献记录等，研究了这片残遗白扦林中白扦的生长与环境、年龄结构与环境干扰事件、白扦年轮宽度与羊草地上生物量的关系，以及全球变暖可能对该白扦林的影响等。主要结果归纳如下： 1)依据国际树木年轮库的标准，建立了65年的白扦标准年轮年表。年表的平均序列相关系数为0.47，信噪比为14.44，平均敏感度为0.18。白扦的年轮宽度年表与上年9月、当年2、5月份的降雨量之间存在显著的正相关关系。 2)通过对白扦年轮结构的观察确认，1966、1968、1972年存在高频率的窄年轮，这些年轮通常仅有两至三层晚材细胞，因此可以认为它是一类特殊的树木年轮一浅轮。 　3)白扦的年轮分析结果显示，锡林河流域的小片白扦林可能形成于20世纪20年代末至30年代初期。白扦年表( XLPI)与大青山(HHT)油松、准格尔旗(JGB)油松以及白云敖包(BYAB)红杆云杉年表之间存在显著的正相关关系;尤其值得提出的是，在20世纪20年代，HHT、JGB和BYAB年表都同时出现明显的生长下降现象。 　4)根据相关函数的分析，羊草的生长对当年5月份、7-8月份的降雨量较为敏感，与白扦的年轮宽度之间也存在两组显著的生长关系。基于这两种生长关系和白扦年轮宽度序列，本文重建了1955-1994年的羊草地上生物量动态。 5)当地气象资料显示，近40年来锡林河流域的年平均温度和各季节平均温度都呈增加的趋势，但只有夏季平均温度与白扦的年轮宽度之间存在显著的负相关关系。本文研究也发现白扦的生长与5月份的平均温度、平均最高温度以及5、6月份的极端最高温度之间存在着显著的负相关关系。 白扦标准年轮年表的统计特征表明，锡林河流域残遗白扦年轮序列包含丰富的环境信息，适合于树木年轮生态学的研究。白扦5月份开始生长，此时的降雨是最显著的生长限制因子，从而造成了白扦年轮年表与5月份降雨量之间的显著正相关关系。8-10月份，锡林河流域的降雨为全年降雨量的1/3，由于沙地土壤可以减少地面径流和有效防止土壤水分蒸发，所以此阶段内的降雨能存留在沙地内，以供笠年白扦生长发育的需要。因此，这种降雨分布和沙地基质的特征可能是白扦在年蒸发量为降雨量4-5倍的锡林河流域仍能正常生长的主要原因。 1966、1968和1972年浅轮的出现与前年和当年的特殊气候有关。气候资料的分析表明，这三年的上年生长季末至当年生长季都干旱少雨，并且生长季后期伴随着异常高温天气，这种干旱伴随高温的气候特点是造成白扦浅轮的主要因素。因此，白扦浅轮与亚北极区针叶树浅轮的发生机理是完全不同的，为迸一步研究浅轮的形成机制提供了新线索。 白扦年表与HHT、JGB和BYAB年表之间的年轮宽度变化的同步性显示，这些年表能间接地反映30年代以前造成白扦林较小年龄结构的环境干扰事件，降雨是华北半干旱区树木最突出的生长限制因子，在20世纪20年代，HHT、JGB和BYAB年表同时出现的生长下降，反映了该时期华北地区可能发生了大范围的旱灾，这一结论也为历史资料所证明。20年代白扦林的消失以及30年代后这片天然白扦林的重新出现表明了，20年代的旱灾可能是影响白扦年龄结构的主要干扰事件，它还有可能是造成白扦成片死亡的直接原因。 在锡林河流域，7-8月份是降雨最充沛的时期。相关分析表明，建群种羊草能充分利用这一水热配比最佳的时期快速生长，但白扦对当年7-8月份的降雨反应却不敏感，而与上年8-10月份的降雨量之间有显著的正相关关系。这些都证明白扦和羊草对半干旱草原环境具有不同的适应方式。羊草地上生物量与白扦年轮宽度之间的两组显著的关系可归结于两种季节降雨分配模式，它为利用白扦年轮宽度重建羊草的地上生物量的变化奠定了基础。羊草产量的重建不仅延长了锡林河流域草产量的记录，而且还开拓了用年轮宽度重建草产量的方法。 白扦年表与温度变量之间的相关分析进一步表明，不同季节温度的升高对白扦的生长产生不同的影响，尤其是夏季温度的变化，可以直接影响白扦的生长。白扦年表与5月份温度资料之间的相关分析还揭示，用月平均最高和最低温度来替代月平均温度更能说明温度变化对树木生长的影响。5、6月份是锡林河流域白扦形成层活动较旺盛的时期，因此，这期间极端高温严重影响白扦的生长。近40年来，随着大气温度的升高，白扦受到日益严重的干旱胁迫影响。如果大气变暖的趋势继续发展下去，最终将有可能导致这片残遗白扦林从锡林河流域消失

白杄花粉管胞吞/胞吐动态及其与细胞壁构建的关系

在有花植物受精过程中，具有顶端极性生长特性的花粉管是雄性生殖单位的载体，同时也是研究细胞生长分子调控机理的理想体系。与被子植物相比，裸子植物花粉具有萌发时间长、花粉管生长缓慢等特点。对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的机理，目前人们尚不十分清楚。本文将以裸子植物白杄（Picea meyeri）花粉为材料，应用不同浓度的分泌系统干扰剂Brefeldin A处理，并通过细胞学和生理生化方法，其中包括普通光学显微镜、荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、显微红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）等技术，对其花粉萌发和花粉管生长过程中胞吞胞吐的调控，以及与细胞壁建成的关系等进行较为系统的研究，旨在为进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机理提供参考。 首先比较观察了各种细胞器在白杄与被子植物花粉管中的分布差异。经FM4-64探针标记结果表明，在正常生长的白杄花粉管顶端存在分泌小泡积累的透明区，但与被子植物比较起来，此透明区在花粉管中所占比例较小，且不呈倒“V”字型。在透射电镜下观察发现，其花粉管顶端透明区内分泌小泡的分布密度远低于被子植物。另外，在白杄花粉管中，线粒体的分布一般靠近细胞壁的地方，高尔基体分布较为分散，而内质网的分布则不具方向性。 其次，研究了BFA对白杄花粉萌发和花粉管生长的影响，特别是对其花粉管生长过程中的胞吐/胞吞作用。通常在正常生长的白杄花粉管中，用FM4-64标记后发现，在其顶端形成与透明区对应的荧光亮区;超微结构显示，在花粉管顶端进行旺盛的胞吐作用，许多分泌小泡正与质膜融合，以及分布有大量显示高分泌活性的壁旁体（PB）等。而经过BFA处理后，花粉的萌发和花粉管的生长均受到严重抑制，花粉管出现了弯曲（波状生长）或顶端膨大等异常形态，同时还干扰了FM4-64在花粉管顶端的标记模式。另外，花粉管顶端分泌小泡数量减少，透明区内充满线粒体、高尔基体和空泡等一些大的细胞器，壁旁体也随之消失，其中高尔基体呈现解体或弯曲的异常形态，在其周围的分泌小泡数量大大减少，内质网出现膨胀和核糖体脱落等;同时胞吐活性标志性酶——酸性磷酸酶的活性也随之降低。通过对FM4-64的染料吸收实验表明，BFA对胞吞有明显的促进作用。由上可见，BFA对白杄花粉管生长过程中的胞吐和胞吞作用起了相反的影响， BFA正是通过扰乱花粉管生长过程中的分泌途径来抑制其花粉管的生长。 最后，检测了白杄花粉管分泌途径紊乱后，管壁物质合成的变化情况。通过FTIR光谱分析表明，BFA处理后花粉管壁化学组分发生了变化，例如蛋白质和多糖含量明显减少，而且与蛋白比较起来，多糖的含量下降更为明显，尤其是在顶端。蛋白和多糖含量的下降导致花粉管壁的组成结构不够致密。由SDS-PAGE的结果显示， BFA抑制后，花粉管壁中糖蛋白的含量下降了60%，同时很多壁蛋白条带在BFA处理后不表达或含量减少。通过对花粉管壁多糖成分的研究表明，BFA处理还导致纤维素含量下降，而胼胝质在花粉管顶端积累。用识别AGPs的LM6和识别酸性果胶的JIM5对花粉管进行标记，发现BFA处理后AGPs的环状分布消失，酸性果胶质在顶端的含量也明显减少，但在胞质内却形成一些小的分隔亮点（compartments）。 综上所述，导致裸子植物白杄花粉管生长缓慢的原因，可能与其顶端透明区较小、分泌小泡数量少等有关。另外，从白杄花粉管的细胞质状态和细胞器分布上看，虽然与被子植物相比差异较大，但在其正常生长中仍能进行旺盛地胞吐和胞吞过程。经BFA处理后引起花粉管内分泌系统的紊乱，致使管壁物质不能正常合成，从而导致花粉管的停滞生长。

白杄花粉管微丝骨架介导信号传导的蛋白质组学研究

在高等植物有性生殖过程中，花粉管作为运输精子到胚珠的载体，它的生长具有高度极性化，并且要依赖于微丝。由于花粉管本身所具的特性，它已经成为研究细胞相互识别、胞内和胞外信号的模式系统。本文为了研究微丝在白杄（Picea meyeri Rehd. et Wils.）花粉管生长中的作用，我们应用不同浓度的微丝聚合抑制剂Latrunculin B (LATB) 处理花粉管，并通过激光共聚焦显微镜观察微丝聚合状态的动态变化。结果发现，在低浓度下的LATB能使花粉管中的微丝严重解聚，且抑制其顶端生长。 我们进一步利用蛋白质组学的手段，分析了白杄花粉管微丝解聚后蛋白质的表达图谱。通过双向电泳分离出500个左右考马斯亮兰染色的蛋白质斑点，经过软件分析发现，其中大部分蛋白质的表达量未发生变化，而只有110个蛋白斑点有较大变化。将这些蛋白斑点从胶上切下酶解后用于质谱鉴定，最终鉴定出35个蛋白，其中有18个为上调蛋白，17个下调蛋白。根据其主要功能，通常可分为碳水化合物代谢、胁迫反应、信号和细胞扩展等几类。我们发现由于微丝解聚引起的能量代谢水平降低，可能与依赖于信号传导的微丝重组过程相关。此外，当LATB浓度增加到50 nM时，与细胞壁多糖合成相关的两个蛋白，如reversibly glycosylated polypeptide和type IIIa membrane protein cp-wap13几乎不表达，这说明当微丝聚合完全被抑制后，依赖于微丝的分泌系统也受到影响，从而引起相应蛋白质变化，最终导致细胞壁成分合成的减少。细胞骨架蛋白actin的下调，进一步说明微丝在花粉管生长过程中起着提供或支持的一种机制，也就是能调节信号介导的花粉管生长，并使其在特定的时期到达特定的部位，从而完成植物的受精作用。

三氟拉嗪抑制钙-钙调素对白杄花粉管生长的调节

花粉管是种子植物受精过程中雄性生殖单位的载体，具有典型的极性顶端生长模式，因此成为研究细胞极性生长机理的理想模式体系。本研究以裸子植物白杄（Picea meyeri Rehd.et Wils）花粉为材料，并以对花粉萌发和花粉管生长起关键作用的Ca2+作为切入点，分析钙-钙调素在花粉萌发及花粉管极性生长中的作用，同时也为进一步探讨它们在其他植物细胞中的作用机理研究提供重要参考。 通过细胞化学定位证明，白杄花粉中含有丰富的游离钙离子和钙调素，在花粉管顶端呈现明显的梯度分布;钙调素特异拮抗剂三氟拉嗪（trifluoperazine，简称TFP）可以在钙离子存在的情况下与钙调素特异性结合，从而抑制钙-钙调素复合物对下游效应蛋白的激活。微摩尔浓度的TFP明显抑制白杄花粉萌发以及花粉管的生长，并导致大部分花粉管畸形生长。TFP处理后的花粉管（约80%以上）中游离钙离子梯度消失或梯度不明显，由此说明钙调素参与花粉管顶端游离钙离子梯度的维持。抑制剂处理显著影响钙调素在花粉管顶端的梯度分布模式，梯度落差明显减小。 应用鬼笔环肽标记花粉管微丝骨架表明，正常生长的花粉管中微丝骨架沿花粉管长轴平行的方向呈网络状分布，但是在花粉管顶端仅有杂乱的微丝片断分布;低浓度TFP处理之后，微丝骨架分布的方向性丧失并开始卷曲，花粉管顶端的微丝片断消失，高浓度TFP处理之后微丝骨架完全断裂，聚集成短粗的束状。FM4-64标记花粉管后发现，经TFP处理的花粉管顶端胞吞速度明显加快，最终染料集中分布在紧贴质膜下很小的区域内，同时胞吞过程加快主要表现在染料进入花粉管细胞的速度加快，而随后染料在细胞内的扩散速度并无明显变化。以酸性磷酸酶为标志的胞吐活性也显著下降。通过MitoTracker染色发现，TFP处理之后花粉管中线粒体的形态和分布都发生了显著变化;在电子显微镜下观察显示，抑制剂处理的花粉管中液泡化现象严重，线粒体膨大变形，其内嵴的结构遭到严重破坏，同时高尔基体和内质网的形态也都发生了不同程度的异常变化，另外线粒体和液泡还出现了类似于自体吞噬的现象。 在荧光显微镜下观察发现，在标准培养基中培养的花粉管经苯胺兰染色后，胼胝质分布于整根花粉管侧壁上，而顶端区域胼胝质分布却很少或不存在。但经TFP处理之后，在花粉管细胞壁的个别区域有胼胝质大量沉积，同时在花粉管中还出现能被苯胺兰特异染色的许多颗粒状物质。此时花粉管顶端细胞壁中的纤维素含量明显减少。以单克隆抗体JIM5、JIM7标记果胶质，在激光扫描共聚焦显微镜下观察发现，标准培养基中培养的花粉管，酸性果胶质分布于整根花粉管的侧壁中，但在其顶端的含量很低或不存在，与此相反，酯化果胶质只分布在花粉管的顶端;而经TFP处理的花粉管中，酸性果胶质均匀分布于花粉管细胞壁上，酯化果胶质仅出现在花粉管基部的细胞壁中。单克隆抗体LM2和LM6标记结果显示，正常生长的花粉管细胞壁中AGPs呈周期性的环状分布，TFP处理后AGPs仅仅分布在花粉管基部的细胞壁中。SDS-PAGE电泳分析显示，抑制剂处理之后花粉管细胞壁蛋白的表达也发生明显变化。由FT-IR分析进一步证实了上述两种果胶质及纤维素在花粉管顶端细胞壁中相对含量的变化趋势。 利用双向电泳技术分离花粉管全蛋白，结果发现正常生长和TFP处理后的花粉管的大部分蛋白斑点都处于pI 4-8以及分子量在14-97 KD的范围内，主要是一些中等分子量大小、微酸性和中性的蛋白类群。由软件分析显示，除其中76个蛋白外，大部分蛋白质的表达并未发生变化。将上述76个表达量发生变化的差异蛋白进行胶内酶解，并经ESI-MS/MS分析鉴定，以及质谱数据库搜索，最终鉴定出57个蛋白，其中23个表达量上调，其余34个表达量下调。根据其生物学功能可以分为碳水化合物及能量代谢、胁迫及防御反应、细胞扩展、信号转导等功能蛋白类群。经TFP处理后，花粉管中碳水化合物及能量代谢过程整体水平下降，氧化磷酸化水平减低，但是丙酮酸脱羧酶旁路代谢水平却略有上升。由此暗示，花粉管在生长停滞的环境条件下，该途径可作为能量供应的替代机制;参与转一碳单位反应的蛋白表达量普遍上调，参与细胞延展（如细胞骨架重构、细胞壁多糖合成）的蛋白表达量下调，此项研究结果与上述的细胞生物学分析结论基本一致。 综上所述，当钙调素蛋白功能受到抑制后，顶端游离钙离子浓度梯度消失同时胞质钙离子浓度显著升高;细胞代谢水平（糖酵解和三羧酸酸循环）整体下降，而可能通过丙酮酸脱羧酶旁路来维持最低限度的能量供应;同时花粉管微丝骨架发生解聚，花粉管细胞壁组成成分合成水平下降，细胞延展相关的能力减弱，最终导致花粉管生长的停滞。钙-钙调素信号存在于白杄花粉萌发和花粉管生长这一特定的细胞生物学事件中，并参与花粉管顶端游离钙离子梯度的维持和定向生长。

脂筏极化参与活性氧介导的白杄花粉管顶端生长

质膜上存在一种富含甾醇物质的液相有序膜脂微区，被称作脂筏 (lipid rafts或lipid microdomains)。这种小的膜微区可以通过在质膜上的侧向移动，聚集形成较大的片状结构，而与微区相关联的蛋白可以通过脂筏的这种聚合作用而凝聚分布于特定的亚细胞结构上。脂筏区域在真菌和动物质膜上具极性分布，并参与细胞的极性形态建成和运动。最近，通过生物化学研究证实，脂筏也存在于植物细胞，然而迄今为止，脂筏与植物细胞极性生长相关联的直接功能证据尚未见报道。 NADPH氧化酶 (NOX，在植物中又称为 Rboh) 产生的活性氧 (Reactive oxygen species, ROS) 可能是调控植物细胞（包括花粉管、根毛和墨角藻合子等）极性生长的通用信号机制。花粉管作为研究细胞极性控制的一种理想模式系统，已被许多信号转导调控研究所采用。在本研究中，我们使用一种能螯合甾醇类物质的多烯类抗生素filipin破坏脂筏结构，以探讨脂筏极化对ROS介导的白杄花粉管极性生长的作用。 我们首次在白杄 (Picea meyeri) 花粉管上应用一种全新的苯乙烯基染料di-4-ANEPPDHQ，成功地在活体细胞上观察到脂筏在花粉管生长顶端的极性分布模式。通过脂筏和甾醇在质膜上的相似定位清楚表明：在花粉管极性生长过程中，存在富含甾醇类物质的质膜微区在花粉管生长顶端的极化现象。 氮蓝四唑（NBT）的还原和二氯二氢荧光素（H2DCF）的氧化均显示，在活跃生长的花粉管顶端区域存在一个以顶端为基底的陡峭ROS梯度，从而进一步验证了ROS在细胞极性生长过程中的信号作用。此外，我们还发现在生长花粉管的亚顶端位置有另一类性质的活性氧组分存在，该ROS组分与线粒体的能量代谢相关。研究结果首次揭示，在快速生长的花粉管中同时存在两类性质不同的ROS组分。 ROS是一种寿命很短而且容易扩散的分子，NADPH氧化酶产生的ROS信号在细胞伸长位点的准确定位是调控极性生长的必要条件。免疫共定位实验显示，NOX成簇极化分布于花粉管的生长顶端。使用filipin进行甾醇的螯合会破坏膜的异质性，干扰NOX簇在生长顶端的定位，减少了顶端的ROS形成，消弱了胞质Ca2+ 浓度梯度，进而抑制了花粉管的顶端生长。 在纯化质膜的基础上，我们使用Triton去垢剂处理结合Optiprep密度梯度离心，分离纯化了抗去垢剂抽提的质膜微区 (Detergent-resistant microdomains, DRMs)。通过免疫印迹分析证实，NADPH氧化酶部分地存在于DRMs中。非变性胶活性实验证明，该酶需要脂筏定位来保持酶活性。因此我们认为，在正常的细胞极性生长中，脂筏招募并运载NADPH氧化酶到花粉管的生长顶端，并为NOX及其活性亚基的有效互作提供了适宜的微环境，由此保证了NOX蛋白产生ROS的较高酶活性，进而维持花粉管的极性顶端生长。 总之，甾醇螯合对白杄花粉管生长影响的研究，为脂筏极化在花粉管极性生长中的作用提供了证据。基于以上生物化学和细胞生物学的结果，我们针对花粉管中富含甾醇的脂筏微区和NOX功能之间的联系，提出了一种假说模式：(1) 植物细胞质膜上的脂筏为信号分子ROS在特定位点的聚集提供了物理载体；(2) 脂筏的完整性和甾醇依赖性对NOX的定位和活性是必要的，并为花粉管细胞极性产生和维持所必需。上述研究结果表明，脂筏在花粉管顶端的极化，以及作为关键生长因子的NOX在质膜脂筏中的定位，对花粉管的高度极性生长具有重要作用。

Conifer defence against insects: microarray gene expression profiling of Sitka spruce (Picea sitchensis) induced by mechanical wounding or feeding by spruce budworms (Choristoneura occidentalis) or white pine weevils (Pissodes strobi) reveals large

Conifers are resistant to attack from a large number of potential herbivores or pathogens. Previous molecular and biochemical characterization of selected conifer defence systems support a model of multigenic, constitutive and induced defences that act on invading insects via physical, chemical, biochemical or ecological (multitrophic) mechanisms. However, the genomic foundation of the complex defence and resistance mechanisms of conifers is largely unknown. As part of a genomics strategy to characterize inducible defences and possible resistance mechanisms of conifers against insect herbivory, we developed a cDNA microarray building upon a new spruce (Picea spp.) expressed sequence tag resource. This first-generation spruce cDNA microarray contains 9720 cDNA elements representing c. 5500 unique genes. We used this array to monitor gene expression in Sitka spruce (Picea sitchensis) bark in response to herbivory by white pine weevils (Pissodes strobi, Curculionidae) or wounding, and in young shoot tips in response to western spruce budworm (Choristoneura occidentalis, Lepidopterae) feeding. Weevils are stem-boring insects that feed on phloem, while budworms are foliage feeding larvae that consume needles and young shoot tips. Both insect species and wounding treatment caused substantial changes of the host plant transcriptome detected in each case by differential gene expression of several thousand array elements at 1 or 2 d after the onset of treatment. Overall, there was considerable overlap among differentially expressed gene sets from these three stress treatments. Functional classification of the induced transcripts revealed genes with roles in general plant defence, octadecanoid and ethylene signalling, transport, secondary metabolism, and transcriptional regulation. Several genes involved in primary metabolic processes such as photosynthesis were down-regulated upon insect feeding or wounding, fitting with the concept of dynamic resource allocation in plant defence. Refined expression analysis using gene-specific primers and real-time PCR for selected transcripts was in agreement with microarray results for most genes tested. This study provides the first large-scale survey of insect-induced defence transcripts in a gymnosperm and provides a platform for functional investigation of plant-insect interactions in spruce. Induction of spruce genes of octadecanoid and ethylene signalling, terpenoid biosynthesis, and phenolic secondary metabolism are discussed in more detail.

The structure of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) stems in relation to wood properties of sawn timber

An important challenge in forest industry is to get the appropriate raw material out from the forests to the wood processing industry. Growth and stem reconstruction simulators are therefore increasingly integrated in industrial conversion simulators, for linking the properties of wooden products to the three-dimensional structure of stems and their growing conditions. Static simulators predict the wood properties from stem dimensions at the end of a growth simulation period, whereas in dynamic approaches, the structural components, e.g. branches, are incremented along with the growth processes. The dynamic approach can be applied to stem reconstruction by predicting the three-dimensional stem structure from external tree variables (i.e. age, height) as a result of growth to the current state. In this study, a dynamic growth simulator, PipeQual, and a stem reconstruction simulator, RetroSTEM, are adapted to Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) to predict the three-dimensional structure of stems (tapers, branchiness, wood basic density) over time such that both simulators can be integrated in a sawing simulator. The parameterisation of the PipeQual and RetroSTEM simulators for Norway spruce relied on the theoretically based description of tree structure developing in the growth process and following certain conservative structural regularities while allowing for plasticity in the crown development. The crown expressed both regularity and plasticity in its development, as the vertical foliage density peaked regularly at about 5 m from the stem apex, varying below that with tree age and dominance position (Study I). Conservative stem structure was characterized in terms of (1) the pipe ratios between foliage mass and branch and stem cross-sectional areas at crown base, (2) the allometric relationship between foliage mass and crown length, (3) mean branch length relative to crown length and (4) form coefficients in branches and stem (Study II). The pipe ratio between branch and stem cross-sectional area at crown base, and mean branch length relative to the crown length may differ in trees before and after canopy closure, but the variation should be further analysed in stands of different ages and densities with varying site fertilities and climates. The predictions of the PipeQual and RetroSTEM simulators were evaluated by comparing the simulated values to measured ones (Study III, IV). Both simulators predicted stem taper and branch diameter at the individual tree level with a small bias. RetroSTEM predictions of wood density were accurate. For focusing on even more accurate predictions of stem diameters and branchiness along the stem, both simulators should be further improved by revising the following aspects in the simulators: the relationship between foliage and stem sapwood area in the upper stem, the error source in branch sizes, the crown base development and the height growth models in RetroSTEM. In Study V, the RetroSTEM simulator was integrated in the InnoSIM sawing simulator, and according to the pilot simulations, this turned out to be an efficient tool for readily producing stand scale information about stem sizes and structure when approximating the available assortments of wood products.

Fuel conditions and fire behavior characteristics of managed Picea abies and Pinus sylvestris forests in Finland

The objectives of this study were to analyze the impact of structural stand characteristics on ignition potential, surface fuel moisture, and fire behavior in Pinus sylvestris L. and Picea abies (L.) Karst stands in Finland and to explain stand-specific fire danger using the Canadian Fire Weather Index System and the Finnish Fire Risk Index. Additionally, the study analyzes the relationship between observed fire activity and fire weather indices at different stages of growing season. Field experiments were carried out in Pinus sylvestris or Picea abies dominated stands during fire seasons 2001 and 2002. Observations on ignition potential, fuel moisture, and fire behavior were analyzed in relation to stand structure and the outputs of the Finnish and Canadian fire weather indices. Seasonal patterns of fire activity were examined based on national fire statistics 1996 2003, effective temperature sum, and the fire weather indices. Point fire ignition potential was highest in Pinus clear-cuts and lowest in closed Picea stands. Moss-dominated surface fuels were driest in clear-cut and sapling stage stands and presented the highest moisture content under closed Picea canopy. Pinus sylvestris stands carried fire under a wide range of fire weather conditions under which Picea abies stands failed to sustain fire. In the national fire records, the daily number of reported ignitions presented its highest value during late fire season whereas the daily area burned peaked most substantially during early season. The fire weather indices correlated significantly with ignition potential and fuel moisture but were unable to explain fire behavior in the experimental fires. During the initial and final stages of the growing season, fire activity was disconnected from weather-based fire danger ratings. Information on stand structure and season stage would benefit the assessment of fire danger in Finnish forest landscape for fire suppression and controlled burning purposes.