[CO2]升高对粮食作物影响的研究进展

自工业革命以来,由人类活动引起的大气CO_2浓度([CO_2])不断攀升,正驱动着全球气候变化,对全球农业产生重大影响。本文归纳总结了目前作物对高[CO_2]响应的主要研究技术手段,以及作物对高[CO_2]响应的机理研究,并进一步梳理了当前全球关于[CO_2]升高对作物产量和营养品质影响的研究。结果表明:相比封闭式或半封闭式环境控制试验系统,开放式试验系统(如开放式CO_2控制系统FACE)由于其能更加真实地模拟自然条件下作物对未来高[CO_2]的响应和适应情况,被公认为是目前研究作物对高[CO_2]响应的最理想手段。[CO_2]增高会增加C3作物光合速率、生物量和产量,在一定程度上缓解气候变化对农作物产生的负面影响,但是作物对大气[CO_2]的升高存在光合适应现象,当作物长期暴露在高[CO_2]条件下时,高[CO_2]对作物的促进作用会逐渐减缓。近10年的FACE试验发现,对高[CO_2]出现高应答的水稻品种,其光合速率和产量在高[CO_2]下的增加幅度比早期的主要粮食作物FACE试验结果平均高出两倍。此外,高[CO_2]会明显降低大部分非豆科C3作物中蛋白质和矿物质(如锌、铁)以及部分维生素的含量,加剧目前全球约2亿人由于维生素和矿物质元素等营养缺乏导致的健康问题。如何充分利用未来高[CO_2]实现高增产的同时,减缓粮食养分下降的负面影响,是迫切需要解决的科学问题。     

围垦对滨海稻田土壤N2O还原潜力的影响

稻田湿地生态系统的N₂O还原消耗潜力对缓解大气温室气体效应具有重要意义，而滨海自然湿地围垦改造成稻田后耕层土壤的N₂O还原速率及其微生物机制却鲜有报道。选取崇明岛光滩湿地为对照（WK0），比较研究不同围垦年限（19、27、51、86 a）的围垦区稻田耕作层土壤N₂O还原速率演替规律及其微生物数量变异特征。结果表明，土壤总有机碳含量（TOC）随围垦年限增长而显著增加，而土壤pH值、SO₄^2-浓度和EC值则均随围垦年限增长而呈逐渐下降趋势。土壤N₂O还原速率随围垦年限增长而显著增加，其中围垦86 a稻田土壤达到25.5 μg N₂O·g^-1·d^-1，与光滩湿地相比增加了58.4%。定量PCR结果发现，功能基因nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ拷贝数也随着围垦年限增长而显著增加，其中围垦86 a的稻田土壤功能基因分别为1.72×10⁸ copies·g^-1和4.36×10⁸ copies· g^-1，比光滩湿地稻田高出一个数量级。相关性分析发现土壤N₂O还原速率与功能基因nosZ Ⅰ拷贝数呈显著正相关，而功能基因nosZ Ⅱ拷贝数随围垦年限的增加率远高于功能基因nosZ Ⅰ；N₂O还原速率、功能基因nosZ Ⅰ、nosZ Ⅱ拷贝数与3个土壤理化指标（pH、EC、SO₄^2-）均呈负相关。因此，围垦造田促进了滨海湿地土壤N₂O还原过程，而功能基因nosZ Ⅰ数量的大幅增加是N₂O还原速率增加的重要原因。     

土壤中毒死蜱及主要代谢产物的降解与生态风险

为探讨施用农药毒死蜱后土壤中毒死蜱及其主要降解产物3，5，6-三氯吡啶-2-酚（TCP）污染分布特征，评估农田土壤环境中毒死蜱及TCP的环境风险，以玉米、小麦和大豆3种作物农田为研究对象，开展旱地农田田间试验。通过对施用后不同时间农田土壤中毒死蜱浓度检测发现，土壤中毒死蜱均在前期消解较快，后期逐渐变缓。小麦、大豆、玉米种植土壤中毒死蜱的半衰期为7.86~24.84 d（均小于30 d），消解速率常数为0.027 9~0.088 2 d^-1。前期均表现为0~5 cm土壤中毒死蜱残留量最大，15~20 cm土壤中毒死蜱残留量最小，即随着深度的增加土壤中毒死蜱的残留量逐渐降低；随着时间的延长，0~10 cm土壤中毒死蜱残留量逐渐减少，10~20 cm土壤中毒死蜱残留量逐渐增加。TCP比母体毒死蜱更容易迁移，对环境的污染风险较高。随着毒死蜱施用剂量的增加，小麦、大豆、玉米3种作物种植土壤中毒死蜱及TCP的短期和长期生态风险均增大。超推荐剂量施用毒死蜱导致毒死蜱及TCP产生较高的短期和长期生态风险，TCP生态风险在3种作物农田中均达到了高风险等级。     

2001-2017年天山中段积雪时空变异研究

【目的】为干旱区提供冰雪资源的合理利用及灾害防治的科学理论不服务信息。【斱法】采取趋势分析法、相关性分析法,开展了2001-2017年积雪年内年际变化特征以及分布变化原因斱面的研究。【结果】①天山中段SCP(积雪覆盖率)年际变化呈"单峰"型曲线,6月到最小值,12月到次年1月达到最大值,从2月开始逐渐下降到最小值;从7月初开始SCP开始逐渐上升到最大值。②天山中段年际SCP呈减少趋势、春季的SCP变化呈略微减少趋势、夏季不秋季SCP变化均呈增加趋势、冬季SCP变化趋势跟全年年际SCP变化趋势基本相似,且均呈减少趋势,最高值为98.6%,最小值出现在2009年为83.2%。③天山中段54.08%区域的SCD(积雪日数)呈减少趋势,其中4.36%区域呈显著减少趋势;45.92%区域的SCD呈增加趋势,其中3.03%区域呈显著增加趋势。④天山中段积雪不LST(地表温度)年际相关性呈负相关性比较明显,负相关占总面积的55.89%,主要分布在高海拔的天山山脉,博格达尔;34.98%区域呈极显著负相关,主要分布在伊犁河谷、天山南北坡地区不阿克苏、库尔勒、博斯腾湖流域周边。【结论】天山中段积雪时空变化丌仅是LST变化的影响,还受人类活劢和海拔高度差异等因素的共同作用。     

日本荚蒾ITS序列的克隆与分析

为日本荚蒾的分子鉴定及遗传多样性研究提供参考,在克隆日本荚蒾rDNA ITS全长的基础上,利用生物信息学手段明确其序列特征和系统发育关系。结果表明:日本荚蒾的ITS全长为617bp,ITS1、ITS2和5.8S序列长度分别为226bp、227bp和164bp;荚蒾属18种植物的ITS全长为607～617bp,其中ITS1为224～230bp,ITS2为219～227bp;ITS1和ITS2的变异位点各有86个和74个,其中信息位点分别为41个和29个;荚蒾属植物的平均遗传距离为0.062,日本荚蒾和宜昌荚蒾之间的遗传距离最小,在系统发育树上处于同一分支,支持率达99%。     

云南和广东省流行性出血病病毒血清6型毒株(EHDV-6)的分离与遗传特性

【目的】分离流行于我国南方地区的流行性出血病病毒血清6型毒株(EHDV-6),掌握分离毒株的遗传特征。【方法】对设立于我国云南和广东省的哨兵动物定期采血,进行EHDV感染情况监测与病毒分离培养。通过血清中和试验确定分离EHDV的血清型,采用一步法RT-PCR对分离的EHDV-6毒株基因节段2、3、6(Seg-2、-3、-6)进行扩增与序列分析。【结果】2012—2016年,从云南省和广东省的哨兵动物中分离出25株EHDV毒株,其中,11株为EHDV-6型。中国EHDV-6型毒株的Seg-2、-3与-6均属Eastern型,核酸序列相似性分别为99.1%、98.9%和98.8%,在系统发生树上分别聚为1个独立的中国支系。在日本引起疫病暴发的EHDV-6型毒株与中国EHDV-6型毒株具有最近的亲缘关系。日本EHDV-6型毒株在系统发生树上处于中国支系内部,Seg-2、Seg-3与中国毒株的核酸序列相似性分别为98.5%和93.9%。【结论】云南和广东省流行的EHDV-6型毒株核酸与氨基酸序列高度相似;日本和中国的EHDV-6型毒株具有最近的亲缘关系,提示中日之间可能存在EHDV的流动。研究结果为进一步开展我国EHDV-6型毒株流行病学分析、致病性、病原学诊断与疫苗制备等研究提供了基础。     

施氮及添加硝化抑制剂对苜蓿草地N2O排放的影响

为探究旱作紫花苜蓿(MedicagosativaL.)栽培草地氧化亚氮(N_2O)排放对施氮水平及添加硝化抑制剂的响应特征,采用传统静态箱法研究了不同施氮水平[0kg(N)·hm~(-2)(N0)、 50kg(N)·hm~(-2)(N50)、 100kg(N)·hm~(-2)(N100)和150kg(N)·hm~(-2)(N150)]以及添加硝化抑制剂双氰胺(DCD)150kg(N)·hm~(-2)(N150+DCD)对陇东苜蓿草地N_2O排放特征的影响。结果显示,监测期内N0、N50、N100和N150处理N_2O平均排放速率分别为3.5μg·m~(-2)·h~(-1)、4.1μg·m~(-2)·h~(-1)、5.0μg·m~(-2)·h~(-1)和6.1μg·m~(-2)·h~(-1),随着施氮梯度的增加, N_2O排放速率呈增加趋势。添加硝化抑制剂DCD对N_2O排放产生明显的抑制作用。与N150处理相比, N150+DCD处理下苜蓿草地N_2O平均排放速率下降50.7%, N_2O累计排放量显著降低61.6%(P0.05)。施氮对苜蓿产量没有显著影响,而N0、N50、N100和N150处理下单位苜蓿产量N_2O排放量随氮肥梯度的增加而增加,各处理分别为6.5 mg·kg~(-1)、7.8 mg·kg~(-1)、11.3 mg·kg~(-1)和12.5 mg·kg~(-1)。N_2O排放受土壤含水量影响深刻,生长季N_2O排放通量与土壤水分呈显著正相关关系(P0.05),而与土壤温度无显著相关性(P0.05)。综上,旱作紫花苜蓿栽培草地N_2O排放通量随施氮水平的增加明显增加,在相同施氮水平下添加硝化抑制剂DCD能显著抑制N_2O排放。相关研究结果对于该区域苜蓿草地合理施肥以及N_2O减排具有一定的实践指导意义。     

水稻编码光系统Ⅱ相关捕光色素蛋白Lhcb2基因的克隆与表达分析

捕光复合物蛋白(LHCP)在植物光合作用过程中发挥重要的作用。基于水稻基因组信息,以亚洲栽培稻籼稻品种黄华占、长雄蕊野生稻及其杂种F_1为试验材料,克隆了水稻Lhcb2基因,并对其基因内含子信息、蛋白序列特征、进化树、蛋白结构、基因表达进行分析。结果表明:水稻Lhcb2基因全长880 bp,含有1个长98 bp的内含子。开放阅读框长度为792 bp,编码263个氨基酸;水稻LHCB2与13个其他植物的LHCB氨基酸序列一致性为68.78%。进化树分析显示,水稻LHCB2蛋白与同属禾本科的毛竹和麻竹亲缘关系最近,与低等植物团藻亲缘关系最远。水稻LHCB2蛋白属于亲水性蛋白,其理论分子量为28 495.40,理论等电点为5.62,具有2个无序化区域,无序化比例为30.04%;水稻LHCB2蛋白三级结构有2个β折叠和3个α螺旋组成。Lhcb2基因荧光定量分析结果显示,长雄蕊野生稻和杂交F_1代植株叶片中表达量分别为黄华占的1.22和1.96倍。长雄蕊野生稻中的叶绿素a和b、色素、类胡萝卜素等均高于黄华占及其杂交F_1代。长雄蕊野生稻叶绿素a的含量分别为另2份水稻材料的1.13和1.75倍,叶绿素b含量为1.10和1.60倍,色素含量则为1.13和1.72倍。     

黄芩中FNSII-1与CHS-2真核表达载体的构建

[目的]FNSII-1与CHS-2分别是黄芩叶与根中合成黄芩活性物质通路中的关键酶基因,本试验拟通过构建FNSII-1和CHS-2与载体pYES-dest52的重组质粒,进行酵母真核表达,为探索黄芩活性物质体外大规模合成途径奠定基础。[方法]通过设计特异性引物,RT-PCR扩增目的基因,利用Gateway重组技术将目的基因FNSII-1和CHS-2整合至目的载体pYES-dest52上得到重组质粒,随后将其转到酿酒酵母INVSc1菌株中,通过SDS-PAGE检测分析并确定酵母蛋白表达最佳条件。[结果]经RT-PCR扩增得到的目的基因FNSII-1与CHS-2,其片段长度分别为1 491bp、1 205bp,与理论值相符。重组质粒经测序与比对,2个基因与其相应NCBI数据库的信息相似性分别为94.18%和91.77%。酵母菌株在5种不同OD600值下蛋白均能稳定表达。[结论]本研究成功构建了pYES-dest52-FNSII-1和pYES-dest 52-CHS-2重组载体和FNSII-1和CHS-2蛋白表达体系,为黄芩中活性物质的体外合成奠定基础。