土壤磷酸盐氧同位素分析方法和应用研究进展

在一定温度下磷酸盐和周边水体氧的同位素分馏仅受生物活动控制,因此磷酸盐氧同位素成为生态系统中磷源和磷循环研究的良好示踪剂。介绍了磷酸盐氧同位素研究应用的理论基础和近几年来针对土壤富含有机质,氧元素来源多样的特点发展起来的土壤磷酸盐氧同位素的分析和纯化方法,综述了磷酸盐氧同位素在土壤磷源示踪和磷循环应用研究中的初步进展,并提出目前研究存在的局限和对未来工作的展望。     

稻米中同位素与多元素特征及其产地溯源PCA-LDA判别

通过探究谷物中同位素与多元素的地域特色及其产地溯源的可能性,本研究采用稳定同位素质谱和等离子发射光谱质谱法测定稻米中同位素比率和多元素含量,并结合化学计量学中主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)法建立模型,对不同省份的稻米进行产地溯源判定。结果表明,各地产的稻米中稳定同位素δ15N、δ13C、δD、δ18O数值范围不同,而且Li、Be和Na等其他矿物元素的含量变化较大,Pb、Sr同位素比率也各不相同,具有一定的地域特征。PCA法能够初步辨别各稻米地产,本研究进一步采用PCA-LDA法能够对大区域(黑龙江省、江苏省和辽宁省)的稻米进行产地判别,通过对23个样本进行判别验证,正确率为91%。对于黑龙江省4个地产的稻米样品,由于地理差异性比较小,同时样本数比较少,故只对其中2个产地稻米进行判别。通过同位素比率和多元素的含量的测定再结合化学计量学分析,一定程度上能够区分不同产地的稻米,为稻米产地溯源的可行性提供了方法依据。     

基于iTRAQ质谱分析技术筛选南方型紫花苜蓿根部响应盐胁迫差异表达蛋白

为了从蛋白质水平上揭示南方型紫花苜蓿(Medicago sativa ‘Millennium’)适应盐胁迫的分子机制,本研究以30 d苗龄的南方型紫花苜蓿实生苗为材料,分析正常培养和250 mmol/L NaCl处理72 h后根中的蛋白表达变化,采用同位素相对标记与绝对定量技术(isobaric tags for relative and absolute quantitation,iTRAQ)结合双向液相色谱与串联质谱(2-dimensional liquid chromatography-tandem mass spectrometry,2D-LC-MS/MS)定量蛋白质组技术鉴定南方型紫花苜蓿根部响应盐胁迫差异表达蛋白,对所获得差异蛋白进行生物信息学分析,筛选出可能耐盐潜在靶标蛋白.同时,选择5个差异表达蛋白进行实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证.结果表明,共鉴定3 857种定量蛋白,534种差异蛋白(变化倍数≥1.2,P＜0.05),其中表达上调的281种,表达下调的253种.基因本体(Gene Ontology,GO)分子功能提示这些差异性蛋白主要参与转运活性、催化活性和酶调控活性.京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路显著性富集于代谢途径、次生代谢产物生物合成、苯丙氨酸代谢和核糖体等(P＜ 0.05,错误发现率(false discovery rate,FDR)＜ 0.05).成功鉴定的差异蛋白分别涉及到信号传递(8.99％)、抗氧化物(7.68％)、防御(5.61％)、蛋白质合成、加工和降解(14.79％)、能量产生与转运(5.81％)、代谢(26.97％)、膜与胞内运输(5.62％)和细胞结构、分裂和细胞骨架(2.06％)等.差异表达蛋白中与信号传递、抗氧化物和防御等相关的蛋白表达量总体上调,而与代谢和能量产生与转运相关蛋白表达量总体下调.qRT-PCR实验发现,mRNA与蛋白质表达水平并不一致.研究发现组氨酸磷酸转移蛋白、丝裂原活化蛋白激酶、h类硫氧还蛋白、蛋氨酸亚砜还原酶基因、鸟苷二磷酸(guanosine diphosphate, GDP)解离抑制因子、脂质转移蛋白、β-1,2-木糖基转移酶和H2A/H2B/H3/H4核心组蛋白等可能是紫花苜蓿耐盐潜在靶标蛋白.本研究采用iTRAQ结合2D-LC-MS/MS技术,有效地筛选出南方型紫花苜蓿根部响应盐胁迫差异表达蛋白,为深入认识紫花苜蓿盐胁迫的应答分子调控机制奠定了坚实的基础.     

稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体 固碳研究中的应用进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定~(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定~(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出~(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。     

植物碳同位素分馏在水分利用效率研究中的应用

稳定碳同位素测量法不受时间、空间限制,测定过程简便准确,为了消除常规传统测定水分利用效率(WUE)方法中的缺陷,可将稳定碳同位素示踪技术引用于指示作物的WUE中。本研究综述了稳定碳同位素分馏的基本原理,从植物器官组织、气候因子和水分条件分析了稳定碳同位素分馏特征与WUE的关系和在植物抗旱节水育种上的应用。通过分析不同光合型植物稳定碳同位素分馏特征得出,WUE与碳同位素比值(δ¹³C)及碳同位素分辨率(Δ¹³C)具有相关性,植物不同部位器官的δ¹³C值均有差异,降雨量、光照强度和时长以及土壤水分都对植物δ¹³C值和WUE产生显著影响。因此,利用δ¹³C和Δ¹³C这两个稳定碳同位素指标能够更好地指示植物高WUE和抗旱性,可为提高植物WUE和选育抗旱性品种提供理论依据。     

喷灌条件下水氮用量对玉米氮素吸收转运的影响

为揭示不同水氮管理模式下玉米花前、花后氮素吸收、转运规律,探究作物氮、肥料氮、土壤氮之间的关系以及干物质吸收转运规律,以大田试验为基础,采用15N同位素示踪技术,设置3个灌水定额水平(W1:40 mm,W2:60 mm,W3:80 mm)和4个施氮量水平(N0:0 kg/hm2,N1:180 kg/hm2,N2:240 kg/hm2,N3:300 kg/hm2),分析比较了不同水氮管理模式对玉米氮素累积量、转运量、氮素籽粒贡献率、肥料氮和土壤氮的吸收转运规律,以及干物质转运量和干物质籽粒贡献率的影响。结果表明:氮肥回收率为21. 27%～44. 64%,N2W2处理的氮肥回收率最高。成熟期各器官氮素累积量由大到小依次为籽粒、叶、茎、穗叶,中等施氮水平下植株氮素累积量最高,玉米植株氮素在W1水平显著降低(P 0. 05)。各器官氮素转运量由大到小依次为叶、茎、穗叶,施氮处理整株玉米氮素转运量较未施氮处理均有所提高,N2W2处理氮素转运量最高,与其他处理差异显著(P 0. 05)。参与转运的氮素中,土壤氮转运量大于肥料氮转运量。玉米各器官15N转运量和土壤氮转运量由大到小依次为叶、茎、穗叶,整株玉米植株中参与转运的氮素有22. 43%～39. 45%来自肥料,中等施氮灌水处理各器官在向籽粒转运较高肥料氮的同时,还能保证较高的土壤氮转运量。不同器官氮素籽粒贡献率由大到小依次为叶、茎、穗叶,各器官氮素转运量占籽粒氮素累积量的18. 29%～44. 29%,贡献率最大值出现在N2W2处理。干物质转运量以及籽粒贡献率均由大到小依次为茎、叶、穗叶,N2W2处理籽粒干物质累积量和干物质籽粒贡献率均最高。结合玉米干物质累积与转运规律以及氮素吸收利用规律,建议当地玉米种植采用灌水60 mm、施氮240 kg/hm2的水氮管理模式。研究结果可为东北地区玉米水氮管理方式提供理论支持。     

两种模型分析方法下冬小麦根系吸水深度的对比研究

为了研究冬小麦根系吸水深度,应用塑料管土柱法在田间进行冬小麦种植试验,测定了冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期不同土层深度土壤水稳定同位素值,并应用耦合模型和IsoSource多元线性模型对比分析了水源贡献率。结果表明,冬小麦在越冬期、返青期主要利用0~20 cm土层的土壤水,拔节期主要吸水深度为0~40 cm;抽穗期,基于耦合模型的主要吸水深度为0~40 cm,基于IsoSource多元线性模型的为0~40 cm和80~180 cm;灌浆期,基于耦合模型和IsoSource多元线性模型的主要不同吸水深度为180~200 cm,且基于耦合模型的该层贡献率明显高于IsoSource多元线性模型;成熟期主要利用0~40 cm和80~100 cm土层的土壤水,基于2种模型的分析结果相同。应用耦合模型求解贡献率,当分组较多且组间水稳定同位素差异较小时,应结合其他方法来保证其准确性。     

滴灌紫花苜蓿根层水分稳定同位素特征分析

为了明确滴灌紫花苜蓿根层水分运移,进一步阐明滴灌节水机理,采用液态水稳定氢氧同位素技术,分析了滴灌紫花苜蓿根层水分稳定氢氧同位素分布特征。结果表明,紫花苜蓿根层水分稳定氢氧同位素在下层富集,且随土壤剖面深度的增加同位素富集量有增加的趋势。滴灌条件下,紫花苜蓿根层发育有较多细根,可迅速而高效地利用灌溉水,灌溉后紫花苜蓿对灌溉水的利用不明确偏向于某一深度土层,根层内各土层土壤水均有利用。灌溉前土壤干旱时,滴灌紫花苜蓿以30 cm上下土层土壤水作为主要水分来源的概率较高。     

铬污染归宿的同位素原位监测法

铬(Cr)污染的迁移和环境毒性主要取决于其化学形态。在环境中,如果移动性及毒性较大的Cr(Ⅵ)能被还原为移动性及毒性较小的Cr(Ⅲ),并且还原速率大于污染速率,那么对铬污染的自然生态修复治理是可行的。铬在氧化还原过程中,存在着同位素动力学分馏效应,致使同位素比率发生移动,移动的大小和反应进程有关,服从Reyleigh关系方程。因此,利用同位素测定可以确定Cr(Ⅵ)的归宿,用于铬(Cr)污染自然修复的监测。本文就环境铬污染自然生态修复中,应用同位素原位分析法进行监测的基本原理、分析过程及应用的可行性进行了阐述。     

开垦草地对土壤有机碳库构成与来源的效应

以广西西北部喀斯特地区的开垦草地生态系为对象,研究了草地开垦变为不同农田后对土壤有机碳库的效应。结果表明,草地开垦为农田后,土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳及总有机碳的含量显著下降。自然草地开垦后,柑桔地土壤有机碳含量高于农作用地土壤。玉米与甘蔗轮作土壤有机碳含量高于甘蔗连作。13C示踪结果表明,柑桔地土壤有机碳中来源于草地的含量高于农田土壤;农田土壤有机碳中来源于草地的随种植年限的增加而降低。在玉米与甘蔗轮作的农田中,土壤有机碳中来源于玉米的高于甘蔗连作土壤有机碳中来源于甘蔗的。