五节芒综合利用研究综述

五节芒广泛分布于我国多省份,具有光合效率高、生长快、适应性强、生物质产量高等优点,是一类具有开发价值的能源植物,有巨大的潜在应用价值。近年来随着人类利用的减少,大有泛滥成灾之势,迅速上升为我国东南地区林业主要恶性杂草之一,合理利用五节芒以恢复当地生态刻不容缓。基于此,课题组阐述了五节芒的生存现状、形貌构造以及在复合材料、生物能源、生态保护、园林景观、造纸原料、药用价值等方面的相关应用研究,旨在增进人们对五节芒的认识以及对其应用层面的关注,为开发生物质材料提供思路。

五节芒/生物质环氧复合材料固化动力学研究

全生物质复合材料具有极高的环境价值和应用前景,确定固化工艺参数是制备全生物质复合材料的关键步骤。拟制备五节芒(MF)/生物基环氧全生物质复合材料,并研究其固化反应动力学。加入MF纤维来制备MF/环氧树脂(EP)复合材料与EP固化相比要求更高的固化温度,通过将MF进行改性后可以有效降低固化温度并且缩短固化反应的时间;采用Kissinger和Ozawa方法计算发现改性MF纤维有利于降低体系的活化能,根据Crane方程计算固化n级动力学模型,n级动力学模型为MA/EP全生物质复合材料成型过程的固化工艺参数提供了理论支撑,为复合材料的固化成型工艺提供了理论基础。n级动力学模型描述EP/聚乙烯亚胺-植酸-钡-MF(EP/PEI-PA-Ba-MF)体系的固化反应过程,通过模型计算出的最优固化温度和时间用于指导实验制备全生物质复合材料。

五节芒对重金属污染土壤微生物生物量和呼吸的影响

选择3个五节芒在重金属污染地的定居点作为研究样地,其中两个为Pb/Zn矿尾矿砂堆积地(W:黄岩铅锌尾矿;Y:三门铅锌尾矿),一个为冶炼厂附近污染农田(N),分别测定其根围与根际土壤微生物基础呼吸、微生物量碳、微生物量氮、土壤理化特性和土壤重金属含量.结果表明:根际土壤微生物基础呼吸和微生物量氮均显著地高于根围土壤(P<0.05),除了N样地外,微生物量碳在根围与根际之间差异不显著(P>0.05).根际土壤有机碳、总氮(Y样地除外)和离子交换量(N样地除外)低于根围土壤.根际重金属(Pb、Zn、Cu、Cd)总量与DTPA(二乙三胺五乙酸)可提取量普遍低于根围土壤.冗余分析(RDA)表明,根围和根际土壤微生物与土壤理化特性呈不同程度的正相关,而与土壤重金属含量呈现不同程度的负相关.主分量及回归分析同样证明土壤微生物总体变化与土壤理化特性呈正相关(根围R2=0.653;根际R2=0.690),而与重金属含量呈负相关(根围R2=0.610;根际R2=0.662).

五节芒基因组大小测定

五节芒(Miscanthus floridulus)属于禾本科(Poaceae)芒属(Miscanthus Andersson),被认为是一种开发潜力巨大的生物质能源植物。本研究以水稻日本晴(Oryza sativa L.var.Nipponbare)为内标,采用流式细胞仪测定6份采自中国不同地区的五节芒基因组大小。结果首次确定了五节芒的基因组大小平均为2596.59 Mb,即2 C DNA含量为5.31 pg(以1 pg=978 Mb计算)。

镉在五节芒(Miscanthus floridulus)不同种群细胞中的分布及化学形态

通过营养液培养,以种子分别来自粤北大宝山矿区和惠州博罗非矿区的2个五节芒种群为试验材料,并采用差速离心技术和化学试剂逐步提取法,比较研究了Cd在2个种群根、茎和叶片中的亚细胞分布及化学形态。结果表明,五节芒2种群各部位的Cd主要富集在细胞壁和以液泡为主的可溶组分,在叶绿体、细胞核和线粒体中的分布较少;2种群根、茎、叶的亚细胞各组分Cd含量由高到低的次序均为:细胞壁组分(F1),可溶组分(F4),细胞核和叶绿体组分(F2),线粒体组分(F3)。Cd在五节芒矿区种群根、茎、叶中的含量均显著高于非矿区种群。提高Cd处理质量浓度,对于非矿区种群,Cd在细胞壁(F1)和可溶组分(F4)的分配比例下降,在细胞核和叶绿体组分(F2)与线粒体组分(F3)的分配比例上升;而对于矿区种群,Cd在细胞壁(F1)的分配比例上升,在可溶组分(F4)、细胞核和叶绿体组分(F2)与线粒体组分(F3)的分配比例下降,细胞壁对Cd的固持作用增强。五节芒2种群根中Cd的化学形态存在着明显差异:低Cd(5mg·L-1)处理下,矿区种群根中的Cd以水提取态、氯化钠提取态和醋酸提取态为主,各占36.41%、28.15%和17.04%,其它形态所占比例较少;而非矿区种群根中的Cd以氯化钠提取态、水提取态和醋酸提取态所占比例较大,各占31.58%、23.15%和20.85%。提高Cd处理质量浓度,矿区种群根中的氯化钠提取态为优势形态,所占比例提高到41.29%,水提取态所占比例也提高到38.25%,其他提取态所占比例均有不同幅度下降;而非矿区种群根中氯化钠提取态Cd含量比例下降到21.45%,各化学形态的在分配比例上表现为平均化趋势。因此,细胞壁固持、可溶组分的液泡区隔化和向活性较弱的结合形态转移可能是五节芒矿区种群耐Cd的主要机制。

五节芒种质资源的表型多样性分析

为了解中国五节芒的形态多样性和分布特点,为五节芒种质资源的开发和利用提供参考依据,对采集自安徽、福建、广东、广西、贵州、湖北、湖南、江苏、江西、浙江等10个省份117份材料的12个与茎杆、叶片、花序相关的表型性状进行表型多样性分析。结果表明:(1)五节芒群体的表型性状在群体间和群体内都存在丰富的变异,各性状变异系数范围为2.80%～73.43%;(2)主成分分析显示,前3个主成分累积贡献率为87.75%,其中第1主成分反映叶片特征,第2主成分反映茎杆特征,第3主成分反映花序特征;(3)聚类分析表明,10个群体可以分为3类,第1类为湖南和江西2个群体,第2类包括福建、广东、广西、湖北和贵州5个群体,第3类包括安徽、江苏和浙江3个群体。

五节芒表型性状和SSR标记遗传多样性分析

本研究利用25个表型性状和33对SSR标记,对53份五节芒种质资源的遗传多样性进行了评价。表型性状分析结果表明,25个表型性状在不同五节芒种质间表现出较大差异,变异系数的变化范围为6.53%～69.82%,其中整株干重、三级花序数、二级花序数等性状变异较大,是造成表型差异的主要因素。表型聚类将53份供试材料划分为3个类群,大部分材料聚在第Ⅲ类群内,但仍有部分材料独立成群。SSR标记分析结果表明,26对SSR引物在53份五节芒中表现出多态性,这些多态性引物共产生81条DNA带,其中多态性条带为74条,占91.36%。多态性信息含量(PIC)为0.086～0.374,平均为0.245。53份五节芒遗传相似性系数在0.693 2～0.965 9,平均遗传多样性指数(H)为0.258 7,Shannon信息指数(I)为0.400 4。基于SSR分子标记的聚类分析表明,种质资源与其地理分布并不存在明显的相关性。表型性状和SSR分子标记结果均表明五节芒种质具有丰富的遗传多样性。

五节芒定居对尾矿砂重金属形态、微生物群落功能及多样性的影响

选择尾矿砂裸地和4个五节芒(Miscanthus floridulus)定居地(RI、RII、RIII和RIV)为样地,分别研究了五节芒定居对尾矿砂重金属形态转化和微生物功能参数的影响。结果表明:五节芒自然定居显著地提高了尾矿砂碳酸盐结合态和硫化物-有机物结合态重金属比例(p<0.05),降低了尾矿砂残渣态重金属的比例(p<0.05)。土壤微生物群落的纤维素分解作用、酚转化作用、固氮作用、氨化作用、硝化作用、有机磷转化作用、功能多样性、4类不同碳源(碳水化合(CH)、聚合物(PL)、胺类化合物(AM)和杂合物(ML))均随着五节芒自然定居显著提高(p<0.05)。而氨基酸(AA)的利用强度却显著下降(p<0.05)。典范相关分析(CCA)表明:土壤微生物功能参数的总体变化与土壤碳酸盐结合态和硫化物-有机物结合态重金属的含量呈显著正相关,与残渣态重金属含量呈显著负相关。该研究结果表明,五节芒定居不仅促进了尾矿砂重金属朝着沉淀态和螯合态方面转化,而且还显著地改善了尾矿砂微生物群落的功能发挥。因而,五节芒在重金属矿业废弃地恢复实践中具有较大的应用潜力。

五节芒不同种群对Cd污染胁迫的光合生理响应

通过盆栽模拟试验,以分别来自粤北大宝山矿区和惠州博罗非矿区的两个五节芒种群为试验材料,比较研究了两个种群在Cd胁迫下的气体交换参数、叶绿素荧光特性、光合色素含量和叶绿体超微结构变化的差异。结果表明:(1)Cd胁迫下五节芒两种群叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、叶绿素含量(Chl)都有不同幅度的下降;叶绿体超微结构遭到破坏。矿区种群随Cd胁迫程度的加深,净光合速率下降较慢,叶绿体的外形及基粒结构受到的影响较小。(2)轻度Cd胁迫下气孔限制是五节芒非矿区种群Pn降低的主要因素,中度和重度Cd胁迫下非气孔限制是Pn降低的主要因素。(3)Cd胁迫下五节芒两种群PSⅡ反应中心最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ有效光化学效率Fv′/Fm′均有所下降。总体上矿区种群降幅较小,PSⅡ利用光能的能力及PSⅡ的潜在活性均较强。PSⅡ光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)的变化表现为Cd胁迫下两种群qP值降低、NPQ值升高,总体上抗性强的矿区种群qP降低的幅度低且NPQ升高幅度大。随着Cd胁迫浓度增加,矿区种群实际光化学反应效率(ΦPSⅡ)和电子传递速率(ETR)变化幅度不大,而非矿区种群显著下降,表明矿区种群PSⅡ反应中心电子传递活性受到的影响小,光合机构的损伤程度低。研究表明,五节芒矿区种群对重金属Cd有较强的耐受能力,适合作为金属矿区植被恢复建设的禾本科先锋物种。

施肥对五节芒热值和表型性状的影响

对五节芒Miscanthus floridulus进行施肥措施研究氮肥、磷肥、钾肥对其灰分含量、热值以及表型性状方面的影响。采用正交试验设计,以热值、灰分含量、单株高度、地径、茎叶比、产量等为指标,研究不同氮磷钾配比对五节芒热值和表型性状的调控效应。结果表明,不同施肥水平对叶干质量热值、叶灰分含量、茎灰分含量、单支高度、地径、茎叶比达到显著影响,但对产量影响不显著。氮、磷、钾最佳组合为尿素(300kg/hm2)+过磷酸钙(600 kg/hm2)+氯化钾(50 kg/hm2)时,五节芒灰分含量低,热值高;氮、磷、钾最佳组合为尿素(300 kg/hm2)+过磷酸钙(200 kg/hm2)+氯化钾(200 kg/hm2)时,五节芒的表型评价指标高。

五节芒与荻人工杂交种F_1群体开花物候与生殖特性研究

对五节芒与荻种间人工杂交种群体的开花物候、花粉育性、结实率和花粉母细胞减数分裂行为进行了观察,结果表明,1)F1植株群体和个体花期持续时间长,从6月上中旬至10月中下旬,个体之间花期具很高同步性;通过对抽穗开花分蘖数的统计分析,在杂交种的持续开花过程中,可以将群体和个体的花期分为2个开花高峰,第1次开花高峰出现在6月,第2个开花高峰期出现在9月;从孕穗期和始花期的时间看,杂交种66.07%的个体的花期偏向于早花的荻亲本,31.25%的个体的花期与亲本五节芒相近,只有2.68%的花期晚于五节芒,说明早花性状的遗传力高;开花物候指数与结实率之间的相关分析结果表明,始花时间与结实率呈负相关关系,开花数和花期持续时间与结实率呈正相关关系。2)亲本荻和五节芒花粉育性较高,可育花粉率显著高于F1群体植株;F1群体2次开花高峰的花粉育性分别为(50.79±18.61)%,(65.42±14.71)%,第2次开花高峰时的花粉育性比第1次开花高峰时高;花粉育性在杂交种群体个体间有较大的差异,平均变异系数为29.56%;花粉育性与结实率的关系不密切,相关系数低,未达到显著性水平。3)种间杂交种F1的花粉母细胞减数分裂基本正常,只有少部分的花粉母细胞出现染色体的异常行为,各时期异常行为率均低于2.0%。本试验结果说明五节芒和荻有很近的亲缘关系,开花物候和生殖特性的研究数据表明杂交种进行进一步遗传改良不存在障碍。

五节芒与荻人工杂交种的创建与鉴定研究

采用SSR标记与形态学标记分析相结合的方法对五节芒(Miscanthus floridulus)与荻(M.sacchariflo-rus)种间人工杂交获得的杂种的真实性进行鉴定研究。结果表明:有两对SSR引物(HAU-170、A3)在32个M.floridulus×M.sacchariflorus杂交后代中鉴定出32个杂交种,真杂种率为100%;在103个M.sacchariflorus×M.floridulus杂交后代中鉴定出77个杂交种,真杂种率为77.46%。而采用形态学标记从M.floridulus×M.sacchariflorus杂交后代中鉴定出32个真杂种,比例为100%;从103个M.sacchariflorus×M.floridulus杂交后代中鉴定出80个真杂种,比例为77.67%。SSR分子标记鉴定与形态学鉴定结果的符合度为97.3%。

五节芒(Miscanthus floridulus)不同种群对镉积累与转运的差异研究

采用盆栽试验的方法,对比研究了来源于大宝山矿区和惠州博罗非矿区的两个五节芒种群在不同Cd含量土壤中的生长反应、Cd富集能力及对土壤Cd形态的影响。结果表明,来源不同的两个五节芒(Miscanthus floridulus)种群植株对土壤中不同浓度的Cd的生长反应不同,低浓度Cd处理,非矿区种群的地上部生物量即受到显著影响,而矿区种群受到的影响不显著。Cd处理浓度提高时,非矿区种群的地上部生物量为对照的30.17%～42.07%,矿区种群地上部生物量为对照的57.80%～67.04%。非矿区种群根部生物量随处理浓度的增加而降低,为对照的57.75%-64.08%,而矿区种群显著升高,为对照的117.43%～135.56%。五节芒矿区种群地上部和根部的Cd含量随着土壤Cd处理浓度的升高而迅速升高,其升高速度明显快于非矿区种群。五节芒矿区种群根部积累的Cd总量远大于非矿区种群,且随着土壤中Cd添加量的增加而显著增加(P<0.05)。随着Cd胁迫程度的加重,五节芒两种群转移系数和耐性指数都有不同程度的下降,矿区种群的转移系数和耐性指数明显高于非矿区种群。Pearson相关性分析发现,五节芒根部生物量与地上部生物量极显著正相关,地上部生物量与根部和地上部Cd含量均呈极显著负相关关系,地上部Cd含量与根部Cd含量及转移系数(Translocation Factor,TF)均呈极显著正相关关系,耐性指数(Tolerant Index,TI)与根部和地上部Cd含量均呈极显著负相关关系,反映了根部和地上部Cd的累积对植物产生了毒性,并对五节芒的生长产生了抑制作用。矿区种群表现出对Cd更强的耐性以及富集作用。

尾矿砂堆积地五节芒自然定居对土壤微生物生物量、呼吸速率及酶活性的影响

为了认识重金属耐性植物五节芒(Miscanthus floridulus)对尾矿砂土壤的改良作用,在尾矿砂堆积地上选择1个裸露的尾矿砂样点(对照)和4个五节芒定居的尾矿砂样点(RI、RII、RIII和RIV)为样地,研究了土壤微生物生物量、呼吸速率和酶活性随五节芒定居梯度的变化规律以及这些微生物参数与土壤理化特性和重金属含量的关系。结果发现,随着五节芒在尾矿砂上的定居,除土壤pH以外,土壤有机碳、总氮、总磷、NH4+-N、NO-3-N和速效磷的含量以及团聚体稳定性和最大持水量均显著提高(P<0.05),而土壤重金属总量与DTPA可提取量均显著下降(P<0.05)。土壤微生物生物量碳、氮、磷,基础呼吸速率,基质诱导呼吸速率,10种土壤酶活性均显著提高(P<0.05),但土壤呼吸熵和多酚氧化酶活性显著下降(P<0.05)。主分量分析(PCA)结果表明,土壤微生物参数、土壤理化特性和土壤重金属数据均可显著区分出5个研究样地;由典范相关分析(CCA)结果看出,土壤微生物参数总体变化与土壤理化特性呈显著正相关(pH除外),与土壤重金属呈显著负相关。

基于形态性状及Adh1基因序列的芒与五节芒自然杂交现象研究

本研究通过对13份芒与五节芒17个形态性状及Adh1基因序列的分析,探讨了芒与五节芒的自然杂交现象。形态性状聚类分析结果表明,疑似杂交种AD431与五节芒类群(AA335和AD625)聚为一类,疑似杂交种AA343、AD431、AD628、AD607、AD633和AD606与芒类群(AD623、AD512、AD620、AD619和AD627)聚为一类。Adh1基因序列聚类分析结果表明,五节芒和芒的材料分别聚成2个明显分开的分支,所有的疑似杂交种中均检测到2种Adh1基因单倍型的存在,其中1个单倍型在系统树中与芒聚为一类,另1个单倍型与五节芒聚为一类。本研究的结果确证了AD431、AD431、AD628、AD607、AD633和AD606这6个疑似杂交种的真实性,证实了芒与五节芒种间确实存在自然杂交现象,为进一步阐明芒和五节芒的系统进化与亲缘关系提供了重要的理论依据。

大坞河流域重金属污染与五节芒光谱效应关系研究

以大坞河流域五节芒(Miscanthusfloridulus)可见-近红外光谱以及叶片样本Cu、Zn、Fe元素质量分数监测数据为基础,对研究区内五节芒中重金属质量分数特征、光谱特征及两者的相关性进行了探讨。结果表明:五节芒叶片中3种金属元素的质量分数都较高;从上游到下游,五节芒叶片中Cu质量分数整体呈逐渐降低的趋势,五节芒光谱反射率在可见光区和近红外区均增加,红边“红移”(向长波方向飘移)强度逐渐减小;同时,五节芒叶片中Cu质量分数与五节芒可见光区、近红外区光谱反射率积分值呈负相关性,与红边“红移”强度、土壤中Cu质量分数呈正相关。并由此得出五节芒光谱特征中A1、A2、S等3项指标能够较好反映土壤的Cu污染程度,经进一步深入研究,可以将五节芒作为监测矿区土壤Cu污染的指示植物。

刈割对五节芒化感作用及次生代谢物质的影响

本文研究了刈割后五节芒（Miscanthus floridulus）叶、茎、根和根际土浸提液对生菜（Lactuca sativa）化感作用的影响,并运用气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术鉴定刈割与未刈割之间五节芒叶片中次生代谢物质的差异。结果表明,不同浓度浸提液对生菜种子萌发、胚根长、子叶长、子叶宽、鲜重影响差异较大,其中五节芒叶片浸提液显著抑制生菜胚根的生长,刈割后五节芒化感效应指数比未刈割增加2-8倍;次生代谢物质组分分离后,发现抑制生菜生长的次生代谢物质主要是有机酸类物质;GC-MS总离子流图显示刈割组波峰数量明显增多,并且各峰峰度最大值高于对照1.35-5.15倍,说明刈割后五节芒叶片中次生代谢物质种类及其含量明显增加。刈割后五节芒叶片新出现3种次生代谢物质,多种次生代谢物质的相对含量明显增加,其中植物竞争类次生代谢物质（棕榈酸、亚油酸、豆甾醇）和抑制天敌次生代谢物质（反-乌头酸）相对含量增幅较大,这些次生代谢物质可能是五节芒应对刈割胁迫的化学防御物质。

五节芒纤维素纳米晶体制备工艺的正交分析

为高效利用五节芒Miscanthus floridulus,通过硫酸酸解五节芒纤维素制备了纤维素纳米晶体（CNC）,并采用正交分析法考察了硫酸质量分数、酸解时间和反应温度对五节芒CNC产率、悬浮液稳定性和CNC尺寸的影响.透射电镜（TEM）研究结果表明：用酸解法可成功制备五节芒CNC,CNC为刚性棒状结构,长度为100～200nm,直径为5～15 nm,产率为25％～50％.动态光散射（DLS）和Zeta电位测试发现,五节芒CNC悬浮液的稳定性很好,DLS得到的CNC流体力学直径略小于由TEM观察到的CNC长度.正交分析表明,3个工艺参数对CNC产率的影响依次为：硫酸质量分数（P=0.03）,酸解时间（P=0.06）,反应温度（P=0.35）;对CNC流体力学直径的影响依次为：硫酸质量分数（P=0.03）,反应温度（P=0.22）,酸解时间（P=0.38）.制备五节芒CNC的最优工艺条件为：硫酸质量分数（62％）,酸解时间（45 min）,反应温度（45℃）.

荻与五节芒种间杂交F_1群体主要农艺性状的遗传及相关性分析

为了探讨芒属植物种间杂交种后代主要农艺性状的遗传特征,本文选择了芒属植物中主要农艺性状上具有显著差异的荻(Micanthus.sacchariflorus)B0134和五节芒(M.floridulus)A0430种间杂交获得F1群体,采用主基因+多基因混合遗传模型对F1杂交群体的12个重要农艺学性状进行遗传和相关性分析。结果表明:F1群体中的12个主要农艺性状呈连续的单峰、偏态分布,说明这些性状为多基因控制的数量性状;茎节数、主茎长、株高、分蘖数、单株重5个性状具有较大的中亲优势值,均达到极显著水平(P<0.01),中亲优势率30.65%~584.12%,其中分蘖数、单株重达到了极显著的超亲优势;混合遗传分析表明:叶长、叶宽、花序长和单茎重均由2对主基因+多基因控制;茎节数、株高、最大茎重由1对主基因控制;其他5个性状不存在主基因,只有多基因存在。12个农艺性状间存在一定的相关性,其中单株重与叶宽、分蘖数、单茎均重、最大茎重等产量相关性状存在极显著正相关,与叶片长和主茎长存在显著正相关(P<0.05),在荻和五节芒杂交种后代中选择高产单株时应特别注重对分蘖数性状的选择。

草甘膦添加表面活性剂对五节芒生理生化活性的影响

在浙江开化五节芒入侵的撂荒地上,开展了草甘膦添加有机硅和烷基多糖苷2种表面活性剂防控五节芒的试验,分析了添加表面活性剂后五节芒生理生化活性的变化特征。结果表明:添加表面活性剂显著促进草甘膦药效的发挥,但不同浓度活性剂抑制效果有所差异;0.03%浓度的有机硅和烷基多糖苷可显著提高草甘膦(9 L·hm-2)对五节芒的抑制效果,综合抑制率可达80%86%,分别比对照提升35.76%和29.80%;添加表面活性剂显著影响五节芒的生理生化指标,喷药后3 11 d,随着表面活性剂浓度的增加,五节芒叶片酶活性和根系TTC活力升高,抗氧化防御系统活性显著增强;随着受药时间增加,抗氧化系统失衡,叶片中叶绿素a、总叶绿素、叶绿素a/b、类胡萝卜素含量显著降低,叶绿素b含量显著上升;喷药后29 d植物体内MDA含量显著升高,根系TTC活力急剧下降,其中APG(0.03%浓度)处理对五节芒根系TTC活力变化幅度影响最大。添加表面活性剂后,更大程度地打破了五节芒正常的生理代谢和根系活动,加速植株凋萎和死亡,有助于提高草甘膦对五节芒的防治效果。