日粮中C_3、C_4植物含量对牛肉品质和主要化学成分的影响

为探讨C3和C4植物在日粮中的含量对牛肉品质和主要化学成分的影响,本试验选用大豆粕、小麦麸、小麦、棉籽饼、苜蓿干草作为C3植物试验材料,选用黄贮玉米秸、玉米酒精糟、玉米作为C4植物试验材料,选用36头西门塔尔杂种公牛作为试验动物开展了肥育和屠宰试验。结果表明,日粮中C4植物含量对肥育牛增重、牛肉的脂肪酸、氨基酸(其中甘氨酸不确定除外)、水分含量以及牛肉的剪切力、蒸煮损失率、滴水损失率、大理石花纹评分和眼肌面积均没有显著的影响。日粮中C3植物含量对肥育牛增重、牛肉的脂肪酸(其中十七烷酸不确定除外)、氨基酸(其中丝氨酸和苏氨酸不确定除外)、水分含量以及牛肉的剪切力、蒸煮损失率、大理石花纹评分和眼肌面积也均没有显著的影响。

C_4植物玉米的光合-光响应曲线模拟研究

光是植物光合作用最基本的一个决定因子,准确分析光响应曲线及其参数是研究光合生理生态过程对环境变化响应的重要途径;但相关模型及其模拟的准确性仍待改进。该研究基于C_4作物玉米(Zea mays)不同干旱处理试验资料,比较研究了现有光响应模型(直角双曲线模型、非直角双曲线模型、直角双曲线修正模型、指数模型、二次函数模型以及新提出的改进模型)的适应性。结果表明,改进的光响应模型具有较好的精确度,可较准确地描述光响应曲线,也能够准确拟合最大净光合速率、光饱和点、光补偿点以及暗呼吸速率4个关键光合参数。该结果为研究植物光合生理生态过程及其环境适应性提供了一个改进的模拟方法。

湖泊沉积物C_(4)植物含量重建方法的讨论——以新生代柴达木盆地大红沟剖面为例

当前气候变暖是一个全球面临的重大问题,它对人类赖以生存的植被生态系统造成的影响已经在全球各地逐步显现出来。为了深入了解植物生态系统对环境和气候变化的响应机制,我们需要更好地借鉴地质历史时期气候环境和植物协同演化的重要事件。C_(4)植物作为陆地生产力较强的植物,在植物生态演化中占举足轻重的地位。目前研究表明C_(4)植物可能最晚起源于始新世-渐新世之交,但从它早期起源到随后在生态系统中的大规模扩张时间间隔长达20多个百万年。是什么因素导致了C_(4)植物的起源和扩张是一个悬而未决的重要问题,需要开展大量的调查研究来评估和重建C_(4)植物在过去生态系统中的相对生物量变化。重建C_(4)植物的含量目前主要的方法是建立在C_(3)/C_(4)植物碳同位素和植物内部结构形态差异基础之上。最常运用的研究材料包括(古)土壤有机质、成壤碳酸盐、陆地食草动物体组织、沉积物生物标志物、孢粉、植硅体等。这些方法在重建现代以及地质历史时期C_(4)植物相对生物量变化的研究中发挥了重要作用,但同时也存在很多无法避免的问题。本文介绍了C_(4)植物起源和扩张机制的主流观点以及不同研究材料的碳同位素所推算C_(4)植物生物量的基本原理,并以柴达木盆地大红沟剖面为例,针对新生代湖泊沉积物中陆生高等植物的长链正构烷烃特征和单体烃碳同位素的研究结果,详细讨论C_(4)植物含量重建的方法与缺点,为探讨C_(4)植物起源、演化及控制因素提供参考。我们通过分析前人研究的大红沟剖面长链正构烷烃及单体烃δ^(13)C_(alk)值特征,推测在30~24 Ma、20~17 Ma和13~7 Ma期间δ^(13)C_(alk)值显示相对正偏的原因,可能是干旱和C_(4)植物在当地生态系统中出现的双重因素叠加造成的。但这一推断还需要借助于新的研究方法,即单颗粒孢粉碳同位素的方法来提供C_(4)植物的确凿证据。

叶绿素含量对C_(3)、C_(4)植物叶绿素荧光参数的影响

以草原常见牧草C_(4)植物木地肤和C_(3)植物苜蓿为材料,在野外使用OS5P+叶绿素荧光仪,分析光合有效辐射(PAR)与叶绿素荧光(ChF)参数之间的关系;使用CCM-300手持式叶绿素仪,测量叶片叶绿素含量(Chl),分析叶绿素含量对PAR与ChF的影响。结果表明,两种植物PAR与光合系统Ⅱ光量子产额[Y(Ⅱ)]、电子传递速率(ETR)之间都呈现出相似的对数趋势,木地肤的PAR与Y(Ⅱ)对数拟合度R 2=0.71,苜蓿的PAR与Y(Ⅱ)对数拟合度R^(2)=0.81,都表现出PAR值在500μmolm^(-2)s^(-1)附近Y(Ⅱ)达到较高水平;在充分考虑叶绿素含量的情况下,原本聚集在PAR值500μmolm^(-2)s^(-1)附近的点分散在了趋势线的两侧,使数据分布更加均匀。

表土δ^(13)C揭示C4植物比C3植物更易分解和消化

表层土壤中总有机碳(TOC)与相应上覆植物/植被之间的正/负δ^(13)C偏移量已被广泛报道,并被认为可能是由多种因素(如大气、气候和土壤因素)变化引起的。开展更大空间尺度的研究,可以更好地揭示其主导因素。本文对中国内陆空间跨度数千公里的107个样点的表土和食草动物粪便样品进行了采集,对表土TOC、表土中分离出来的植物残体全样(PL)、食草动物粪便全样(HF)、表土植物残体和食草动物粪便中提取的α纤维素(α-cellulose)开展了δ^(13)C分析测试。数据分析显示,表土TOC与表土中植物残体全样之间的δ^(13)C偏移量(Δ^(13)C_(TOC-PL))和食草动物粪便全样与表土中植物残体全样之间的δ^(13)C偏移量(Δ^(13)C_(HF-PL))均与δ^(13)C_(PL)呈负相关关系。同样,食草动物粪便α纤维素与表土中植物残体α纤维素之间的δ^(13)偏移量(Δ^(13)C_(HF-PL-cell))也与δ^(13)C_(PL-cell)呈负相关关系。对这些负相关关系最合理的解释是,在表土中的分解过程和食草动物体内的消化过程中,C_(4)植物的分解/消化速度比C_(3)植物更快。研究结果表明,基于现代表土、沉积物和动物残骸δ^(13)C数据估算的C_(4)植物相对丰度,可能被普遍低估,在以后的相关研究当中应当予以适当考虑和评估。

末次冰盛期以来中国东北及邻区C4植物丰度的时空演化及其主控因素

C_(3)、C_(4)植物是陆地生态系统的重要组成部分,末次冰盛期(LGM,距今约2万年)以来全球大幅度增温,同时伴随大气CO_(2)浓度的不断变化。研究LGM以来C_(3)、C_(4)植物的时空分布及其驱动机制可为理解未来气候变暖背景下植物变化及应对未来陆地生态系统的挑战提供重要参考。中国东北地区位于高纬度季风边缘带,也是C_(3)、C_(4)植物混合区,其植被变化对气候响应敏感。对于东北地区C_(4)植物时空演化格局的研究还不完善。本研究基于9条湖泊、泥炭记录的长链正构烷烃单体δ13C和4条古土壤序列的土壤有机碳同位素(δ^(13)C_(SOM))记录,重建了LGM以来的东北及邻区C_(4)植物时空演化格局。结果表明,从LGM至全新世早期C_(4)植物丰度逐渐增加,在全新世早中期达到最高,平均可达约10%,之后再次下降。C_(4)植物丰度演化具有一定的区域差异,现今森林草原界线以东地区,其丰度在全新世早期(10~8 ka)达到峰值后下降;而以西的草原地区C_(4)丰度至LGM以来逐渐增加,全新世其丰度变化不大。在空间上,C_(4)植物丰度总体上呈现出由南向北递减的趋势,LGM时南北空间差异最小约为5%,而到全新世早期,其差异局部可达约20%。进一步将重建的C_(4)丰度演化与古气候记录对比,结果表明,末次冰盛期以来温度的升高可能是导致东北及邻区C_(4)植物扩张的主导因素。该项研究也进一步揭示,未来增温持续的背景下,东北地区C_(4)植物丰度可能增加,C_(4)植物分布的地理界限可能向更高纬扩张。

降水调节荒漠草原生态系统碳交换对增温和氮添加的响应

气候变暖和大气氮沉降对草地生态系统功能有重要影响。然而,降水变化如何调节荒漠草原生态系统生产功能对气候变暖和氮沉降的响应还不清楚。本研究基于内蒙古短花针茅(Stipa breviflora Griseb.)荒漠草原长期增温和氮添加试验平台,分析两个连续降水差异较大年份中植物生产力和生态系统碳交换对增温和氮添加响应的不同。结果表明:(1)植物群落地上生物量在干旱和湿润年份有显著差异。在干旱年份,氮添加使得C_(3)植物地上生物量显著降低了10.50%;在湿润年份,氮添加使得植物群落地上生物量和C_(3)植物地上生物量分别显著增加了11.69%和8.06%。(2)在干旱年份,氮添加显著促进了净生态系统碳固定,而增温显著降低了总生态系统生产力;在湿润年份,增温和氮添加对生态系统碳交换均没有显著影响。因此,野外长期监测结合年际间降水波动对分析全球变化影响草原生态系统功能十分必要。

碳酸盐碳同位素揭示的泥河湾盆地上新世中晚期C_(4)植物扩张历史

植被中C_(4)植物比例与气候条件和生态系统类型密切相关,了解C_(4)植物扩张历史对于理解过去生态系统格局演化以及古气候变化具有重要科学意义。本研究在已有古地磁年代基础上,通过对泥河湾盆地郝家台NHA钻孔224.2~175.4 m段内243个沉积物样品的碳酸盐δ13C分析,结合δ18O、地球化学元素、粒度等环境代用指标测试,揭示了泥河湾盆地上新世3.66~2.89 Ma期间的C4植物扩张历史。研究结果显示:1)泥河湾盆地3.66~2.89 Ma期间,δ13C均高于-7‰,且δ13C值整体呈现波动上升的趋势,指示了研究时段内泥河湾盆地C3、 C_(4)植物共存,C_(4)植物总体呈现出明显扩张的趋势,其中约3.58 Ma和约3.10 Ma为研究时段内两次最为明显的C_(4)植物扩张重要时间节点;2)3.58 Ma之前,δ13C多低于-5‰,植被以C_(3)植物为主,3.58~3.10 Ma期间δ13C含量在-5‰至-3‰之间波动,气候趋向干旱化方向发展,C_(4)植物所占比例有所增加;3)3.10 Ma之后的全球性冷干事件导致泥河湾盆地气候显著变冷变干,尤其是干旱化程度显著增强,δ13C多高于-3‰,指示泥河湾盆地C_(4)植物出现显著扩张,以C_(4)植物为主的草本植被占比可能超越C_(3)植物,成为区域主要的植被类型;4)C_(4)植物扩张过程中,也存在数次波动,如在约3.46 Ma、约3.38 Ma、约3.28 Ma和约3.13 Ma等时段内出现数次持续时间较短的δ13C明显低值,分别可以与全球深海氧同位素阶段(MIS)明显冷时期对应的MG6、 MG4、 M2和KM2相一致,但这些低值呈现出随时间推移,δ13C值逐渐升高的趋势,显示C4植物的影响逐渐加强。

植物和土壤δ^(15)N和δ^(13)C记录的土壤石油污染

石油工业化生产过程中引起的陆地系统石油污染已经成为一个严重的环境问题,受到广泛关注。稳定碳同位素和氮同位素组成(δ^(13)C和δ^(15)N)是研究石油污染胁迫下植物和土壤行为特征的有效指标。为了更好地了解土壤和植物在土壤石油污染下的反应,本研究通过野外原位试验,在不同浓度石油污染土壤条件下,研究了三叶草(C;光合作用途径、豆科植物)和扁穗冰草(C;光合作用途径)这两种植物及其生长土壤的δ^(13)C和δ^(15)N变化。研究结果表明:土壤中的石油污染导致土壤δ^(15)N值随污染浓度升高而升高(1.9‰到3.2‰),δ^(13)C值降低(-23.6‰到-26.8‰)。但是,三叶草δ^(13)C值随土壤污染浓度升高而降低(-29.8‰到-31.6‰),扁穗冰草δ^(13)C值降低而三叶δ^(13)C值相对保持稳定(-12.6‰到-13.1‰),说明两种植物对土壤污染不同的应对策略。特别在土壤石油污染条件下,三叶草δ^(15)N值随土壤污染浓度降低至大气氮同位素值水平(5.6‰到0.8‰),说明三叶草固氮系统起作用从而用以降低对土壤石油污染的胁迫。植物δ^(15)N和δ^(13)C值的变化说明了两种植物在胁迫条件下代谢系统发生改变。本研究结果表明稳定同位素组成是监测土壤石油污染和评估植物胁迫响应的有效指标。

基因型多样性、干旱、菌根对优势C_(4)植物生产力及功能性状的影响

虽然许多物种的遗传多样性和植物生产力之间的关系已经得到证实,但环境条件和生物群落是否会改变这种关系尚不清楚。针对这一问题,本文研究了基因型多样性、干旱和菌根对植物生产力和植物性状的交互作用。该研究建立在堪萨斯州曼哈顿南部的康扎草原生物研究站。本研究对焦点物种大须芒草(Andropogon gerardii)采用两种水平的基因型丰富度处理:单种栽培和3基因型混合栽培。在试验区的一半以上建立避雨棚进行抗旱处理,并在每个基因型丰富度和抗旱处理的选定盆栽中使用硫菌酯-甲基杀菌剂抑制丛枝菌根真菌的生长。结果表明,基因型丰富度和菌根对大须芒草的地上生物量无显著影响。干旱对大须芒草各基因型地上生物量、成花数和过早结实有不同的影响,而且生物量和功能性状在单独栽培和混合栽培处理中有显著差异。这些研究结果说明,干旱和基因型丰富度对不同基因型的植物有不同的结果。

对C_(4)植物维管束鞘细胞叶绿体在光反应中是否产氧的探讨

为适应大气中CO_(2)含量明显下降而O_(2)浓度却显著增加的变化,植物进化出多种CO_(2)浓缩机制,其中C_(4)途径就是陆生植物中CO_(2)浓缩机制之一。从结构基础、物质基础和进化选择等不同角度分析了C_(4)植物维管束鞘细胞叶绿体在光反应时是否产生氧气的问题。

C_3植物的C_4光合途径

人类主要的粮食作物小麦、水稻、大豆等均为C_3植物,由于C_4光合途径显著优于C_3途径,因此,优化C_3作物拥有C_4光合途径特征的研究一直在探究中。综述了C_3植物的C_4光舍碳途径的发现、运行机制、诱发因素等,总结了改造C_3植物光合效率的方法并做了简单展望。

松叶猪毛菜叶片原生质体的制备及优化

从植物组织中释放出高质量的原生质体是建立其他技术体系如蛋白亚细胞定位、瞬时表达分析、蛋白质间互作的前提。为了快速挖掘C_(3)-C_(4)中间型植物松叶猪毛菜(Salsola laricifolia)的特殊功能基因,建立一个简单高效的叶片原生体的制备方法必不可少。本研究以松叶猪毛菜无菌组培苗的真叶为材料,分析不同纤维素酶和离析酶的浓度配比、渗透压对原生质体分离的影响。结果表明:采用25 d龄的无菌组培苗真叶,在2%纤维素酶+0.5%离析酶+0.6 mol·L^(-1)甘露醇的酶解液中25℃酶解2 h,使用W5溶液在800 rpm·min^(-1)的转速下纯化,原生质体产量可达1.21×10^(6)个,活力为85%。并且利用得到的松叶猪毛菜原生质体作为受体,用PEG转化法成功转化pBI121-SaNADP-ME4-GFP质粒载体,检测到SaNADP-ME4定位于叶绿体中。本项研究建立了松叶猪毛菜叶片原生质体高效制备体系,为松叶猪毛菜特殊基因功能的挖掘奠定了基础。

中国荒漠C_(4)木本植物和土壤无机固碳研究回顾与展望

碳是贯穿自然和社会的首要元素之一,碳循环是自然和社会系统的重要纽带。陆地生态系统的自然固碳途径有2种,一种是植物碳同化,另一种是土壤碳同化,人们一直关注植物的有机固碳,对于土壤的无机固碳重视不够。本文回顾了中国荒漠区固碳能力强的C_(4)木本植物和土壤无机固碳研究进展。通过解剖结构观察、δ^(13)C值和气体交换特征全面分析得出,荒漠植物梭梭(Haloxylon ammodendron)和沙拐枣(Calligonum mongolicum)为典型的C_(4)木本植物,梭梭同化枝有大量的含晶细胞,沙拐枣同化枝有大量的黏液细胞。干旱区荒漠的非生物固碳能力至今缺乏合理解释。通过对戈壁、沙漠和壤质荒漠土壤无机碳密度和碳储量分析,提出了土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念,并给出了土壤碳同化途径的3个阶段,解释了土壤无机固碳这一现象;与植物碳同化比较,土壤碳同化是荒漠固碳的主要途径。最后,展望了荒漠C_(4)木本植物和土壤碳同化的研究方向及对中国2060年前实现碳中和目标的可能贡献。

大气CO_2增加对生态系统的影响

根据Ｃ＿３植物和Ｃ＿４植物对高浓度ＣＯ＿２的不同反应，评述了富ＣＯ＿２大气对生态系统的影响。结论是大气ＣＯ＿２浓度增加将导致生态系统发生一系列变化，包括生物多样世的减少、营养循环受阻、虫灾发生和温室效应加剧等。

有关C4植物几个问题的释疑以及教学启示

参考高校教材及科研文献对有关C4植物的几个问题进行释疑,如叶肉细胞叶绿体和微管束鞘细胞叶绿体间的区别,C4植物的基本反应过程,C4植物为什么能适应高温、干旱、强光的环境等,以解决一线教师的困惑。

松叶猪毛菜NADP-苹果酸酶基因家族及启动子克隆分析

NADP-苹果酸酶(NADP-ME)是C_(4)植物的关键光合酶,在生物和非生物胁迫中发挥了重要的作用。为了进一步研究该酶编码基因的功能,该研究以典型荒漠C_(3)-C_(4)中间型植物松叶猪毛菜为研究对象,在克隆得到NADP-ME家族基因序列的基础上,研究其表达部位及在非生物胁迫下的表达模式,并克隆其启动子序列分析响应非生物胁迫的元件差异。结果表明:(1)成功获得松叶猪毛菜3个NADP-MEs,命名为SaNADP-ME1、SaNADP-ME2和SaNADP-ME4,CDS序列长度分别为1755、1758和1941 bp。(2)SaNADP-ME1主要在根中表达,SaNADP-ME2和SaNADP-ME4主要在叶中表达;在ABA、NaCl、NAHCO_(3)和PEG_(6000)胁迫下松叶猪毛菜幼苗中3个NADP-MEs均可被诱导表达,且SaNADP-ME2和SaNADP-ME4的响应表达模式相似。(3)成功克隆得到SaNADP-ME1、SaNADP-ME2和SaNADP-ME4启动子区域2351、1655和2887 bp。生物信息学分析发现它们都含有基本启动子元件以及响应外界刺激的元件。

四种猪毛菜族植物GLDP及其启动子的克隆与分析

甘氨酸脱羧酶(glycine decarboxylase,GDC)是光呼吸代谢途径的关键酶,P蛋白亚基是其脱羧单元。该亚基由小基因家族GLDP编码。GLDP家族成员在C_(3)植物的所有光合细胞中表达,而在C_(3)-C_(4)中间型植物和C_(4)植物中仅在维管束鞘细胞中表达。为了深入了解猪毛菜族(Salsoleae)不同光合类型物种GLDP表达调控的分子机制,本研究基于全基因组数据对该族C_(3)植物天山猪毛菜(Salsola junatovii)、C_(3)-C_(4)中间型植物松叶猪毛菜(Oreosalsola laricifolia)和白枝猪毛菜(Oreosalsola arbusculiformis)以及C_(4)植物木猪毛菜(Xylosalsola arbuscula)的GLDP及其启动子进行克隆与分析,结果表明这四种植物GLDP家族均只有一个成员,它们具有相似的基因结构、保守基序和结构域。GLDP在这些植物根、茎和叶中均有表达,其中在叶中表达量最高,其次是茎和根。基于GLDP在猪毛菜族和其他4个已公布的代表属植物叶中的转录表达丰度分析表明,与C_(3)植物相比,GLDP转录表达丰度在C_(3)-C_(4)中间型植物和C_(4)植物中逐渐降低。此外,利用松叶猪毛菜子叶瞬时转化体系分别对与GUS表达载体融合的上述4种植物的GLDP启动子进行活性分析发现,天山猪毛菜GLDP启动子在子叶所有光合组织中均表达;与7 d子叶相比,松叶猪毛菜、白枝猪毛菜和木猪毛菜GLDP启动子仅在14 d子叶维管束鞘细胞中特异表达。本研究结果为深入研究猪毛菜族不同光合类型物种GLDP组织特异性表达机理提供了参考依据。

珠江三角洲全新世沉积物C/N和δ^(13)C变化及对甘蔗种植业的指示

有机地球化学指标可以有效地区分沉积物中有机物的来源,进而分析人类活动对三角洲演变的影响。文章对珠江三角洲洪奇沥水道附近2个钻孔(HP和MZ,它们的研究深度分别是18.00 m和45.00 m)全新世沉积物进行了AMS^(14)C测年和全样有机地球化学分析,同时收集和对比了已有表层及钻孔沉积物的研究成果。结果表明,珠江三角洲平原全新世地层中有机质来源以陆源输入为主,反映了半封闭的古珠江河口湾内径流作用强盛,陆架高盐水难以入侵。晚全新世、尤其是近2000年以来,δ^(13)C迅速增大,反映了流域内C_(4)植物贡献的显著增加,推测是珠江流域自汉代以来甘蔗种植业发展的体现,也证实了珠江流域近2000年以来农业活动对三角洲建造的影响日益加剧。

草原生态系统稳定性对升温和氮沉降的响应研究进展

自工业化革命以来,全球变暖和大气氮沉降逐渐加剧。草原生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,对温度升高和氮沉降增加十分敏感,但目前对草原生态系统稳定性如何响应增温和氮素添加仍缺少整体性的认识。本文从植物群落以及土壤微生物群落等方面总结了国内外学者的研究,并概述了增温和氮素添加对草原生态系统稳定性影响的研究热点,以期为开展温度升高和氮素添加对草原生态系统影响的研究提供方向支撑。