数字植物标本在科学研究中的应用:进展及挑战

全球自然历史博物馆中保存着约3.9亿份植物标本,这些标本为科学研究提供了重要支撑。近20年来,随着标本数字化的发展,数字植物标本在科学研究中的应用日益广泛。数字植物标本不仅为标本传统的用途提供了便利,而且衍生出了新的研究主题和方向。鉴于目前中文文献中缺乏数字植物标本在科学研究中的应用概述及所面临挑战的分析,该文概述了全球植物标本数字化的现状,并对数字标本在生物地理学、入侵生物学、气候变化和保护生物学等领域中的应用情况进行了综述。主要集中在以下5个方面:(1)生物地理学研究中物种分布格局及其成因;(2)编制入侵植物名录、重建入侵历史和预测入侵风险;(3)气候变化情景下植物分布格局的变迁机制;(4)生物多样性编目和保护区规划;(5)其他相关应用(如农业和民族药物学等)。最后,针对数字植物标本应用中存在的问题进行了讨论,并提出了应对策略,同时提出开发将数字标本与其他学科大数据进行整合分析的新理论、新方法和新工具,为植物学及相关学科提供参考。

中国克木人玛格勒节的历史来源、内容仪式与文化内涵调查研究

克木人是我国西南边陲一个跨境而居的文化族群。玛格勒节又叫红花节,是克木人一年中最盛大的传统节日,类似于汉族的春节和西方人的感恩节。目前国内外有关玛格勒节报道不多。本研究深入到西双版纳克木人生活的村寨中,通过田野调查、实地访谈、资料收集和文献查阅等方法,对玛格勒节的历史来源与传说、内容仪式、文化内涵及意义等进行了调查研究,获得了关于这一传统节日的大量宝贵资料。我们发现玛格勒节与芋头和红花等分别相关的两个历史传说,还有做米信、祭家神、祭寨神和喝罐罐酒等节日内容与仪式,同时玛格勒节是克木人一年中最重要的时间节点,具有丰富的文化内涵与意义。本文对这些方面进行了较为全面的阐述,以增加人们对该节日的理解、认识和关注。

南方红豆杉谱系地理学研究

通过对南方红豆杉18个居群499个个体叶绿体基因组的trnL-F片段进行RFLP分析,共检测到6个叶绿体DNA单倍型,其中除台湾居群外的17个居群都包含有单倍型H1和H2;黄山及临安居群除单倍型H1、H2外,还分别各有1个特有单倍型。谱系关系分析显示,单倍型H1、H2为较古老的祖先单倍型。AMOVA分析显示,变异主要存在于居群内,居群间的遗传分化程度较低(26.39%)。嵌套分支分析(NCA)显示,单倍型分布与地理分布存在轻度的地理相关性,南方红豆杉现在的遗传结构可能源于居群的片段化效应,台湾居群可能是由于曾经的居群片段化而隔离或长距离扩散所致;在第四纪冰期,中国东、南部地区可能存在2个以上南方红豆杉的避难所。

红花酢浆草试管根茎诱导和快速繁殖研究

对观花地被植物红花酢浆草的快速繁殖方法和离体保存进行了试验观察和分析,研究了植物生长调节剂对其诱导试管根茎和离体珠芽等的影响。结果表明,红花酢浆草的小芽在MS+BA 0.5 mg/L+NAA 0.2 mg/L的培养基上经过3个月的培养可一次成苗,采用微型扦插的方式达到增殖目的。小芽在MS+BA 2 mg/L+NAA 2 mg/L的培养基上经过60 d的培养丛生芽增殖率达1∶10,该方法可用于规模化生产种苗。芽条在MS+PP3331.5 mg/L的培养基上培养30 d,所有茎的腋芽膨大形成珠状结构,珠芽从母株上取下可生长为完整试管苗,另外,芽条在MS+NAA 0.5 mg/L+AC 0.5 g/L+8%蔗糖的液体培养基上培养90 d可形成纺锤形的试管根茎。单个根茎在合适条件下,无休眠可以继续生长发育为试管苗。试管苗和试管丛芽可以在温度为12℃和相对湿度60%条件下保存10个月以上。

丝颖针茅ScTIP1;1基因的克隆及对非生物胁迫的应答

利用丝颖针茅(Stipa capillacea Keng)一条EST序列并结合cDNA末端快速扩增(RACE)技术,克隆了丝颖针茅的一个液泡膜内在蛋白(tonoplast intrinsic proteins,TIPs)基因ScTIP1;1的全长编码区序列。该基因开放阅读框长度为753 bp,编码250个氨基酸,其蛋白质分子量为25.8 kD,理论等电点为6.16;序列比对及系统进化分析表明,ScTIP1;1和拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtTIP1;1蛋白的亲缘关系较近;亚细胞定位结果显示,该蛋白位于液泡膜上;实时荧光qRT-PCR检测表明,盐、干旱及低温胁迫可诱导ScTIP1;1基因的表达,且低温处理后基因的表达量变化最为明显。本研究结果为理解丝颖针茅的生态适应性提供了理论依据。

现代月季45S rDNA的荧光原位杂交分析

以45S rDNA为探针对和平、粉和平、奇异玫瑰、红双喜、蜜糖等5个现代月季品种进行了荧光原位杂交研究。结果表明,5个品种的45S rDNA杂交位点数量均为3个,杂交位点的大小和荧光强度比较一致。在细胞分裂间期的核中,5个品种的45S rD-NA杂交位点都位于核仁内,均表现为较小且荧光较弱的杂交点,呈圆形,相互间在大小和荧光强度上比较接近。基于研究结果对现代月季品种45S rDNA的特点及演化过程进行了初步探讨。

云南莲瓣兰主栽品种SSR指纹图谱的构建和遗传差异分析

为了解云南莲瓣兰（Cymbidium tortisepalum）的遗传多样性，利用SSR技术对32个莲瓣兰主栽品种进行遗传变异分析，并构建莲瓣兰栽培品种的指纹图谱。结果表明，筛选出的12对多态性高、稳定性好的引物共检测到95个等位基因，每对引物检测到4~18个等位基因，有效等位基因数（NE）为61.489，平均有效等位基因数（NA）为5.124，Shannon信息指数（I）和多态性信息含量（PIC）分别为0.806~2.624和0.789~0.953。12对引物中，以引物SSR03的等位基因数、NE、观测杂合度、I和PIC最高。32个品种在12对引物上都具有不同的特异性条带，可以彼此区别。从12对引物中筛选出3对核心引物SSR02、SSR03和SSR12构建了莲瓣兰主栽品种SSR分子指纹图谱，这3对核心引物组合即可鉴定32个莲瓣兰栽培品种。这为莲瓣兰的品种鉴定、遗传多样性分析和分子育种研究提供理论基础和技术支持。

霜冻对昆明植物园维管植物危害的调查分析

2013年12月中旬昆明出现严重的霜冻天气,导致植物大面积受害,造成了巨大的损失。若了解各类植物对极端低温危害的抵抗力,可为科学合理地预防和降低霜冻等冻害天气对园林植物的危害提供一定参考。作者抽样调查了昆明植物园90科225种植物的受害情况,并对受害程度与植物系统分类、形态特征和产地分布等方面的关系进行统计分析。结果表明蕨类植物抗冻性较差,裸子植物抗冻性较强,不同科的被子植物抗冻性差异较大;多年生草本比一年生草本抗冻性差,常绿木本植物比落叶木本植物抗冻性更强;本地物种比引进物种抗冻性较强。根据调查结果,对已有园林植物的保护和新的园林绿化建设提出了一定的建议。即根据不同植物的抗冻性强弱,一方面要对园林植物给予积极有效的保护和采取预防霜冻危害的措施,另一方面要结合环境条件和植物特征选择适宜种植的物种。

须弥红豆杉年龄结构及海拔分布分析

根据居群遗传学原理对须弥红豆杉的广大分布区居群调查,共调查了24个居群,662个个体,调查时记录经纬度及海拔高度,测量每株胸径。须弥红豆杉分布在海拔320-3 050 m的范围内,有两个主要的集中分布范围：320-1 100 m及2 500-3 050 m,前者主要分布着南方红豆杉,后者主要分布着西藏红豆杉。总体来说须弥红豆杉幼树所占的比例较高,树龄越高,在居群中所占的比例越小。原因可能是近年来退耕还林政策使得小生境的恢复,从而使较多的红豆杉种子能萌芽并存活下来。

牛樟芝非核糖体多肽合成酶基因(AcNRPS)的克隆与鉴定

胶霉毒素属于真菌天然次生代谢产物epipolythiodioxopiperazine(ETP)家族,具有免疫抑制剂、抗真菌等多种生物活性,是由非核糖体多肽合成酶(NRPSs)催化合成。从牛樟芝(Antrodia camphorata)基因组中挖掘出非核糖体多肽合成酶基因(AcNRPS,NCBI登录号为KX430967),克隆获取其全长cDNA,并对其进行生物信息学分析和表达谱分析。结果显示AcNRPS基因cDNA全长6 687 bp;与其DNA序列比对发现AcNRPS基因含有12个内含子;其开放阅读框编码2 229个氨基酸残基,BLAST比对发现其含有2个A-C-T结构域,底物需2个氨基酸;系统发育树结果显示AcNRPS与其他合成产物为胶霉毒素的NRPS基因聚为一类,其可合成胶霉毒素类化合物;表达谱分析显示,以葡萄糖和土豆蛋白胨作为碳、氮源的培养基能够有效促进牛樟芝NRPS基因的表达。

梳唇石斛试管开花诱导和离体保存

对珍稀濒危药用植物梳唇石斛(Dendrobidium strongylanthum Rchb.f.)离体开花诱导和保存进行试验、观察和分析,研究基本培养基和植物生长调节剂对诱导离体开花的影响以及培养条件对离体保存的影响。结果显示,试管丛芽培养在MS+6-BA 2 mg/L+NAA 0.2 mg/L的培养基上,培养20 d试管开花的诱导率高达96%以上。试管丛芽接种在花宝1号3 g/L+NAA 1 mg/L+活性炭0.5 g/L培养基上,在12℃和HR 60%条件下保存,继代周期可延长至2年。该物种快速繁殖方法和保存技术的成功,为濒危植物梳唇石斛持续利用提供了技术支持。

芜菁BrrHMA2.1和BrrHMA2.2基因的克隆与表达

该研究以芜菁(Brassica rapa var.rapa)为材料,克隆得到重金属ATP酶(HMA)家族1对同源基因BrrHMA2.1(GenBank登录号:MG_283237)和BrrHMA2.2(GenBank登录号:MG_283238),并对其蛋白质序列特征和基因表达模式进行分析。结果表明:(1)BrrHMA2.1和BrrHMA2.2基因的全长开放阅读框分别为2 619和2 724bp,分别编码872和907个氨基酸;序列结构分析显示,BrrHMA2.1和BrrHMA2.2蛋白含有6个跨膜区和HMA蛋白家族保守结构域;系统进化树结果显示,BrrHMA2.1和BrrHMA2.2蛋白与拟南芥HMA家族成员AtHMA2进化关系最近。(2)亚细胞定位结果表明,BrrHMA2.1和BrrHMA2.2蛋白都定位于细胞膜上。(3)qRT-PCR分析表明,芜菁生长初期BrrHMA2.1和BrrHMA2.2基因在叶中的表达量最高;随着生长时间的延长,叶中的表达量逐渐降低,而根中的表达量逐渐增加。(4)研究发现,BrrHMA2.1受Cd^(2+)、Zn^(2+)、Na^+、Mg^(2+)胁迫诱导表达,BrrHMA2.2受Cd^(2+)、Na^+、Cu^(2+)胁迫诱导表达,表明2个基因可能参与这些金属离子的转运过程。该研究结果为进一步研究植物HMA基因在重金属吸收和转运过程中的功能奠定了基础。

高压水枪湿土法和瓶旋转播种法加速温室批量拟南芥的栽培进程

[目的]为了寻找适用于温室批量拟南芥栽培过程中快速且经济实用的盆栽土浇湿方法和播种方法。[方法]结合温室批量拟南芥栽培中土壤要求特点和播种特点,摸索出实用、简易且快速的批量盆装土浇湿方法和播种方法——高压水枪湿土法和瓶旋转播种法。高压水枪湿土法采用简单的覆水、穿透、浇湿和浇平四步,能快速备好用于播种或移栽等盆装湿土;瓶旋转播种法利用自制播种瓶,采用简易的旋转、挤压和倾倒等操作,能快速播种。[结果]使用高压水枪湿土法浇湿50托盘1 000盆土只需约35 min,浇好的盆装土具有土壤湿润、通气性好、基质分布均匀和表面平整等优点,利于种子播撒、萌发和移栽幼苗成活与正常生长;使用瓶旋转播种法播种50托盘1 000盆土仅需15 min,播种后种子疏密一致、分布较均匀。[结论]利用这两种方法,加上后期日常管理,可快速培养出大量生长健壮、表型稳定和符合实验要求的拟南芥,加快了实验室科研项目推进的速度。高压水枪湿土法对其他温室栽培植物如花卉、蔬菜和果树幼苗等移栽前的盆装土浇湿适用,瓶旋转播种法对其他微小种子的播撒也有重要参考价值。

圆锥南芥适应高山干旱环境机制

以高山植物圆锥南芥和其近缘物种拟南芥种子为研究材料,通过在生长培养基中添加不同浓度的甘露醇(150、300和600 mmol/L)模拟干旱胁迫,比较两物种的萌发情况,并检测甘露醇处理前后两种植物种子中的内源激素脱落酸(ABA)含量、热激蛋白HSP101和HSP70的表达量,研究圆锥南芥适应高山干旱环境的可能机制。结果显示:圆锥南芥种子对甘露醇更敏感,当甘露醇浓度超过300 mmol/L时,出现暂时休眠的现象;正常情况下,圆锥南芥种子中ABA含量显著高于拟南芥;甘露醇处理后,两物种ABA含量都有所上升,圆锥南芥ABA含量显著高于拟南芥;正常情况下,两物种的HSP101和HSP70表达量都较低;甘露醇处理后,拟南芥的HSP101和HSP70的表达量明显增强,而圆锥南芥的HSP表达量不受影响。研究表明,圆锥南芥在干旱胁迫下保持高含量ABA以启动种子休眠,推测其不合成HSP蛋白等生物大分子物质是一种节约能量的方式,这是圆锥南芥对高山干旱环境的适应性策略。

温度对高山植物紫花针茅种子萌发特性的影响

温度是影响种子萌发的重要因子,在气候变暖和草地退化的背景下,认识温度变化对紫花针茅（Stipa purpurea）种子萌发的影响有重要意义。作者系统研究了6个恒温条件（5、10、15、20、25、30℃）和3个变温条件（5/15、10/20、15/25℃）对不同居群紫花针茅种子萌发特性的影响。结果表明,紫花针茅种子适宜的萌发温度范围为15-25℃,低于10℃或高于30℃的温度都会抑制种子的萌发;与对应的恒温条件相比,变温条件不能起到促进紫花针茅种子萌发的作用;不同居群紫花针茅种子萌发对温度的响应既有相同点,也有不同点;海拔高度与种子萌发率存在极显著负相关关系,种子萌发季土壤温度与种子萌发存在显著负相关关系。本研究将为合理的保护和恢复紫花针茅草地提供一定科学依据。

青藏高原东南缘五种火绒草属植物的核型

报道我国青藏高原东南缘5种6个居群火绒草属植物的染色体数目和核型。银叶火绒草Leontopodium souliei 2n=2x=24=13M+8m+3sm,1B;坚杆火绒草L.franchetii 2n=2x=26=6M+18m+2sm,2A;华火绒草L.sinense;四川木里海拔2406m的居群:2n=2x=26=4M+22m,1B,四川木里海拔3074m居群:2n=4x=52=16M+36m,1B;美头火绒草L.calocephalum 2n=4x=48=3M+43m+2sm,1B;毛香火绒草L.stracheyi 2n=4x=48=13M+35m,1A。对现有的染色体资料分析表明:火绒草属的染色体核型比较对称,但种间具一定的变异;多倍化可能是该属在我国青藏高原及其周边地区发生强烈物种分化的重要原因之一。

青藏高原八种菊科植物染色体核型报道

对产自青藏高原的8种菊科植物进行染色体核型分析,其中6种为首次报道。其核型公式和不对称性如下:葵花大蓟Cirsium souliei 2n=34m,1A;绵刺头菊Cousinia thomsonii 2n=26=22m+4sm,2A;小还阳参Crepis minuta 2n=14=10m+4sm,2A;缘毛橐吾Ligularia liatroides 2n=60=32m+28sm,2A;肉叶雪兔子Saussurea thomsonii 2n=36=22m+14sm,2A;西藏蒲公英Taraxacum tibetanum 2n=16=10m+6sm,1A;其余2种的染色体数目及核型与前人的报道一致。

4种草本植物对镉的富集特征

以4种草本入侵植物粗毛牛膝菊、洋野黍、莠狗尾草和欧黑麦草作为研究材料,利用盆栽实验研究了这4种植物在土壤镉(Cd)含量(mg·kg^(-1))为0(T0)、5(T5)、25(T25)和50(T50)处理下的耐受和富集特征,以期筛选出对Cd污染土壤具有修复潜力的植物.结果表明,粗毛牛膝菊在T5~T50处理下,地上部分和根部生物量与对照(T0)相比均没有显著变化,而其他3种禾本科植物的地上部分和根部生物量在T25或T50处理下与对照相比显著降低,表明粗毛牛膝菊比其他3种植物具有更强的Cd耐受性.在不同土壤Cd含量处理下,4种植物地上部分和根中的Cd含量均随土壤Cd含量增加而显著升高,但4种植物地上部分富集系数随土壤Cd含量升高有显著降低的趋势.在不同土壤Cd含量处理下,粗毛牛膝菊和洋野黍的地上部分富集系数都大于1,莠狗尾草和欧黑麦草地上部分富集系数小于1.在T5、T25和T50处理下,粗毛牛膝菊的转移系数分别为0.93、0.73和1.04,分别显著高于同一Cd含量处理下的其他3种植物.此外,在相同的Cd处理下,粗毛牛膝菊积累的Cd总量和地上部分Cd含量均显著高于其它3种植物,并且粗毛牛膝菊能将90%以上的Cd转移到地上部分,显著高于其他3种植物.综合考虑对Cd的耐受和富集能力,本研究认为粗毛牛膝菊是一种潜在的Cd高富集植物,具有一定的植物修复潜力.

青藏高原二种车前属植物的核型和C-值报道

对青藏高原平车前(Plantago depressa)18个居群和大车前(Plantago major)2个居群的染色体数目、核型和C-值进行了研究。结果表明:西藏亚东县和林芝县的平车前居群染色体数目为2n=4x=24;其它平车前和大车前居群的染色体数目均为2n=2x=12;染色体基数均为x=6;核型类型均为1A型,核型组成和前人的研究结果不尽相同。平车前的2C-值为首次报道,随着倍性水平的增加1Cx-值降低。大车前的2C-值和前人的研究结果存在着差异。平车前和大车前不同居群的2C-值发生了变异。流式细胞仪不能用来估测车前属植物的倍性水平。

叶表皮蜡质纹饰特征的种内变异——以青藏高原地区的紫花针茅和小叶棘豆为例

叶表皮在扫描电镜下的微形态特征,特别是蜡质纹饰的微形态特征,被认为具有重要的分类学和系统学价值。既往的叶表皮微形态特征的研究主要集中于种或种以上分类等级,而对种内微形态特征变异的研究较少。本研究以紫花针茅和小叶棘豆为研究对象,各选取29份及15份来自青藏高原不同地区的实验材料,在扫描电镜下观察叶表皮蜡质纹饰微形态特征。结果表明:两种植物的蜡质纹饰微形态特征在种内都存在较大的变异,推测该特征并不受单一因素的选择作用,生境的异质性导致蜡质纹饰的多态性。本研究建议在使用叶表皮微形态特征开展分类学和系统学研究时,应加大取样量并涵盖尽可能多的生境类型,才有可能阐明一个物种叶表皮微形态特征的变异范围。