多枝柽柳年轮生长速率测量及TRGR指标优势分析

灌木对生境和气候变化具有高度敏感性,其年轮资料在认识区域环境演变过程、全球气候变化和环境保护中具有重要作用。灌木植株在生长过程中受遗传和极端环境的影响,年轮常出现偏心和不规则生长,这使得专业年轮分析软件测量的年轮宽度数据难以准确反映其整体径向生长信息。为探讨适合于寒旱区灌木年轮学研究的年轮测量指标和测量方法,研究以该区域荒漠常见植物多枝柽柳(Tamarix ramosissima Ledeb.)为研究对象,通过U-net深度学习方法,获得年轮提取训练模型,自动获取扫描轮盘各年早材区域。轮盘扫描及语义分割后的图像经GIS配准赋坐标、ENVI图像处理后,借助GIS编辑和测量工具,完成多枝柽柳各年年轮生长速率(Tree-ring growth rate,TRGR)、年轮宽度(Tree-ring width,TRW)和树木基部断面积生长增量(Basal area increment,BAI)的测量;研究基于Timesat Savitzky-Golay(S-G)滤波时间序列拟合,获取点样尺度归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)季节曲线峰值、季节开始时的增长速率、大季节积分和季节结束时的值等7个关键参数。将多枝柽柳TRGR、TRW和BAI测量结果与NDVI季节曲线关键参数进行相关性分析,检验TRGR指标的合理性,分析指标优势。结果表明:测量的多枝柽柳TRGR指标与点样尺度NDVI关键参数间存在高度正相关,最高相关系数达0.98。TRGR指标不仅能够反映多枝柽柳年轮整体径向生长情况,而且可以有效去除年轮指标中的胸径趋势,突显指标环境趋势,有利于解决树木年轮学中指标去趋势难的问题。TRGR与TRW和BAI指标相比优势明显,可以作为灌木年轮学研究的新代用指标。研究结果为多枝柽柳年轮信息重构NDVI或反之提供了有利证据。研究构建的年轮测量方法相比于专业年轮分析系统具有更为多样的测量手段。研究结果可推动寒旱区灌木年轮学发展。

雪莲SikCDPK1基因的表达特征和蛋白激酶活性分析

极端生境草本植物天山雪莲中的Sik CDPK1基因可明显提高转基因烟草的低温、干旱耐受性。为探究Sik CDPK1基因的表达特征和蛋白激酶活性,本研究利用实时荧光定量PCR技术检测了Sik CDPK1基因在雪莲不同组织器官的表达水平以及对信号分子CaCl_(2)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA_(3))、水杨酸(SA)、H_(2)O_(2)的诱导响应模式,采用Kinase-GloTM技术检测了SIKCDPK1蛋白激酶活性,利用绿色荧光蛋白(GFP)基因融合蛋白表达法进行了SIKCDPK1蛋白的亚细胞定位。结果显示:Sik CDPK1基因在雪莲根、茎、叶、种子、幼茎、幼叶中均表达,Sik CDPK1基因受CaCl_(2)、ABA、GA_(3)、SA、H_(2)O_(2)的诱导表达但响应模式有差异;激酶活性分析发现Ca^(2+)存在时,SIKCDPK1具有激酶催化活性,加入Ca^(2+)螯合剂EGTA后,SIKCDPK1几乎没有激酶活性。SIKCDPK1激酶活性随Ca^(2+)浓度增加而增加,Ca^(2+)浓度(K0.5)为48.7 nmol·L^(-1)时,SIKCDPK1激酶活性可达到最大活性的1/2;以HisⅢ为底物时,SIKCDPK1的Km值可达到43.8μg·m L^(-1),SIKCDPK1蛋白定位于细胞核。上述结果表明Sik CDPK1基因表达无明显组织特异性,可响应信号分子Ca^(2+)、ABA、GA_(3)、SA、H_(2)O_(2)的诱导;SIKCDPK1发挥蛋白激酶活性需要Ca^(2+),SIKCDPK1主要在细胞核里发挥作用。

基于形态结构的新疆干旱地区真藓(Bryum argenteum)环境适应性研究

真藓为极端恶劣环境的开拓者和主要先锋植物,同时也是世界的广布种。通过对新疆不同干旱类型:半干旱区(居群A:P1—P6)、干旱区(居群B:P7—P9)、极端干旱区(居群C:P10—P17)的17个居群真藓的外部形态与解剖结构的对比研究,探索真藓植物外部形态和内部结构对不同干旱环境的适应性,以期为干旱区野生植物资源的合理利用与保护及生态植被恢复提供理论依据。结果显示:新疆不同居群真藓的株高、叶片的长和宽、毛尖长、植株横切面直径、叶细胞长和宽等指标存在显著性差异(P<0.05);随着干旱强度的增加,居群A<居群B<居群C的个体株高降低,叶片毛尖增长,叶面积减小,属于极端干旱地区种群C的叶面积变异系数最大;另外,通过研究形态解剖结构数据统计分析后发现,叶面积(0.3478)、株高(0.2957)、毛尖长度(0.2349)的变异系数依次降低,进一步说明真藓叶片对外界环境的变化反应最为敏感。据此推测真藓的个体外部结构和解剖结构具有很强的可塑性,且该特性是真藓适应各种环境的重要生存策略。

启动子RD29A对转雪莲SikCDPK1基因烟草抗逆性的影响

探究逆境诱导启动子RD29A对转雪莲SikCDPK1基因烟草抗逆性的影响,为SikCDPK1基因在植物遭遇低温、干旱时更好发挥作用奠定基础。采用基因重组技术构建RD29A启动子驱动SikCDPK1基因的植物表达载体,通过农杆菌介导法遗传转化烟草,分别观察、测定和比较分析低温、干旱处理后,RD29A::SikCDPK1转基因烟草、35S::SikCDPK1转基因烟草和非转基因烟草的表型、POD活性、SOD活性、叶绿素含量、MDA含量和相对电导率的差异。结果显示,干旱和低温胁迫后,RD29A::SikCDPK1转基因烟草的生长状况优于35S::SikCDPK1转基因烟草,更优于非转基因烟草;同时,RD29A::SikCDPK1转基因烟草的POD活性、SOD活性、叶绿素含量显著高于35S::SikCDPK1转基因烟草,极显著高于非转基因烟草;但MDA含量与相对电导率显著低于35S::SikCDPK1转基因烟草,极显著低于非转基因烟草。表明启动子RD29A可通过减缓叶绿素降解速率、提高抗氧化系统酶活性、减小膜通透性,使转基因烟草表现出更强的干旱、低温耐受性。

基于ITS和cpDNA序列的梭梭和白梭梭物种分化

【目的】基于nrDNA和cpDNA 2种基因,探讨中国同域分布的梭梭和白梭梭的物种分化,分析2种基因的单片段及其片段组合对2种植物的物种鉴别力,并分析生态位分化的程度及其对物种进化的影响,为梭梭和白梭梭的系统发育和谱系地理等研究提供基础数据。【方法】基于2个nrDNA序列(ITS2、ITS1-ITS4)和3个cpDNA非编码区序列(trnS-trnG、rps4和trnV),对古尔班通古特沙漠南缘同域分布的梭梭和白梭梭共30个个体进行序列分析;利用距离法(基于Kimura 2-parameter)研究2种植物的遗传分化;基于贝叶斯方法分析个体间的分子系统关系;并利用距离法、系统发育树法、BLAST比对法和诊断特征法评价ITS和cpDNA的单序列及其组合对2种植物的物种鉴别力。在此基础上,利用生态位分析软件ENMTools V1.4定量分析梭梭与白梭梭生态位分化的程度。【结果】1)对于梭梭和白梭梭,2个ITS序列拼接比对的总长均为1 117 bp,G+C含量平均分别为34.74%和34.82%,总的信息位点数分别占片段总长的2.33%和1.43%; 3个cpDNA序列拼接比对的总长均为2 344 bp,G+C含量平均分别为59.62%和59.39%,信息位点数分别占片段总长的0.68%和0.43%。2)基于ITS和cpDNA序列组合构建的贝叶斯系统发育树都表明梭梭和白梭梭各聚为一支。3)基于ITS和cpDNA序列组合计算的2种植物的种间最小遗传距离均大于种内的最大遗传距离,并且种间种内都存在1个明显的距离间隙,表明本研究所用的ITS和cpDNA的序列组合可以作为鉴定梭梭和白梭梭的DNA条形码序列。4)基于4种方法评价的ITS和cpDNA序列对梭梭和白梭梭的物种鉴别力表明:2个ITS的单序列及其序列组合的鉴别率均为100%; cpDNA序列中,rps4的单序列及其与trnS-trnG,trnV的两两序列组合的鉴别率均为0,而trnS-trnG,trnV的单序列及其序列组合,以及trnS-trnG+trnV+rps4组合的鉴别率均为100%。5)生态位参数D值和I值的观察值和一致性检验的模拟值都集中在0.65和0.90左右,表明梭梭和白梭梭的生态位分化不明显。【结论】基于ITS和cpDNA序列组合,梭梭和白梭梭物种间的遗传分化明显,分子系统关系清楚; ITS和cpDNA序列组合都可以作为鉴定梭梭和白梭梭的DNA条形码序列;梭梭和白梭梭的生态位分化不明显,说明生态因素很可能对2种植物的分化与进化没有起到明显的作用,2种植物很可能也具有相近的进化历史。本研究的结论可以为梭梭和白梭梭的系统发育、遗传和进化研究提供重要的理论依据和数据支撑。

GbCDPK83基因在干旱胁迫下的功能鉴定

为了探究GbCDPK83基因在海岛棉响应干旱胁迫中的功能。利用PCR技术克隆GbCDPK83基因,采用生物信息学方法分析GbCDPK83蛋白的理化性质、结构特征和在细胞中的位置,通过基因重组技术构建VIGS沉默载体并侵染棉花。本研究成功构建了沉默表达载体,沉默植株中GbCDPK83的表达明显被抑制。干旱胁迫后,GbCDPK83沉默植株叶片比对照萎蔫更严重,相对含水量显著降低,相对电导率和丙二醛含量显著上升,脯氨酸含量升高但低于空载体及非转基因植株。沉默GbCDPK83使海岛棉耐旱性减弱。

雪莲SikCDPK1启动子的克隆和活性分析

旨在克隆雪莲(Saussurea involucrata)SikCDPK1 启动子并分析其活性,为进一步解析雪莲 SikCDPK1基因的转录调控机制奠定基础。通过TAIL-PCR技术从雪莲中克隆SikCDPK1启动子,利用PlantCARE分析启动子区顺式作用元件,构建全长启动子或5’端缺失启动子驱动的GUS重组表达载体 P0∷GUS、P1∷GUS、P2∷GUS和P3∷GUS,转入根癌农杆菌中进行瞬时转化试验,通过GUS组织化学染色分析不同长度启动子的活性,分别测定低温和干旱胁迫下的GUS酶活。结果显示,获得了1 042 bp的SikCDPK1启动子序列,pSikCDPK1具有真核生物启动子核心元件TATA-box和CAAT-box,还含有多个与逆境、激素、光响应等相关的顺式作用元件。转化的烟草叶片经GUS染色之后均显蓝色,启动活性依次为P0>P1>P2>P3,低温、干旱处理后GUS酶活性发生变化。SikCDPK1启动子被成功克隆,具有驱动下游报告基因表达的活性。

新疆三种独尾草的适宜分布及其对未来气候变化的响应

研究国内仅分布于新疆的3种短命植物阿尔泰独尾草(Eremurus altaicus)、粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)和异翅独尾草(Eremurus anisopterus)的适宜分布及其对未来气候的可能响应,对新疆短命植物资源的分布、利用与科学保护具有重要意义。共收集了64个自然分布点,筛选了6个气候因子和2个地形因子数据,利用MaxEnt模型和地理信息系统ArcGIS软件模拟了当前气候情景下3种独尾草的生态适宜性,探讨影响3种植物分布的主导因子及其数值范围,预测3种独尾草的适宜分布对未来气候变化(2001—2040年、2041—2080年,基于温室气体中等排放情景:SSP2-4.5共享社会经济路径)的可能响应。结果表明:(1)基准气候下,3种独尾草在新疆的适宜分布存在较大差异:阿尔泰独尾草主要分布于伊犁河谷、天山北麓、阿尔泰山中段和准噶尔西部山地;两种沙生独尾草均分布于天山中段的绿洲-荒漠区过渡带,古尔班通古特沙漠西南部沙地;(2)最干月降水量(1—25mm)主要限制了阿尔泰独尾草的适宜分布;温度季节性变动指数(1150—1672)主要限制了两种沙生独尾草的适宜分布;(3)2001—2040年和2041—2080年,3种独尾草的适宜分布整体均呈缩减趋势:阿尔泰独尾草向天山北麓和准噶尔西部山地略微缩减;粗柄独尾草和异翅独尾草向古尔班通古特沙漠南缘略微缩减。

GhCDPK4基因的克隆和功能分析

为了研究棉花中GhCDPK4基因在响应非生物胁迫中所起的作用,通过PCR的方法克隆GhCDPK4基因,利用基因重组技术,构建植物过表达载体,采用农杆菌介导的叶盘法转化模式植物烟草,分析干旱和盐胁迫处理对转基因烟草表型和生理生化指标的影响。本研究成功克隆了属于棉花CDPK家族的基因GhCDPK4,构建了植物过表达载体pCAMBIA2300-GhCDPK4。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测发现转基因烟草中GhCDPK4基因高水平表达,并且转基因烟草相比于野生型烟草表现出较强的耐旱和耐盐性,其中SOD、POD和CAT活性显著升高,而相对电导率和MDA含量降低。研究结果表明GhCDPK4基因可正向参与应答干旱和盐胁迫。

中国扁桃亚属四种野生扁桃的系统发育与物种分化

基于核基因ITS序列研究中国4种野生扁桃:新疆野扁桃(Amygdalus ledebouriana)、蒙古扁桃(A.mongolica)、长柄扁桃(A.pedunculata)和西康扁桃(A.tangutica)的系统发育关系和物种分化,为4种植物的遗传与演化研究提供数据支撑。利用单倍型网络和主坐标分析揭示单倍型的聚类关系;利用最大似然树和贝叶斯系统树分析单倍型的系统发育关系;利用R语言"ecospat"包分析4种扁桃的生态位分化及其环境驱动因子。4种扁桃ITS1–ITS4片段总长为634bp,鉴别出27个核苷酸变异位点,共定义了28个单倍型。4种扁桃种间最小遗传距离均大于种内最大遗传距离,种间存在显著的遗传分化。4种扁桃的单倍型聚为两支:新疆野扁桃、蒙古扁桃和西康扁桃聚为一支,长柄扁桃为另一支;单倍型网络和主坐标分析揭示的单倍型聚类关系与系统树一致。西康扁桃与蒙古扁桃、与长柄扁桃之间均表现出了显著的生态位分化,最暖月最高气温、年平均气温、最冷月最低气温和最暖季降水量是驱动物种生态位分化的关键因子。

混合菌剂施用对加工番茄生长及根际功能性微生物 群落的影响

【背景】加工番茄为新疆种植红色产业重要的作物之一,加工番茄生产中存在传统配料过度施用的问题,“生物肥”逐渐受到人们关注。【目的】探究混合菌剂对加工番茄生长的影响,激发根际土壤功能性微生物种群的变化,为未来微生物菌剂的开发利用提供理论和实践基础。【方法】加工番茄根际施加微生物混合菌剂,测定加工番茄生长发育期间的农艺性状,探究混合菌剂对加工番茄生长的影响,利用16S rRNA基因扩增子分析技术,探究混合菌剂对根际微生物的群落组成及群落结构的影响。【结果】经过混合菌剂处理后,加工番茄的一些生长状况指标、果实重量、单株结果数及果实含糖量等性状得到改良,影响了果实的品质;施加混合菌剂激发土壤微生物的种群数量、群落组成和群落结构的改变,其中放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度提高,相关性分析表明对加工番茄生长产生了影响。【结论】加工番茄根际施用特基拉芽孢杆菌C-9与鞘氨醇杆菌A1制备的水分散混合菌剂,对加工番茄根际功能性微生物群落结构产生影响,一些功能性微生物的相对丰度提高,混合菌剂施加促进了根际微生物与植物的相互作用,使得加工番茄果实品质得到改良。

黑果枸杞在新疆的适宜分布模拟与局部环境适应性分化

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)是重要的药食同源植物,在干旱荒漠区发挥着防风固沙的重要生态功能,但目前片段化分布日趋严重。该研究利用黑果枸杞在新疆的87个自然分布点和基准气候(1971–2000年)下的19个气候变量,利用GIS空间分析和R软件Biomod2建模平台,模拟分析黑果枸杞在新疆的适宜分布范围、空间分布特征及其关键限制因子;并结合研究区土地利用/土地覆被现状,评价其分布潜力;同时对黑果枸杞的南北疆种群进行分组建模,分析该植物的生态位分化。研究结果表明:(1)组合模型的真实技巧统计(TSS)均高于0.75、接收工作机特征曲线下的面积(AUC)均高于0.85,模拟精度相比单个模型有明显提高;组合模型得到的种下分组建模的模拟准确性较物种水平有显著提升,TSS均高于0.78、AUC均高于0.88;(2)根据组合模型的模拟结果,黑果枸杞在新疆的适宜生境面积占比为36.72%,主要分布于准噶尔盆地、天山北坡及塔里木盆地西北缘和西南缘;其中,高度适生区面积占比为5.19%,集中于福海县、塔城地区东部、天山北坡博乐至阜康一线、库尔勒、柯坪县及塔里木盆地西南缘。高度与中度适生区与研究区耕地的重叠率达80.6%和50.8%;(3)南北疆黑果枸杞种群存在显著的生态位分化,最暖季平均气温、等温性、降水季节性是驱动黑果枸杞局部环境适应性分化的主要因子。

额尔齐斯河流域主要支流平原河谷林群落结构及特征

新疆阿勒泰地区额尔齐斯河流域河谷林是中国杨柳科树种的种质资源库,具有重要的遗传多样性价值。在当前气候变化背景下,以及水电工程和放牧等人类活动干扰下,研究其植物种类及植被类型的分布现状对于珍贵资源保护利用具有重要意义。该研究在额尔齐斯河流域布尔津河、哈巴河和别列则克河平原河谷林区,每隔4–8 km设置典型样地,调查了20个样地80个样方,分析了群落建群种组成、数量特征和径级结构,并对群落类型进行统计和划分。结果表明:(1)额尔齐斯河流域主要支流平原河谷林区共调查植物34科92属121种,多年生草本植物数量较多。(2)垂枝桦(Betula pendula)与苦杨(Populus laurifolia)在布尔津河、哈巴河为群落建群种,银白杨(P.alba)则是别列则克河群落建群种,黑杨(P.nigra)、额河杨(Populus×berolinensis var.jrtyschensis)、银灰杨(P.canescens)为伴生种,而白柳(Salix alba)主要见于河岸边缘,较少与其他杨属树种混生。(3)垂枝桦个体数量均在3条支流中等海拔达到最大值,而苦杨个体数量在中等海拔较小。(4)乔木层树种的径级结构受夏季打草放牧的影响较大,以大径级个体居多,幼树和幼苗数量较少。(5)河谷林群落可划分为6个群系34个群丛。