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《武汉植物园在气候变化下我国南方稻麦农田系统下生产力、环境效应及适应策略研究中取得新进展》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2020-08-20

  • 气候变化如大气CO2浓度增加、气候变暖与降水强度增加，可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或不能很快适应这种变化，使其遭受很大的破坏性影响，造成大范围的森林植被破坏和农业灾害。在农业上，气候变化主要影响农作系统(如水稻-小麦轮作)中作物生长与其可持续性发展，进而对我国粮食安全产生不利的影响。

    　　武汉植物园农业环境生态学科组博士生刘闯在陈防、刘毅与Lianhai Wu (英国洛桑研究所) 等老师共同指导下，通过作物生长模型-SPACSYS系统模拟与研究了气候变化对我国南方水稻-小麦作物系统下作物生产、环境效应及其综合适应策略。结果表明：1）SPACSYS作物生长模型能够有效模拟小麦和水稻的产量、地上生物量和氮素循环；2) 氮肥管理以及播种或移栽日期的改变可以大大减轻冬小麦-水稻轮作系统的产量损失和氮素贡献效率（ANCE）的降低；3) 生长季节的变化以及氮素管理的实践可能有助于缓解气候变化的进程；4) 推迟小麦播种和提前移栽水稻可以减少氮的淋失；5）气候变化与增施高量氮肥将间接增加水稻生长季N2O排放。该研究为我国南方水稻-小麦农田生态系统应对未来气候变化方面提供了理论基础。

    　　相关研究成果以“Climate change and environmental impacts on and adaptation strategies for production in wheat-rice rotations in southern China”为题，发表在农林专业领域JCR TOP 10 % (IF5Y = 5.142) 国际著名学术期刊《Agricultural and Forest meteorology》上。武汉植物园和英国洛桑研究所共同参与了该研究。研究工作得到了国家基础研发专项(2016YFD0200108), 农业部公益性行业专项(20150312203), 国家留学基金委《2018年中英联合博士生创新基金》 (201802527008) 和英国BBSRC“Soils to Nutrition” (S2N, BBS/E/C/000I0320 and BBS/E/C/000I0330)等项目的资助。

  • 原文来源：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2020.108136 ;http://www.whiob.ac.cn/xwdt/kydt/yjjz/202008/t20200819_5659456.html
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相关报告

  • 《武汉植物园在水鳖科沉水植物无机碳利用策略的研究中取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-09-04
    • 　与陆生植物相比，沉水植物的光合作用环境已经发生了根本性的变化：水分胁迫不再是沉水植物光合作用的主要限制因素，CO2成为沉水植物光合作用的首要限制因子。虽然CO2能轻易的穿透生物膜，但它在水中的扩散速率比在空气中要低104倍，此外由于水体与植物体边界厚的静水层的阻挡，使得沉水植物光合作用常受到低CO2供应的胁迫；尤其在高生产力的湖泊水体中，光合作用对CO2 的迅速吸收往往能够将CO2的表观浓度几乎降低至零。为了适应水体中光合作用的需要，沉水植物在长期的进化过程中发展出了一系列可缓解水体中CO2供应受限的无机碳利用策略，其中包括对HCO3-的利用，以及行使类似陆生植物的C4代谢或CAM代谢等。这种在碳限制条件下多种碳代谢途径的转化诱导，不仅反映了沉水植物光合途径的多样性、复杂性，也体现出沉水植物光合生理在进化过程中对生态环境的适应性。因此，对沉水植物无机碳利用策略的研究，一方面可从光合途径适应性变化的角度揭示沉水植物的生态适应机理；另一方面，可为沉水植物光合作用的适应性进化研究提供参考，丰富植物光合生理适应性进化的认知。水鳖科是一个非常古老的单子叶植物科，起源于70~100 mya 前的Paleocene 或者Cretaceous，其C4植物很可能先于陆生C4植物的出现，代表了C4光合途径的原型。此外，对水鳖科植物的前期研究表明该科植物呈现出了多样化的丰富的无机碳利用策略。因此，水鳖科植物是一类理想的水生植物无机碳利用策略的研究对象。武汉植物园李伟研究员团队就水鳖科沉水植物的无机碳利用策略的研究新进展报道如下： 　　1）龙舌草（Ottelia alismoides）是水鳖科一种具有异形叶性的沉水植物，在植物的生长发育过程中叶片表现出不同的形状，从植株幼苗期到成熟期根据叶片的形态可以大致划分为线形叶，披针形叶和卵圆形叶。前期研究表明龙舌草成熟时期的叶片具备多种无机碳利用策略(HCO3-利用，C4代谢，CAM代谢)，且可随着环境中CO2浓度进行调节。线形叶作为龙舌草发育过程中初始阶段的叶片，其是否具备多样化的无机碳利用策略，其结构基础如何，尚不得而知。围绕龙舌草线形叶展开的研究工作发现，龙舌草线形叶在高低碳条件下均可利用HCO3-，低碳下可诱导产生CAM和C4代谢。通过与以往研究结果进行综合比较分析发现，龙舌草异形叶的无机碳利用策略随着植株的生长发育而逐渐增强且多样化。此外，通过解剖结构观察，线形叶仅由3层细胞组成，且有大量气腔。其解剖结构与卵圆形叶相比叶肉层数较少，气腔的横截面积约是卵圆形叶片的66.7%，但是气腔占叶片横截面积的比例却高于卵圆形叶。低碳下的龙舌草线形叶表皮细胞叶绿体的淀粉含量要显著低于叶肉细胞的叶绿体内淀粉含量，推测这两类叶绿体与低碳条件下线形叶行使C4途径有一定关联，但两者之间的具体关系仍需要进一步研究。相关研究结果以“Response of anatomy and CO2-concentrating mechanisms to variable CO2 in linear juvenile leaves of heterophyllous Ottelia alismoides: Comparisons with other leaf types”为题发表在Environmental and Experimental Botany上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104194。 　　2）揭示了水鳖科沉水植物龙舌草（Ottelia alismoides）HCO3-利用的具体机制。通过pH-drift技术，结合CA酶和阴离子交换蛋白特异性抑制剂的使用，并辅助转录组学研究，以成熟龙舌草叶片为研究对象，发现胞外α-CA1催化的HCO3–与CO2的相互转化以及SLC4介导的HCO3–的直接转运在龙舌草HCO3–利用中发挥了重要作用。同时建立了模型以量化以下路径a，CO2被动扩散进入细胞；b，HCO3–静水层扩散后于质膜处通过α-CA1转化为CO2扩散进入细胞；c，HCO3–静水层扩散后于质膜处通过SLC4转运子直接进入细胞，分别对龙舌草光合无机碳利用的贡献比值。相关研究结果以“External α-carbonic anhydrase and solute carrier 4 are required for bicarbonate uptake in a freshwater angiosperm”为题发表在Journal of Experimental Botany上。论文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa351。 　　3）沉水植物不仅受到碳限制的胁迫，也经常遭受水体中重金属的胁迫。镉，被列为人类致癌物，主要通过工业过程或通过施用磷肥分散到水生态系统中。 Cd在水中的高溶解度有助于其在水生系统中的广泛分布；与其他金属相比，其相对较高的迁移率使其成为人们关注的主要金属。镉易被植物吸收并引起包含生理、生化及遗传变异等诸多方面的植物毒性，在受Cd影响的所有代谢途径中，光合代谢对Cd尤其敏感。沉水植物无机碳利用策略对低碳及重金属的联合胁迫的响应以水鳖科龙舌草为对象展开了研究。结果显示，Cd暴露对低碳下的龙舌草叶绿素合成、叶绿体超微结构都有损伤；叶绿素荧光、δ13C均显著降低。pH-drift显示Cd暴露后的龙舌草叶片无HCO3-利用能力；通过C4/CAM关键光合酶及昼夜酸度波动的测试，表明Cd暴露后龙舌草C4及CAM代谢受阻。Cd对龙舌草CCMs功能的影响与CA及PEPC等关键酶及叶绿体结构受损有关。相关研究结果以“Responses of CO2-concentrating mechanisms and photosynthetic characteristics in aquatic plant Ottelia alismoides following cadmium stress under low CO2”为题发表在Ecotoxicology and Environmental Safety上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110955。 　　4) 水菜花（Ottelia cordata）为水鳖科的一种多年生水生植物，分布在中国、柬埔寨、缅甸和泰国；它具有线形或披针形的沉水叶和卵/心形浮水叶。水菜花在其生长发育周期的第一年生长披针形沉水叶，第二年开始长出卵形浮水叶片，此后只更新浮水叶片，待沉水叶片全部衰败以后以浮水叶根生的方式生活。以水菜花浮水叶为研究对象，研究了其解剖结构及无机碳利用策略对环境水体中CO2变化的响应。研究结果显示，水菜花浮水叶上表面分布有气孔，高碳下最突出的结构变化响应是显著增加的上表皮细胞横截面积以及细胞宽度。这种高CO2条件下表皮细胞面积扩增的结构响应可能会通过增大CO2通过上表皮细胞膜的扩散面积而对光合作用产生影响。就CCMs而言，无论CO2浓度高低，水菜花的浮水叶都能利用HCO3-；酶学分析及有机酸波动模式的测试表明水菜花浮水叶仅在低CO2条件下运行CAM，高低CO2条件下均能进行C4代谢。本研究结果阐明了水菜花浮水叶不仅可以利用空气中CO2，也能依赖于水体中CO2及HCO3-进行光合固碳，且固碳方式会随着环境中CO2浓度进行调节。其体内为避免无效碳固定的多种碳利用方式之间的调节机制还需要进一步深入研究。相关研究结果以“Responses of leaf anatomy and CO2 concentrating mechanisms of the aquatic plant Ottelia cordata to variable CO2”为题发表在Frontiers in plant science上。
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  • 《武汉植物园在莲耐水淹响应机理研究中取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-03-21
    • 莲是莲科莲属挺水植物，在亚洲各国广泛栽培，具有重要的食用、药用和观赏价值。为了应对水生环境，莲适应性进化出了具有超疏水特性的“荷叶效应”，并拥有遍布周身的联通气孔。在我国，莲通常种植于河流、湖泊和低洼地带。但受全球气候变化影响，持续性强降雨频发，莲常遭受完全水淹的灾害，给莲生产带来巨大损失。 　　为加快莲耐水淹品种的分子育种进程，中国科学院武汉植物园的莲种质资源与遗传育种研究团队开展了莲应对完全水淹的响应机理研究，在国际园艺期刊Horticulture Research发表了题为“Time-course analysis and transcriptomic identification of key response strategies to complete submergence in Nelumbo nucifera”的研究论文。该研究对 ‘中国古代莲’ 和 ‘秋星’两个代表性莲品种进行了耐水淹时程处理，并结合表型数据、转录数据和组化电镜数据，初步揭示了莲耐水淹的分子响应机理。研究首次发现，莲作为一种水生植物，对完全水淹胁迫的耐受性其实很低，中位致死时间只有10天左右，大大低于其它水生植物40-100天的水淹致死时间。完全水淹早期（3-6h），莲主要采用了逃逸策略（Escape Strategy），体内乙烯迅速累积、叶柄快速伸长、通气孔面积和密度显著增加。完全水淹后期（24-120h），莲启动了静止策略（Quiescence Strategy），将自身厌氧呼吸限制在较低水平。此外，研究发现在完全水淹胁迫下，莲的抗病和抗氧化基因的表达水平显著提升，植物激素包括Ethylene、ABA、GA和JA等都不同程度地参与了莲的水淹胁迫响应。 　　以上研究主要由中国科学院武汉植物园的莲种质资源与遗传育种研究团队完成，邓显豹副研究员和杨东高级工程师为论文的共同第一作者，杨美研究员为通信作者。本研究得到了国家自然科学基金（31772353, 31700262, 32070336），中国科学院前沿科学重点研究计划（QYZDB-SSW-SMC017）和中国科学院青年创新促进会（2017390）等项目的资金资助。
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