核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是光合作用中决定碳同化速率的关键酶,其中小亚基(rbcS)是由核基因编码,并且主要在叶片中表达.利用RT-qPCR技术确定了小黑杨(Populus×xiaohei)叶片中高表达的Rubisco小亚基基因PxrbcS1和PxrbcS2基因,并克隆了其上游2 240、2 174 bp的启动子.对其进行启动子元件分析结果表明,PxrbcS1和PxrbcS2的启动子具有多个与光诱导表达相关的元件,例如G-box、MRE和Box 4等元件.构建pBI-121-pPxrbcS1::GUS和pBI-121-pPxrbcS2::GUS植物表达载体并遗传转化84K杨(P.alba× P.glandulosa).GUS组织化学染色以及qPCR表达分析表明PxrbcS1和PxrbcS2的启动子能够驱动GUS基因在84K杨叶片特异性高表达.总之,上述结果表明该研究成功地从小黑杨中克隆了具有叶片高表达活性的Pxr-bcS1和PxrbcS2的启动子,该启动子可应用到包括杨树在内的植物光合作用相关的基因功能研究以及提高植物光合作用的遗传操作中.

东北作为我国重要农产品基地,其黑土有机质含量可达普通土壤的十倍.近年来由于过度的开发与利用,导致黑土质量下降,因此研究农田防护林对土壤质量的改善具有战略意义.为探讨农田防护林对黑土质量的改善效果,以不同林龄(Y1:林龄是1 a的小黑杨;Y5:林龄是5 a的小黑杨;Y6:林龄是6 a的小黑杨;Y8:林龄是8 a的小黑杨)小黑杨林下土壤为研究对象,通过测定小黑杨防护林样地的土壤理化性质,分析不同林龄小黑杨林下土壤理化性质的差异,并通过最小数据集方法对林下土壤质量进行评价.结果显示:(1)不同林龄土壤质地为:Y1:砂质土壤;Y5:壤土;Y6:粉砂质土壤;Y8:粉砂质土壤.(2)土壤透气保水性随林龄增长向良性方向演化,表层土壤容重由1.33 g/cm3减小到1.17 g/cm3,不同土层间差异不显著,且土壤物理指标与树木生长量及其他土壤因子具有较强的相关性.(3)土壤pH随林龄减小,随土层呈波动性变化,范围在6.19-6.58之间.土壤养分随林龄呈波动性变化,垂直变化差异显著,除速效钾外均富集在表层,各土壤养分元素之间相关性较弱.(4)土壤微量元素有效态含量在不同林龄及土层均差异显著,且各元素之间相关性较强.(5)基于最小数据集的构建发现,影响不同林龄小黑杨土壤质量的最小数据集指标包括全氮、全钾、饱和持水量、速效磷、钙、锰,经总数据集验证所构建的最小数据集可体现小黑杨林下土壤质量有效信息.(6)小黑杨不同林龄土壤质量指数介于0.358-0.667,土壤质量综合得分排名为Y8＞Y6＞Y5＞Y1.基于以上发现,小黑杨作为农田防护林对黑土区土壤质量改善效果明显,土壤保水透气性显著提升,土壤化学养分及微量元素含量部分提高,且不同林龄小黑杨对养分的循环利用效果差异显著.为实现黑土资源的合理利用,本研究建议随防护林林龄增加,更改林下套种作物以提高土壤质量及作物产量,为幼龄防护林对黑土区耕地的可持续利用提供科学依据.

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.

小黑杨(Populus simonii×P.nigra)是东北地区速生、耐寒、材性优良的树种.为了创制适种范围广、耐旱性状明显改良的林木新种质,利用小黑杨为材料,以干旱胁迫关键响应因子PsnNAC007转录因子为对象,创制了小黑杨过表达OE-PsnNAC007转基因植株.对OE-PsnNAC007转基因植株的生长指标、干旱胁迫适应能力、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、导水率指标、细胞形态和木材组分进行分析.结果显示:与野生型小黑杨相比,转基因植株的生长情况无明显差异,而干旱胁迫成活率提高了26.15%.在干旱胁迫条件下,转基因植株气孔导度减小、蒸腾速率下降、水分利用效率明显提高,植株茎干的导水率损失显著减少.解剖学分析发现,PsnNAC007的过量表达导致植株茎干产生更多、更小的导管细胞,这种细胞特性有利于植株在干旱条件下维持水分连续高效的运输.木材组分分析发现,转基因植株茎干木质素沉积明显增强,构成纤维素、半纤维素的单糖含量均无明显变化.

[目的]明确美国白蛾Hyphantria cunea对常见寄主植物的取食偏好,依据寄主植物中次生物质的含量及美国白蛾幼虫乙酰胆碱酯酶和解毒酶活性来探明美国白蛾对寄主植物的取食策略.[方法]以北京地区美国白蛾危害程度不同的8种植物(桑Morus alba、洋白蜡Fraxinus pennsylvanica、臭椿Ailanthus altissima、白榆Ulmus pumila、黑杨Populus nigra、垂柳Salix babylonica、西府海棠Malus micromalus和金银木Lonicera maackii)为寄主,通过室内饲养,测定美国白蛾4龄幼虫对不同寄主植物叶片的取食量、选择率及营养效应指标,划分其对寄主植物的取食偏好.对8种寄主植物中类黄酮、总酚、单宁含量以及取食不同寄主植物叶片的美国白蛾4龄幼虫体内乙酰胆碱酯酶和解毒酶活性进行测定.[结果]美国白蛾4龄幼虫对不同寄主植物具有选择差异,选择率大小则为洋白蜡和臭椿＞桑＞白榆＞西府海棠、垂柳和金银木＞黑杨.寄主植物叶片中类黄酮的含量与幼虫的取食量呈显著负相关(r=-0.657,P=0.017).不同寄主植物对美国白蛾具有不同的营养效应.金银木饲喂组近似消化率(0.97％±0.01％)最高,相对取食量(2.92±0.49 g/g·d)也较高,但食物利用率(0.005％±0.01％)、食物转化率(0.005％±0.008％)和相对生长率(0.007±0.02 g/g· d)最低;西府海棠饲喂组相对生长率(0.34±0.04 g/g·d)最高,近似消化率(0.72％±0.10％)、食物利用率(0.16％±0.叭％)、食物转化率(0.24％±0.06％)和相对取食量(2.19±0.38 g/g·d)均处于较高水平.取食不同寄主植物的美国白蛾幼虫乙酰胆碱酯酶(AchE)、谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)、羧酸酯酶(CarE)和昆虫细胞色素P450 (P450)的活性存在显著差异(P＜o.o1).[结论]美国白蛾幼虫对不同寄主植物存在取食选择和营养效应差异,幼虫灵活的取食策略以及解毒代谢调节能力可能是其适应不同寄主的主要原因.

以小黑杨当年播种苗为材料,研究了不同施氮量(12,24和48 mg·株-1)和不同形态氮素(有机氮和无机氮)施肥对小黑杨幼苗生长的影响,以探讨小黑杨对氮基酸类有机氮素施肥的生长响应.结果表明:无论施无机氮(硝酸铵)还是有机氮(精氨酸),小黑杨幼苗的苗高、地径、总生物量都是随施氮量的增加而增加,但是中等施氮量处理的幼苗氮利用效率最高.无机氮(硝酸铵)和有机氮(精氨酸)处理的幼苗在相同施氮水平下生长表现无明显差异,施用有机氮可以与施用无机氮获得相同的促进苗木生长的效果.不同氨基酸及其组合肥料施用对小黑杨幼苗生长的影响显著.单一氨基酸施肥情况下,施用精氨酸促进苗木生长的效果最好,谷氨酸次之,甘氨酸最差;氨基酸组合施肥情况下,有精氨酸的组合施肥苗木生长好,有甘氨酸的组合施肥苗木生长差.不同氨基酸施肥处理对小黑杨幼苗各器官氮含量没有明显影响.

GRAS转录因子是一种植物特有且广泛分布的转录因子,参与调控植物生长发育及在植物响应环境胁迫中发挥重要的功能.本研究通过克隆小黑扬(Populus simonii×P.nigra) PnGRAS47基因序列,分析其基因及蛋白序列的基本特征;通过实时定量PCR技术检测在不同形态和不同浓度的氮素处理下小黑杨PnGRAS47基因的组织表达模式.研究结果显示:PnGRAS47基因全长1 528 bp,编码452个氨基酸.PnGRAS47蛋白分子质量为50 812.19 Da,理论等电点为5.41,为不稳定蛋白,不存在信号肽,有2段跨膜区域.氨态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)处理下,小黑杨PnGRAS47基因呈现组织特异性表达.0.1和10 mmol·L-1 NO3--N诱导了PnGRAS47基因在叶和根中的表达,0.1和10 mmol.L-1的NH4+-N处理诱导了PnGRAS47基因在叶和茎中的表达,但抑制了其在根中表达.因此,小黑杨PnGRAS47基因受不同氮素的诱导,在不同组织中存在差异,GRAS基因可能在小黑杨对氮素的吸收与利用中发挥作用.

小黑杨是人们以小叶杨和欧洲黑杨为亲本培育出的杂交种,兼具双亲生长速度快、抗性强的优点.本研究通过二代测序技术,对小黑杨进行全基因组测序,初步组装出小黑杨基因组,并以此为基础,识别分析其SSR序列,为小黑杨品种划分、表型性状关联等提供参考.结果表明,共组装得到了366 876条总计368.96 Mbp的contig序列;对其中不小于2000 bp的21 788条的非冗余contig进行SSR分析,共识别出18 111条SSR序列,其中一、二、三核苷酸重复基序较多.对得到的SSR序列设计引物,共得到12 838对引物,供今后实验使用.

金属伴侣在植物的生理活动中发挥关键作用,负责结合金属离子并将其转运至靶蛋白以维持细胞的金属离子稳态.目前关于HIPP(heavy metal-associated isoprenylated plant protein)金属伴侣蛋白的特性和功能分析多集中于模式植物拟南芥.本研究在毛果杨(Populus trichocarpa)中鉴定了14个PtHIPPs蛋白,均具有两个保守的金属离子结合基序MXCXXC,氨基末端可以形成βαββαβ二级结构,羧基末端具有保守的异戊二烯化基序;一些PtHIPPs还具有赖氨酸和/或甘氨酸富集区.根据基因结构、蛋白质的保守基序和进化树分析,PtHIPPs蛋白可分为3个亚组.PlantGenIE的组织特异性表达数据及荧光定量PCR鉴定结果显示,毛果杨PtHIPPs基因及小黑杨(Populus simonii× Populus nigra)PnHIPPs基因具有特定的组织表达特异性且存在差异.此外,利用缺铜及过量铜离子处理小黑杨植株不同时间后,不同组织部位中PnHIPPs基因的表达模式发生改变.本研究为鉴定木本模式植物杨树HIPPs蛋白在维持铜离子稳态过程中发挥的作用提供了参考依据.

为了解不同干旱胁迫处理下,杨树叶片光合特性和气孔形态的变化规律,本研究以4个杨树无性系为材料,对其干旱胁迫下光合指标与气孔形态指标进行测定分析,方差分析结果表明:除气孔器长在处理间差异不显著外,其他性状在无性系间、处理间和无性系与处理交互作用间均达极显著差异水平.随着土壤相对含水量的逐渐降低,无性系净光合速率、蒸腾速率和气孔导度都呈现出不同程度的下降;而胞间二氧化碳浓度呈现为先降后升趋势,表明当土壤相对含水量大于40％时,光合作用的主要限制因子是气孔因素,当土壤相对含水量低于40％时,光合作用的主要限制因子转换为非气孔因素.气孔形态研究结果表明,各指标均随土壤相对含水量的持续降低呈现出持续下降趋势.利用隶属函数法对不同干旱胁迫下4个杨树无性系的抗旱性进行综合评价,结果表明:白城小青黑杨的抗旱性优于其他三个无性系.