吐鲁番市和哈密市是我国盐渍化危害最严重的地区之一,明晰其生态环境变化趋势和驱动机制对吐鲁番-哈密地区生态文明建设具有重要意义.基于Google earth engine(GEE)平台,筛选2005-2020年6-9月Landsat影像,选取绿度(SVAI)、湿度(Wet)、热度(LST)、干度(NDBSI)和盐度(NDSI)构建改进型遥感生态指数(SRSEI)对吐鲁番-哈密地区生态环境进行评估.结果表明:(1)SRSEI使用SAVI代替NDVI并加入盐度指标(NDSI),与RSEI相比有着更高的第一主成分贡献率,能更全面客观地评价吐鲁番-哈密地区生态环境质量.(2)时间尺度上,2005-2020年吐鲁番-哈密地区SRSEI先下降后上升,均值0.49,并在2020年均值达到0.5575,较差和良的面积占比变化显著,较差占比减少了 11.54％,良占比增加了 30.15％.且未来生态环境变化趋势还将以改善为主;空间尺度上,北部西山台原和中部莫钦乌拉山生态质量多为优和良,较差区域主要集中在南部噶顺戈壁.(3)年均降水量、年均气温和经济生产总值是驱动SRSEI变化的主要控制因子,q值均大于0.092;与单因子对生态环境影响力相比,双因子交互产生的影响力更强,年均降水量∩经济生产总值是驱动吐鲁番-哈密地区生态环境发生变化的最强交互因子.

为探讨胡杨适应盐渍环境的离子分布规律,揭示胡杨的耐盐生理机制,以高盐和低盐两种不同生境中的胡杨(Populus euphratica)为对象,测定其根、树干、老枝、幼枝、叶片等不同器官中Na+、K+、Ca2+、Cl-的含量,并分析各离子吸收、运输和分配特征的差异及其与土壤因子的关系.结果表明:(1)胡杨叶片中Na+、Cl-含量在高盐生境下显著低于低盐生境,K+含量在高盐生境下显著高于低盐生境,其他器官的各离子含量变化均不显著;胡杨老枝、幼枝、叶片的K+/Na+在高盐生境下均显著高于低盐环境、Ca2+/Na+增幅不明显;在高盐生境下,根系选择吸收K+能力显著低于低盐环境,但吸收Ca2+能力较强,且各器官对Ca2+、K+选择向上运输的能力更强.(2)在低盐环境中Na+、K+、Cl-主要分布在叶片中,Ca2+主要分布在根中,树干向幼枝、老枝选择运输K+、Ca2+能力较强;高盐生境中Na+、Ca2+主要分布于根中,K+、Cl-主要分布在根和叶片中,树根向老枝、幼枝选择运输K+、Ca2+能力较强.(3)胡杨根系Na+含量、地上器官K+含量与大部分土壤因子均呈显著正相关;根系K+含量与地上器官Na+含量和大部分土壤因子均呈显著负相关;树干中Ca2+含量与土壤总盐、电导率及Na+呈显著负相关;幼枝、树干中Cl-含量均与土壤HCO3-、SO42-有显著相关性;土壤含水量与根系中Na+含量呈显著正相关,与根系中K+含量呈显著负相关.综合分析推测,胡杨为适应不同盐渍环境,主要通过调节盐分离子在各器官的区域化分布、根系与叶片区隔和限制作用及枝干对离子的调节作用,保证树体各器官的离子平衡和正常生理代谢.

为明确胡杨的离子分布、吸收和运输规律,探讨胡杨适应盐渍环境的生理机制,以不同展叶物候期(萌芽期、展叶期、叶片快速发育期、叶片成熟期)的胡杨(Populus euphratica)为研究对象,测定各器官中的可溶性盐离子并分析离子吸收、运输和分配特征,结合林下土壤盐分,探讨胡杨离子分布与土壤盐分关系.结果表明,随着展叶物候的变化,胡杨通过对离子吸收、运输和分布规律的差异满足生长发育的需要及对环境的适应.(1)根系选择性吸收K+、Ca2+和Mg2+的能力随展叶物候变化呈先升后降趋势,以叶片快速发育期为最高,与土壤中总盐及Na+、Cl-含量变化趋势相反;(2)离子从根系-主干及幼枝-叶片的运输能力随展叶物候的变化表现为先降后升的相反趋势,且以叶片快速发育期为最低;(3)各器官中Na+和K+含量在展叶过程中变化不大,在叶片成熟期有显著升高,且Na+以根中含量最高,K+以叶片中含量最高,叶片和根系中Ca2+、Mg2+含量随展叶物候变化整体呈升高趋势;(4)展叶物候期胡杨器官离子与土壤离子相关性表现为:萌芽期,各器官离子含量受土壤盐分影响较小,指标间相关性多不显著;展叶期,根中Na+与土壤离子呈正相关,幼枝和主干K+与土壤多呈负相关;叶片快速发育期,幼枝Mg2+、根中Na+均与土壤离子呈正相关;叶片成熟期,各器官离子含量受土壤离子影响较小.

植物通过一系列复杂转运系统调节离子稳态以适应盐渍环境,SOS(salt overly sensitive)信号通路是植物响应非生物胁迫的主要信号途径,主要由质膜Na+/H+逆向转运蛋白SOS1、丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶SOS2 和钙感应器SOS3 组成.SOS1作为SOS信号通路的主要成员之一,广泛存在于高等植物中,由于早期的进化差异,可能导致不同物种SOS1 的结构和理化性质存在一定的特异性.SOS1 蛋白为一个同型二聚体,每个单体由跨膜和胞内结构域组成,这为整合来自不同途径的信号和调节Na+转运提供了稳定的对接平台.SOS1 基因转录水平受到不同胁迫条件的调控,通过Ca2+信号调控、磷酸化、自抑制和与离子转运体协同调控等机制可抑制或激活SOS1 活性.该蛋白具有调控植物昼夜节律和pH以及维持离子稳态等功能,在植物逆境胁迫响应中发挥重要作用.论文对SOS1 的结构、功能、调控机制及其维持植物离子稳态平衡作用等方面的研究进展加以综述,并对其未来研究方向进行展望,以期为农作物抗逆性遗传改良提供理论支持和优异基因资源.

植物小分子信号肽(small signaling peptides,SSPs)是一类蛋白长度小于 120 个氨基酸的小肽,作为新型信号分子在植物应答非生物逆境胁迫中发挥重要的作用.植物中含有千余种SSPs,多种多样的结构特点、修饰过程与不同受体的结合发挥其特异的功能,参与植物与环境之间的互作.挖掘鉴定植物SSPs功能基因,解析它们应答非生物逆境胁迫的调控机制,对增强植物抗性、改善植物生长具有重要的理论与实践意义.植物SSPs主要包括胞外非分泌型小肽、胞内非分泌型小肽、胞外翻译后修饰分泌型小肽和胞外富含半胱氨酸分泌型小肽四大类.介绍了四类植物SSPs的结构、特征;阐述了它们以SSP配体结合LRR-RLK受体激酶完成信号转导过程,以激活下游抗性基因表达为模式的调控机制;重点综述了它们在干旱、高温、盐渍、营养等非生物逆境胁迫应答中的生物学功能及调控机制.最后讨论了植物SSPs未来研究的方向和有待解决的问题,还对SSPs类生长调节剂的开发前景进行了展望,旨在为提高植物应对环境胁迫和实现农业可持续发展提供新的思路和路径.

我国人口占世界人口 17％,耕地面积约占世界耕地面积的 7.8％.根据国家统计局 2021 年数据,全国 19.18 亿亩耕地面积中旱地占 50.33％,水浇地占 25.12％,水田占 24.55％;其中约 10％的耕地已受到土壤盐渍化的影响.2020 年 12 月,习近平总书记在中央经济工作会议上深刻指出:"我国耕地总量少,质量总体不高,后备资源不足,我对这个问题一直高度重视、反复强调".干旱、盐害、低温、酸碱、重金属等非生物逆境严重影响作物产量和品质,是影响我国粮食安全的主要自然因素.另一方面,微生物在食品、农业、工业和能源生产中有着越来越多的应用,也是合成生物学改造的重要底盘.微生物生长也需要克服多种不利环境,包括高浓度底物产生的高渗透压、高浓度产物的毒性、高温、低pH和重金属等,胁迫耐受性提高的微生物可以在多种逆境条件下更好的生长和代谢.因此,解析生物对环境胁迫的响应机理,具有重要的基础研究意义,选育抗逆菌株和作物品系,具有广泛的应用价值.

土壤盐渍化是影响作物生长发育和产量的主要环境因素,利用土壤有益微生物治理盐渍化土壤是盐碱地改良的有效途径.本实验室前期从盐渍化土壤中筛选到两株耐盐菌株氧化微杆菌(Microbacterium oxydans)C8 和嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)B4.菌株C8 具有解钾、溶有机磷和无机磷及产生长素的能力,菌株B4 具有溶有机磷和产生长素的功能.本文研究了C8 和B4 混合发酵对其功能的影响,结果表明,C8 和B4 混合培养后,其解钾、溶磷及产生长素的能力显著高于单一菌株.利用正交试验和响应面优化试验对其混合发酵培养基和培养条件进行优化,C8 和B4 混合发酵最适培养基配方为:葡萄糖 10 g/L,酵母膏 10 g/L,NaCl 4.5 g/L;最适培养条件为:pH 7.4,温度 28.8℃,转速 129 r/min,接种量 2%,装瓶量 20%,培养时间 23 h.以烟草为材料,检测复合菌剂对植株生长的作用,结果显示,盐胁迫下C8 和B4 复合菌剂处理显著促进植株生长.

库鲁斯台草原是新疆塔城地区农牧业发展的重要物质基础.由于草原严重退化、沙化、盐渍化等生态环境问题日益突出,近年来我国实施了一系列生态修复工程以改善草原生态环境.及时、客观、定量评价生态环境质量的时空变化对环境保护修复工程实施和政策制定具有重要意义.本文基于Google Earth En-gine(GEE)平台,选取2009、2012、2015、2018和2021年同期采集的高质量Landsat影像,构建基于遥感的生态指数(RSEI),评估了库鲁斯台草原生态环境质量的时空变化和空间集聚规律.结果表明:(1)2009-2021年RSEI的均值由0.294增加至0.324,表明研究期内库鲁斯台草原生态环境质量整体呈波动上升趋势.(2)从空间分布来看,生态环境质量水平较差和差的区域主要分布在库鲁斯台草原西部、西北及西南部等海拔相对较低的区域,良好和优秀生态水平区域主要集中在森林覆盖率高的中部及东部等海拔较高、人类活动较少的地区.(3)2009-2021年,RSEI的全局Moran'sI值为0.508～0.687,表明库鲁斯台草原生态环境质量的空间分布呈显著正相关.RSEI局部空间自相关聚类图显示,高-高(H-H)集聚区主要分布在海拔较低的中部,低-低(L-L)集聚区主要分布在植被较少、海拔较高的西南部和西北部.

盐胁迫是干旱、半干旱地区以及灌溉土地主要的非生物胁迫,是影响农业生产的主要不利环境因子之一.随集约化灌溉农业的发展、水资源的缺乏、气候干旱带来的蒸发量的增加,土壤及地下水盐渍化程度不断增加.自然界中,土壤盐分在时空上呈不均匀分布.关于植物对均匀盐胁迫的响应研究报到较多,然而植物对不均匀盐胁迫的响应研究报道较少.分析了国内外植物适应不均匀盐胁迫的研究案例,从植物地上部分生长、地下部分生长、水分调节、光合作用以及离子调控等方面阐述植物适应盐分不均匀分布的生理机制,并提出展望.

针对研究区的生态环境特征(风力侵蚀、沙漠化、盐渍化严重、水力侵蚀严重),引入了大尺度景观格局指数(香农均匀性指数和蔓延度指数)和极端气候指数(极端高温日数、极端低温日数和极端降雨日数),构建了北方半干旱荒漠草原生态区生态脆弱性评价体系,进而分析和探讨了该地区近13年的生态脆弱性时空变化格局和驱动机制.结果表明,北方半干旱荒漠草原生态区的生态脆弱性总体上属于中度脆弱状态,呈现自西向东递减的趋势.2000-2013年,北方半干旱荒漠草原生态区生态脆弱性呈现减小趋势.近13年北方半干旱荒漠草原生态区的生态脆弱性时空变化格局受GDP密度、气温、降水、地形等因子影响显著.这些为北方半干旱荒漠草原生态区的生态环境修复及保护提供重要的科学支撑.