【目的】为了更好地发挥城市河道景观的生态、社会、经济等功能,将定性和定量评价相结合,构建水敏性河道景观的评价模型,明确河道景观后续设计重点方向。【方法】 以南京月牙湖为研究对象,采用层次分析法(AHP)构建城市水敏性河道景观评价体系,设置生态、美学、功能为准则,水质、雨水利用、生物栖息地多样性、植物物种多样性、水景层次丰富度、个性化景观、雨水艺术化处理、环境协调性、公众参与、生态教育、管理维护、防洪蓄水等为指标,根据专家意见确定各指标层的权重,结合不同背景人群问卷调查的数据,通过距离指数法对月牙湖各指标的适宜性进行评价。【结果】 数据显示,月牙湖水敏性景观距离指数为0.36,评价等级为基本适宜,生态距离指数为0.48(基本适宜),美学距离指数为0.26(基本适宜),功能距离指数为0.19(适宜);通过指标因子的权重可看出月牙湖还需实现雨水资源的净化、收集、储蓄和利用,以及雨水设施与景观的艺术设计,增加生物栖息地类型与面积,增加种植水敏性植物种类和数量,修复生态环境;分析不同背景人群评价的数据得出,在生物栖息地多样性、植物物种多样性、水景层次丰富度、雨水艺术化处理、生态教育、管理维护等指标上,评价结果存在显著差异。【结论】 本研究构建的水敏性河道景观评价模型可为城市河道景观的后续评价与修复设计提供理论依据,为河道景观的后续可持续发展明确设计方向。
良种是提升人工林生产力和增强其碳汇能力的重要基础。“林业种质资源培育与质量提升”是国家“十四五”重点研发任务之一。突破制约林木育种效率和遗传增益提升的瓶颈对于保障国家木材安全和实现“双碳”目标具有十分重要的战略意义。由于传统林木育种周期长、效率低、表型选择精度差,以分子育种为代表的现代育种技术可以显著缩短林木育种周期,精准改良目标性状,成为实现高效林木遗传改良的关键途径。笔者分析了限制林木遗传改良进程的主要问题,阐述了全基因组选择育种等现代林木育种关键核心技术的发展现状及应用情况,并对这些技术未来发展方向进行了展望,为加速林木遗传改良的重大技术创新提供参考。
围绕中国马尾松遗传改良从20世纪50年代末的起步,70年代末80年代初开始的全面发展,到21世纪后现代生物技术的快速融入提升,较全面回顾了60多年3代人坚持不懈的科研历程及取得的主要成就,并着重总结南京林业大学马尾松课题组牵头或参与的优良种源筛选、优树选择、母树林与种子园营建、无性系选育、材性遗传改良、现代生物技术辅助育种等相关研究工作,及其创新与引领性作用、对社会的贡献和遗传改良经验。面对新的机遇与挑战,针对马尾松树种特点、现有研究基础及社会需求、结合生物学领域的发展趋势,进行了该树种的相关研究展望,认为未来该树种的遗传改良应围绕种质资源、多目标选育、家系与无性系林业需求、常规与现代生物技术融合等方面展开,同时需侧重抗松材线虫病、纸浆材、高产脂良种选育,将基础性和前沿性研究融入常规育种等领域,从而使该树种的遗传改良推向一个新高度。
林下经济学学科理论与技术是随着国际社会对森林在全球可持续发展中关键作用的认识不断深入的大背景下产生的,特别是林下经济在森林多功能作用、保护生物多样性、维持水和土地资源、提供多种木材和非木质林产品等方面发挥积极作用,其对发展森林生态经济、促进森林可持续经营、多功能森林建设不断得到深化等有着重要意义。林下经济学顺应了全球涉林交叉学科前沿发展的趋势,是着眼于完整的、现代的森林资源概念,以森林生态经济系统为研究对象,以非木质林产品和森林生态产品产出为目标,以多学科融合理论技术为手段,系统研究林下经济资源的特点和功能,以及对它开展生态保护培育、经营开发和科学合理利用所形成的基础理论、基本方法和科学技术体系。林下经济研究来源于生态学、经济学、生态经济学、农(林)学等多学科基础理论,其主体由林下经济资源学、林下生态学、农林复合经营学、林下经济产业管理学等构成。基于自然的解决方案和自然受益型经济增长,未来林下经济学将关注林下经济生物资源保护、培育和精深加工利用,关注结构优化、功能协调、健康稳定的森林生态系统供给服务,关注农林复合系统的优化调整和效益提升,着力建立高效、高产、优质和持续的产业体系。笔者分析了林下经济学产生发展的背景,概述了林下经济发展现状,阐述了林下经济学的学科内涵、特点、研究对象和学科体系,展望了林下经济研究的重点和突破方向。
青钱柳为我国特有的单种属植物,是集药用、保健、材用和观赏等多种价值于一身的珍贵树种,有广阔的发展前景。关于青钱柳的研究始于20世纪70年代末,2013年青钱柳叶被国家卫生和计划生育委员会列入新资源食品目录,极大地推动了我国青钱柳产业向前发展。笔者简述了青钱柳的天然分布及其潜在适宜栽培区概况,从青钱柳相关的论文发表、专利申请及社会关注度等视角探讨了青钱柳研究的脉络及青钱柳产业的发展历程;重点关注了青钱柳叶用林资源培育的研究,阐述了青钱柳种质资源收集评价及种群遗传多样性、基因组学与生物活性物质代谢调控、叶生物活性物质的地理变异及叶用林定向培育理论与技术等方面的进展。同时,分析了青钱柳产业发展中存在的主要问题,提出了强化青钱柳定向优良品种创制及其无性系化、优化青钱柳人工林的定向培育模式及“良好农业规范”(GAP)栽培、加强青钱柳活性物质提取与功能研究、重视青钱柳高附加值产品开发及产业化等建议,旨在推动我国青钱柳产业的健康和可持续发展。
经济林是我国森林资源的重要组成部分,具有较好的生态、经济和社会效益,在促进农村经济发展和山区农民增收中发挥着重要作用。笔者在全面介绍我国经济林产业发展现状的基础上,从经济林种质资源收集与利用、良种选育、丰产栽培机理机制和经济林产品加工利用等方面综述各领域的主要研究进展。提出基因编辑与分子设计育种技术、利用微生物培肥地力新技术、智慧林业理论与技术、提高抵御非生物胁迫能力技术、优化光合作用提高光能利用率新技术,以及经济林高附加值产品研发技术是未来经济林研究有待实现突破的关键技术。
喀斯特山地特殊的地质地貌和气候特点导致其土壤发育缓慢、土层浅薄、水土流失严重,在人为活动干扰下极易退化形成石漠化景观。笔者分析了喀斯特石漠化成因与治理措施,喀斯特山地土壤特点及存在的问题,总结了喀斯特山地退化土壤不同类型修复技术和修复措施对土壤理化性质及微生物特性的改良作用,并通过收集相关文献数据,采用Meta统计分析方法,比较和分析了生物炭、化肥、有机肥、化肥有机肥混施、生物炭基肥、生物覆盖和生物结皮等不同措施对喀斯特退化土壤物理性质、土壤水分、土壤侵蚀、土壤肥力、土壤微生物群落结构组成和类群多样性的影响差异和作用机理。总结认为:喀斯特山地土壤生态系统是植被恢复的重要基础,改善土壤质量是提升喀斯特植被生态修复成效的主要技术措施之一。施用生物炭和生物结皮技术可降低土壤容重,增加土壤孔隙度和保水性能,具有显著的土壤改良效应;施用生物炭和生物炭基肥对土壤肥力的改良效应更为显著;生物覆盖技术可显著降低土壤侵蚀量。今后应在不同区域喀斯特山地退化土壤生态修复关键限制因子辨识、土壤改良集成技术对喀斯特退化土壤的生态修复效果、新型生物炭基菌肥研发、土壤固碳增汇技术等领域开展进一步研究。
采矿业是经济发展的重要推动力,但采矿活动后遗留了大量废弃矿山,极大地影响着生态环境。笔者基于矿山生态修复背景总结了目前废弃矿山存在的环境问题及常见生态修复技术,并根据矿山修复过程中微生物对土壤和植物的影响,将应用于矿山生态修复的功能性微生物划分为植物根际促生细菌、矿物质溶解微生物、固氮菌、根瘤菌和菌根真菌等5个类别,阐述了功能性微生物在土壤重构与植被重建中的重要作用。目前认为:微生物矿山生态修复过程中功能性微生物接种剂一直存在是最理想的状态,可以长期对生态系统起到积极作用,延长微生物接种剂的存活时间以及其作用发挥时间对废弃矿山的生态修复至关重要;针对不同类型废弃矿山生态系统的特殊性,开展废弃矿山微生物原位应用的相关研究,生产适合不同类型废弃矿山生态修复的功能性微生物,是废弃矿山生态修复亟待解决的问题;进一步揭示微生物溶解矿物的长效作用机制,保障植物的养分供给是功能性微生物在废弃矿山生态修复应用领域面临的挑战。
湖泊湿地是我国湿地的重要组成部分,对于实现碳减排和缓解全球气候变暖具有重要作用,当前全球气候变化和人类活动干扰导致的湖泊湿地退化等限制了其碳汇功能的发挥。笔者梳理了我国湖泊湿地的退化现状与成因,分析了土地利用方式改变、生物多样性降低和环境污染对湖泊湿地碳汇功能的影响,总结了湖泊湿地的生态修复技术及增汇途径:①通过水环境修复技术去除内源和外源污染物、提升湖泊湿地水质、减缓温室气体排放等途径提高湿地植物和土壤碳储量;②生物修复可直接提高植物碳储量,进而通过植源碳的输入和微生物作用等过程提高土壤/沉积物碳储量。水文修复和生境修复技术可为生物修复营造有利的水位和生境条件。未来应强化湖泊湿地生物多样性与其碳库的协同关系及机理、水质特征对湖泊湿地碳演化规律的影响、湖泊湿地生态系统的碳汇饱和度和碳汇计量核准系统的研究等,为实现我国“双碳”目标提供科学依据。
降低大气CO2含量、缓解气候变暖,已成为当今科学界和国际社会广泛关注的前沿热点问题。林业碳汇作为基于自然解决方案实现“碳达峰、碳中和”的一个重要途径,在应对全球气候变化方面发挥着基础性、战略性、独特的作用。林业碳汇不仅是森林碳汇,林产品碳汇也起着不可忽视的重要作用。林业碳汇潜力提升是一个森林生态系统净碳收支平衡和全产业链林产品碳汇的调控过程,主要包括无机碳的植物固定(光合过程、净生产力等)、土壤有机碳的周转与固定(动植物和微生物残体分解与黏土固定)、林产品碳的固持(林产品产量、木材转换效率、种类和使用寿命等)等3方面的调控原理。笔者从森林碳汇和林产品碳汇两个维度阐述了提升林业碳汇的主要原理、方法或途径。提升林业碳汇潜力的主要途径包括:①通过适地适树、适钙适树人工造林,以增加森林面积;②以完善森林经营措施来增加森林净生产力;③利用矿质黏土对有机碳的保护来增加森林土壤碳汇;④提升林产品产量和改进林产品用途以增加其寿命。在全球尺度上,增加森林面积或提高森林净生产力3.4%,或用可再生能源替换薪炭木材,再将薪炭木材用于制造锯材和人造板,都可以连续30 a每年增加1 Pg的碳汇量。减少全球森林火灾面积1/4或增加森林土壤有机碳含量0.23%,也可以增加碳汇1 Pg。此外,林业固碳还有巨大潜力可以挖掘。
通过分析林业碳汇产品价值实现路径,促进林业碳汇生态效益、经济效益、社会效益的融合共赢。采用文献综述、案例归纳分析等概述林业碳汇产品相关概念,归纳梳理林业碳汇产品价值实现路径,并探究其发展的不足之处,最后结合中国学术研究与实践发展现状,对今后的理论研究与机制设计提出相关建议。笔者界定了林业碳汇金融的概念,认为林业碳汇产品价值实现路径可概括为政府生态补偿路径、林业碳汇金融路径和林业碳汇产业化路径,这3种路径有助于实现林业碳汇产品的价值。但是当前各国政府生态补偿缺乏可持续性、林业碳汇交易规则亟须完善、金融机构参与林业碳汇金融意愿薄弱,以及林业碳汇产业化进程缓慢等问题制约着林业碳汇产品价值的实现。建议从完善林业碳汇生态补偿制度、推进林业碳汇产品纳入国家统一的碳市场交易、强化林业碳汇金融路径理论与实践研究、健全林业碳汇产业为核心的产业扶持政策、加强林业碳汇产品价值实现的保障机制建设等方面,推动中国林业碳汇价值的实现。
水力侵蚀(水蚀)是土壤侵蚀研究的焦点和热点领域,研究水蚀作用下侵蚀与沉积过程中土壤有机碳的动态变化对于评估土壤碳的“源/汇”效应具有重要意义。笔者总结了水蚀过程中土壤碳循环的研究现状,从侵蚀过程中土壤有机碳流失的定量研究、有机碳迁移与再分配以及有机碳矿化的影响等3个方面明确了土壤水蚀过程中土壤有机碳动态,并对国内外土壤水蚀过程中的有机碳主要研究成果进行了对比分析。建议未来研究中先对水蚀过程中有机碳的破坏、搬运和沉积等全过程进行精准解析和量化,在此基础上揭示其物理、化学及生物等共同作用下碳矿化特征的响应机制,全面探究水蚀过程中土壤碳收支的动态,量化土壤侵蚀对全球土壤碳循环的贡献率。
随着全球气候变暖趋势加剧,伴之而来的干旱问题成为全球关注的热点。干旱对森林生态系统碳积累和周转可能产生显著影响,其主要过程包括植被地上部分和地下部分凋落物对土壤有机碳的输入、凋落物的分解及土壤有机碳的矿化等。笔者综合分析了近年来国内外相关研究成果,对干旱影响森林土壤有机碳的主要过程与机制进行了归纳和总结,结果表明:①干旱通过促进叶片提前脱落,短期增加森林凋落物量,长期干旱则影响森林植物生长,降低森林初级生产力从而降低植物地上凋落物量。轻度和中度干旱下植物为补偿水分缺失增加细根生物量维持植物生命力,重度干旱下植物丧失自我修复能力导致细根生物量降低,干旱也会造成细根死亡率增加。平均而言,全球范围内干旱会造成森林凋落物量降低(1.9%)和细根生物量降低(8.7%),最终减少植物有机碳向土壤的输入量。②干旱可通过改变凋落物化学性质,对分解者——土壤动物、微生物产生胁迫,从而引起凋落物分解速率下降(10%~70%)。干旱使凋落物碳氮含量变化,造成凋落物次生代谢物,如纤维素、木质素、单宁等积累,改变根系分泌物化学组分,从而影响凋落物分解。干旱导致真菌生物量和分解者等土壤动物丰度降低,增加分解者捕食压力,使相关微生物和酶活性下降,造成凋落物分解速率下降。③干旱驱动微生物群落组成变化(真菌细菌比、革兰阳阴细菌比增加),造成微生物生物量下降,活性减弱,此外还会降低腐食动物的摄食活性、酶活性,最终导致土壤有机碳矿化速率下降(10%~50%)。④干旱对土壤有机碳不同组分影响不同,干旱会减小土壤微生物生物量碳(MBC)库(2%~30%),造成表层土壤溶解性有机碳(DOC)积累(30%~60%)。而在全球范围内的不同区域,干旱对土壤有机碳积累的影响也不同,亚热带森林中干旱对土壤有机碳积累的影响多是负面的,热带森林中则相反。总体而言,干旱对森林土壤有机碳库储量影响可能不大,但降低了土壤碳周转效率。而森林土壤有机碳周转过程不仅受干旱这一单一因素影响,温度、物种等因素会共同作用于土壤有机碳的周转与积累,且单因子的简单叠加模拟可能与现实环境中多因子综合对土壤碳通量的影响有一定差别。未来需要通过长期观测、延长控制实验时间、模拟原生环境条件等,开展多因素综合实验,加强干旱对土壤动物和微生物影响的研究,以深入了解干旱对森林土壤有机碳影响的生物学与生态学的过程与机制。
纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种多糖,占植物碳含量的50%以上。在植物中,纤维素是细胞壁的主要组分和承重元件,由纤维素合成酶复合体(CSCs)在质膜上催化合成。笔者综述了纤维素合成酶(CESA)的类型、结构、互作基因及关于CSCs结构、组装、运输的研究进展。植物细胞壁分为初生细胞壁和次生细胞壁,不同类型细胞壁中控制纤维素合成的CSCs由不同类型的纤维素合成酶(CESA)构成,且CSCs中CESAs的比例可能具有物种特异性。大多数植物中CESAs的化学计量比都是1∶1∶1,但在杨树的应力木组织中次生细胞壁相关CESAs的化学计量比为8∶3∶1。CSCs在高尔基体上装配并通过跨高尔基体网络分泌到质膜,而质膜上CSCs的丰度和分布很大程度上决定了纤维素的定向沉积。纤维素的合成和定向沉积在植物生长发育及抵御胁迫过程中发挥重要的作用。目前已发现多个关键基因通过与CSCs中特定CESA互作来识别和调控CSCs的运输。CESAs基因的表达水平也是影响纤维素合成的重要因素,油菜素甾醇等激素能通过调控CESAs的表达来控制纤维素的合成。未来在CESA功能、CSCs结构模型、CSCs中不同类型CESA所占比例、CSCs组装和运输与纤维素合成速度之间的关系,以及CESA基因的表达调控机制等方面可运用基因编辑技术进一步开展工作,从而完善植物纤维素合成的调控机制。
昆虫作为变温动物类群,极易遭受高温胁迫的影响。研究高温胁迫对植食性昆虫的影响,可为气候变暖背景下农林害虫的种群动态监测及地理适生区预测提供重要理论依据。笔者从植食性昆虫个体、种间互作关系、种群及群落3个层面,综述了高温胁迫对植食性昆虫影响的国内外进展。研究发现,高温胁迫会对植食性昆虫个体的生长发育、繁殖及生理生化带来负面效应,但昆虫自身也会进化出一系列基于形态、行为及基因表达的热胁迫响应机制。高温胁迫对寄主植物、天敌、共生微生物的影响也能够通过种间互作传递给植食性昆虫,并导致寄主植物-植食性昆虫-天敌3级营养关系发生变化。同时,高温胁迫还能通过影响昆虫个体及种间关系,间接影响昆虫的种群动态、种群多样性及其生态功能,并可能导致植食性昆虫的种群大爆发或衰退。最后,笔者认为此领域未来研究方向为:在个体层面上,应优化高温胁迫处理方式并综合考虑干旱和降水等环境因子,开展农林害虫种群的长期野外监测,应注重高温胁迫对昆虫参与生长发育繁殖功能基因的影响;在种间关系层面上,应关注高温胁迫对昆虫关联的复杂多样的食物网及互作体系的影响;此外,应结合高温胁迫对不同昆虫种类自身生理特性和行为模式的影响,阐明温度升高对昆虫群落的影响。
我国人工林面积居世界首位,但木材人均消费量仅为发达国家的1/5,木材对外依存度接近50%。用材林对我国木材安全、生态安全、森林碳汇和绿色发展具有重要意义,但用材林树种单一、生物多样性水平较低,林分结构简单,生物灾害频发,其中真菌病害已成为我国用材林的主要生物灾害。笔者围绕我国用材林树种重要真菌病害的致病机制和绿色防控等科学问题,综述了我国主要用材林树种的重要真菌病害种类、危害特点、病原致病分子机制和内生菌防治病害等方面的研究进展,并对未来用材林重要真菌病害的流行监测、病原-寄主互作、病害的栽培管理与可持续绿色防控等综合防控策略等进行了展望。
尽管人们利用竹子资源的历史可以追溯到7 000年以前,但直到18世纪后期人们才真正认识到竹子是禾本科植物中一个特殊的类群。现代植物分类的奠基人林奈在《植物种志》(Species Plantarum)一书中,还只是将全世界的竹子归为芦竹属的一个种Arundo arbor,直到1789年,竹子才从芦竹属(Arundo)独立出来,成立了簕竹属(Bambusa)。自竹类被认识到有别于其他禾本科植物至今,有关竹子的形态学、解剖学、系统分类学、生理学、生态学、细胞学、遗传学以及分子生物学等,已经有大量的研究报道,但对竹类植物各个器官的发生、发育和衰老过程尚缺乏系统的研究。笔者对竹类植物的根、地下茎、竹秆、竹叶和生殖器官发育生物学的研究进行了回顾与总结,分析了目前竹子发育生物学领域有待继续深入研究的问题。建议竹子发育生物学的研究应关注细胞分裂、分化和形态建成的全过程,明确整个过程中生理生化指标的变化规律,进而揭示植物发育全过程每个环节的信号转导途径和基因调控网络。
延迟自交是植物在单朵花开花末期主动自花授粉的一种繁殖方式。为了补充及完善植物进化和传粉生物学研究的综合数据资料,笔者概述了延迟自交的发生途径、试验研究方法、“两全其美”繁殖保障假说等方面的进展,探讨了其适应性意义,并对今后的研究方向提出了建议。目前,延迟自交现象广泛发生在43科61属74种植物中,其中,52种植物的发生途径是单一的,22种植物由两种途径共同作用。在单一途径中,柱头弯曲引起的延迟自交最为常见;不完全雌雄异熟和雌雄异位减小两种途径共同作用促进的延迟自交最为常见。对延迟自交的观察,多采用宏观传粉生物学手段,少有研究将宏观传粉生物学与遗传学手段相结合为延迟自交的发生提供最严谨的证据。延迟自交的繁殖保障假说表明,植物在优先保障异交进行的前提下,当传粉环境不可预测时,延迟自交能为植物的繁殖成功提供保障,被认为是结合了自交和异交优点的“两全其美”的交配系统。此外,对于少胚珠物种,昆虫单次授粉后即可充分授粉;为节约植物资源,还可阻止延迟自交的发生。
【目的】福建-南京林业大学合作的杉木多世代遗传改良计划,于2006年起陆续开展第4代育种候选群体的遗传资源创制、测定和评价。本研究旨在通过全同胞子代测定(第4代育种候选群体系列测定之一),为2016年启动的杉木第4代种子园营建技术研究和后续的生产性种子园建设提供优良亲本。【方法】 分别测定了杉木第4代候选群体中第2批1个12年生全同胞家系测定林1~12 a树高,4、5、 6、9和12 a的胸径,计算参试家系的单株平均材积;选取所有小区家系内的12年生的最优单株,采集胸高木芯样品测定木材基本密度和红心材比例。根据参试家系生长性状年度均值和变异系数评价家系生长性状稳定性;在方差分析基础上,估算遗传方差和遗传力;比较不同林龄、不同选择率以及早期选择对12年生时入选家系的准确率和材积遗传增益的影响。最后,以材积遗传增益为主要指标,兼顾材性性状,开展优良全同胞家系和家系内优良单株选择,预测入选家系和单株的遗传增益。【结果】 杉木第4代候选群体第2批62个全同胞子代测定结果表明,参试家系12 a平均树高、胸径、单株材积生长量、木材基本密度和红心材比例分别达到12.63 m、15.2 cm、0.136 8 m3、0.328 0 g/cm3和40.76%。参试家系所有性状的遗传方差均达到统计学极显著差异水平,候选群体中存在真实的遗传差异。家系树高、胸径和单株材积狭义遗传力分别为0.246、0.358和0.329,家系内最优单株树高、胸径及单株材积狭义遗传力分别为0.464、0.687、0.680。以12 a材积生长量性状为优选基准,兼顾木材基本密度和红心材比例,进行优良家系和家系内优良单株的综合选择,筛选出10个速生全同胞家系,其平均树高、胸径、单株材积、基本密度和红心材比例分别为13.34 m、17.0 cm、0.176 3 m3、0.320 2 g/cm3 和40.76%。入选家系平均材积遗传增益幅度为6.14%~21.60%。中选的19个优良个体的材积生长量遗传增益幅度为58.62%~178.20%(平均为83.12%)。12年生最优家系木材基本密度达0.363 3 g/cm3,家系内最优单株木材基本密度最高达0.476 4 g/cm3。19个中选优良单株的材积平均遗传增益为83.12%,木材基本密度提高10%以上,红心材比例提高12.78%。这批材积生长量遗传增益突出,木材基本密度高,红心材比例高的优良家系和优良单株,不但是营建第4代种子园重要亲本来源,而且也是优良无性系培育和推广应用的重要遗传资源基础。本研究还对家系的树高、胸径和材积生长量稳定性、选择率对遗传增益的影响,以及家系材积生长量早晚相关及其早期选择年龄等进行了分析。结果表明,以材积为生长量的综合指标,家系选择率15%时,无论4、5还是6 a时的早期选择结果,与12 a选择入选家系的符合度与遗传增益均达到最高值。这说明杉木第4代遗传改良中,据4~6 a幼林的材积生长表现开展早期选择,不仅可行有效,还大幅度节约了时间,缩短了育种周期。【结论】 杉木第4代遗传改良的1个候选群体在生长发育和木材性能方面存在丰富的遗传变异。这些在材积生长量、基材密度和红心材比例等方面遗传增益较高的优良亲本和重选优良个体不仅是杉木第4代种子园建立的重要亲本来源,还是杉木优良无性系选择的重要遗传资源。
【目的】杨树是重要的速生用材、生态防护和碳汇造林树种,也是林木遗传研究的模式树种。开展杨树泛基因组构建与基因组变异分析,可为杨树精准育种和林木泛基因组研究提供理论先导。【方法】 以公开发表的高质量杨树基因组序列为基础,分析不同类型的序列变异,总结变异特征,并构建基于基因和图形结构的杨树泛基因组。【结果】 本研究收集到8个杨属树种和3个二倍体或三倍体杨树杂交品种的基因组序列,3个杂交品种包含7个单倍型亚基因组序列,较好地代表了杨树4个组派的基因组特征。分析结果表明,杨树基因组间存在较多大的结构变异。在基于基因的泛基因组中,共线核心基因、非共线核心基因、次核心基因、非必需基因、特异基因占比分别为12.5%、34.9%、31.4%、16.5%、4.7%。其中,非必需基因在功能上具有较高的多样性。以基因组序列变异为基础构建杨树图形结构泛基因组,大幅提升2代测序数据的变异检测效果。通过泛基因组变异热点分析,鉴定出2个与物候关联的基因位点。【结论】 杨属基因组中存在大量染色体重排,进而增加了基因调控的多样性。杨树组/派间的基因组结构变异可能与物候适应存在关联。基于林木基因组序列的复杂性,在林木泛基因组研究中应注意基因组整合范围与研究目标相匹配,结合基因泛基因组和图形结构泛基因组结果,综合解析林木的遗传变异规律和物种演化特征。
【目的】硬脂酰-ACP Δ9脱氢酶(stearoyl-ACP Δ9 desaturase,SAD)是决定脂肪酸组成的关键酶,分离和鉴定木本油料植物山桐子(Idesia polycarpa)的SAD基因,可为遗传改良山桐子油的脂肪酸组成提供基因资源。【方法】 使用 HMM 和 Blastp 鉴定山桐子全基因组中的SAD家族成员;利用MEGA X、MEME和PlantCare等在线软件对其蛋白质理化性质、系统发育关系、基因结构、保守基序和启动子顺式调控元件等进行分析;使用MCSCANX分析山桐子和毛果杨SAD基因之间的共线性关系;基于RNA-seq数据,分析IpSAD各成员的表达模式,通过病毒诱导的基因沉默技术(virus induced gene silencing,VIGS)快速验证它们的生物学功能。【结果】 ①在山桐子基因组中共鉴定到7个IpSAD基因(IpSAD1~7),多重序列比对结果显示各成员间序列相似度较高且结构域保守;②系统发育分析表明,IpSAD成员可以分为3个亚组,与拟南芥SAD家族的分类结果一致,拟南芥单不饱和油酸合成关键基因AtSSI2与山桐子IpSAD2、IpSAD3、IpSAD4的亲缘关系较近;③启动子区域顺势调控元件预测结果显示IpSAD基因的启动子含有光反应、脱落酸响应等顺式调控元件;④IpSAD基因按其组织表达模式可分为3类,第1类和第2类成员在大部分组织中表达量较低,而第3类成员在所有组织中表达量均较高。⑤沉默IpSAD基因使叶片的油酸含量显著降低,其中IpSAD3的沉默可使油酸含量下降76%。【结论】 明确了IpSAD家族各成员的基本特征,确定了它们对于油酸合成的生物学功能,并为山桐子油脂生物合成调控机制研究奠定了基础。
【目的】根系分泌物在植物种间关系中发挥着重要作用。研究根系分泌物及一些根系常见的化学物质对半寄生檀香生长、根系发育、养分吸收和光合特性的影响,筛选出促进檀香幼苗生长的寄主根系分泌物或化学物质,为檀香的科学育苗提供参考。【方法】 选取0.5年生的半同胞家系檀香幼苗为试验材料,设置10个外源信号物质处理,包括5种植物根系分泌物[寄主植物降香黄檀(Dalbergia odorifera)、台湾相思(Acacia confusa)、人面子(Dracontomelon duperrereanum)、重阳木(Bischofia polycarpa)和寄生植物檀香(Santalum album)]、4种吸器诱导物质[2,6-二甲氧基对苯醌 (DMBQ)、芒柄花素、槲皮素和丁香醛]和1个对照处理(水),处理3个月后测定檀香幼苗的生长指标(株高、地径、生物量)、根系形态(总根长、根表面积)、养分(N、P、K)含量和光合特性指标[叶绿素相对含量(SPAD)净光合速率、气孔导度、蒸腾速率]等。【结果】 外源信号物质能影响檀香幼苗的生理特性,降香黄檀根系分泌物、DMBQ和丁香醛处理能显著提高檀香幼苗的株高、地上与地下生物量;除重阳木外,其他植物根系分泌物和4种化学物质处理均显著增加了檀香幼苗的总根长、根表面积和小细根长度;与对照相比,外源信号物质均提高了檀香幼苗N、P、K等养分吸收能力,其中以DMBQ和降香黄檀根系分泌物处理效果最佳;降香黄檀和台湾相思根系分泌物、DMBQ及丁香醛处理均显著提高了檀香叶片的SPAD值;降香黄檀根系分泌物和4种化学物质处理显著提高了檀香幼苗的光合自养能力;相关性分析显示,檀香生长指标、生理指标与根系之间(粗细根、粗根长度除外)呈显著正相关;檀香吸器数与总根长、根表面积呈极显著正相关关系,说明檀香吸器发育与根系生长密切相关。【结论】 优良寄主植物根系分泌物及一些化学物质的添加能有效促进檀香幼苗根系发育、养分吸收以及光合能力。研究结果能为檀香的壮苗培育提供重要的实践指导。
【目的】分析薄荷转录因子MhWRKY57的基因和氨基酸特性、亚细胞定位、转录活性、组织表达及茉莉酸甲酯处理下的基因表达水平,为揭示MhWRKY57响应茉莉酸信号调控薄荷精油合成的分子机制提供理论依据。【方法】 利用薄荷转录组数据,采用RT-PCR方法获得MhWRKY57基因编码序列,利用生物信息学分析其基因和氨基酸特性,烟草叶片瞬时表达系统进行亚细胞定位,酵母双杂交系统分析转录激活活性,实时荧光定量 PCR (qRT-PCR)技术分析MhWRKY57基因在各组织及茉莉酸甲酯诱导下的表达模式。【结果】 获得薄荷MhWRKY57基因的编码序列(CDS),编码276个氨基酸,具有典型的WRKY结构域,含34个磷酸化位点,属于非跨膜亲水蛋白,定位于细胞核且具有转录激活活性。系统进化分析表明,薄荷MhWRKY57与大豆Glyma.01G056800.2.p亲缘关系最近。qRT-PCR分析结果表明,MhWRKY57基因在幼叶、成熟叶、花、茎、根中均表达,在根和叶中均明显受到茉莉酸甲酯诱导表达。【结论】 MhWRKY57是一个响应茉莉酸信号的转录因子,可能参与茉莉酸信号介导调控的薄荷精油合成过程。
【目的】长三角地区以其丰富的自然与人文景观形成了众多的风景名胜区,在长三角生态保护格局构建和区域绿色一体化发展中担任重要角色。定量分析长三角风景名胜区的分布与可达性特征,构建区域尺度下的风景区空间分布和可达性的研究框架,整体分析长三角区域风景区体系的空间结构,有助于合理利用风景名胜资源,促进区域可持续发展。【方法】 以长三角地区123处风景名胜区为对象,在综合考虑多种服务半径及风景区级别与类型属性的前提下,利用ArcGIS平台和数学模型分析其空间分布与可达性。【结果】 ①长三角风景名胜区整体上具有“南密北疏、一片多点式”、随机趋向于离散的分布特征。②长三角风景名胜区可达性分布差异化显著,3种搜索半径下呈现不同程度的空间极化现象,可达性等级随半径阈值增加整体呈提升趋势;3种搜索半径下县域可达性聚集程度均较高,热点区主要分布在黄山、宣城、丽水、杭州、金华、苏州、无锡等地,冷点区出现在上海及其周边地区。③不同等级中,国家级风景名胜区可达性优于省级风景名胜区;不同类型中,独立型风景名胜区可达性优于城景结合型风景名胜区。④可达性受不同客观因素影响,相关程度从强到弱依次为:风景名胜区分布密度>人口分布>路网密度。【结论】 长三角地区风景名胜区分布与可达性呈现出明显的地域差异。本研究可为长三角风景名胜区资源整合梳理、系统化管理以及区域旅游开发提供参考。
桃金娘科(Myrtaceae)桉属(Eucalyptus)、杯果木属(Angophora)和伞房属(Corymbia)树种统称桉树,引入我国已有130余年的历史,是重要的工业用材林树种。我国桉树遗传育种研究始于20世纪60年代的种子园建设和70年代后期的种源试验,一些技术显著促进了其进程,主要有:①早期的种子园技术促进了无性繁殖困难树种的有性扩繁;②20世纪90年代兴起的扦插和组织培养技术推动了优良无性系选育与应用;③20世纪90年代末分子标记技术开启了我国桉树分子育种研究的新纪元;④21世纪初转基因技术为品种创制提供了崭新的手段;⑤刚尝试的基因组编辑技术展现了巨大的应用潜力。桉树育种策略和种质资源是其遗传育种研究的基础,已对一些树种制定了育种策略和育种计划,兼顾纯种内轮回选择和杂种无性系的选育,主要经济性状包括材积生长、木材密度、抗病虫和抗风等;累计已收集了近200个树种3 000余个家系的种质资源。我国桉树遗传育种研究已取得显著进展,主要包括:①几个主要树种的轮回选择和世代改良,仅尾叶桉(E. urophylla)进入了第3个世代;②杂交育种的成效显著,培育了目前仍主栽的DH32-29和DH33-27等优良杂种无性系;③无性系育种结合无性繁殖技术(尤其是组织培养)的研发,极大地推动了无性系林业的发展;④开发了多种分子标记,包括基于新一代测序技术的标记,并基于分子标记利用连锁作图和关联分析的方法,在尾叶桉等6个树种中检测了与生长、材性和/或抗逆等性状相关的基因组位点;⑤已对逆境响应、激素和木材形成等相关的功能基因进行了克隆和表达分析,一些功能基因显示了较好的育种应用潜力;⑥已优化遗传转化体系,获得了转基因植株,并尝试了基因组编辑的可行性。但是,我国桉树遗传育种研究仍面临诸多挑战,如基因型×环境互作的复杂性和高质量基因组/泛基因组的缺乏,种质资源流失,新无性系缺乏,尚待从头克隆和鉴定具有育种价值的优异基因,基因组选择实用性有待探索,遗传转化率需进一步提高等。桉树遗传育种研究对促进我国林业生产的意义是显著的,将有望在高世代改良、种质资源的长期评价、杂种优势的机制与利用、基因组选择的有效应用和转基因与基因组编辑技术等方面取得突破。
柳树是我国重要的乡土树种,具有数量众多、分布广泛、变异丰富、生长迅速、易于繁殖等特点,可作为园林景观、速生用材、生态防护、生物质能源、生物修复、柳编工艺等多功能树种。柳树具有广泛而重要的生态与经济价值。近年来,我国柳树研究发展迅速,通过常规育种选育了一大批良种和新品种,在遗传学与基因组学方面也取得重大进展,在国际上处于领先地位。笔者从柳树的分类与分布、种质资源收集与保存、重要性状评价、遗传改良、分子遗传学等方面对近60年来我国柳树遗传育种的研究进展进行了系统总结,并分析了目前我国柳树遗传育种工作中存在的问题,展望了今后的重点研究方向,旨在进一步提高我国柳树遗传育种工作的水平,也为其他木本植物的遗传育种研究提供有益参考。
栎树(Quercus spp.)是北半球重要的经济与生态树种。夏栎(Q. robur)、加州白栎(Q. lobata)、麻栎(Q. acutissima)等树种基因组的公布,对栎树生物学研究产生了深刻的影响。近5年来,栎树生物学出现了包括系统进化与物种鉴定、基因渐渗与适应进化、景观基因组学与生态保育、生物共存与互作机制、次生代谢与生长发育、DNA甲基化与表观遗传调控及基因与长寿机制等方面的研究热点。虽然基于基因组学的栎树生物学若干研究前沿已经形成,但尚处于起步阶段,笔者预期未来会向4个方面深入:①强调栎树基因组资源的深度应用。应用景观基因组学途径,探究栎树的杂交渐渗与适应进化;联合基因组、转录组、蛋白组等多组学技术,探究栎树生长发育与胁迫响应过程中的基因调控网络与信号通路;优化体细胞发生和遗传转化体系,攻克栎树遗传改良和基因资源开发技术瓶颈。②促进栎树研究体系的广度拓展。随着壳斗科其他树种全基因组序列的公布,基于从分子到群落的不同生物层次的模式系统,将对欧亚大陆和北美不同区域的栎树,包括白栎组、红栎组、冬青栎组、麻栎组等不同栎树类群,以及壳斗科其他属树种基因组生物学研究产生深远影响。③关注栎树资源利用的遗传与发育主题。用栎树基因组资源对其结构的、代谢的和农艺性状的差异及其优化加以解析,全基因组关联研究(GWAS)也将应用于栎树,从而为阐释木材发育和木栓形成的机制奠定基础。④聚焦栎林保育的生态与进化主题。在全球气候变化背景下,通过增加耐受胁迫的基因型,以缓解气候变化对森林生态系统的影响。同时维持和保护栎树在自然生态系统中的生态与进化过程,阐明栎树多样性、迁移与适应、趋异与趋同生态适应等方面进化成功的机制。
花色是一种重要的花性状,对于有花植物的观赏园艺、生殖生态以及物种演化均具有非常关键的作用。有花植物花着色的关键决定因素是花色素的合成和沉积。类胡萝卜素作为一类重要的天然色素,不仅具有营养和药理特性,同时还是许多有花植物花着色的呈色色素。笔者对植物中的类胡萝卜素代谢途径及相关基因进行了梳理,并着重总结了类胡萝卜素代谢基因的表达及其转录调控对植物花着色的影响。当前,已知花中类胡萝卜素代谢基因的表达与类胡萝卜素积累及花着色紧密相关,但是关于这些基因在花中的转录调控机制研究还处于起步阶段。植物的花器官似乎采取了与叶、果实等其他器官完全不同的策略来精细调控类胡萝卜素的生物合成与积累,并且不同植物间尚未发现共通之处。笔者基于目前的研究进展,对未来类胡萝卜素介导的花着色调控机制研究进行了展望,认为随着高通量组学技术和现代分子生物学技术的迅猛发展,可尝试结合基因组、转录组、代谢组及最新的单细胞组学和空间组学等多组学技术和遗传转化及以CRISPR/Cas9为代表的基因组编辑技术,构建多种植物花着色过程中类胡萝卜素代谢的特异性分子调控网络,以期为进一步研究类胡萝卜素介导的花色变异与演化及花色育种提供有益参考。
信息技术是人类文明发展的重要推动力,也是当今世界发展最快、影响最大的高新技术之一。随着现代信息技术在林业领域的广泛应用,智慧林业成为了现代林业发展的必由之路。智慧林业是物联网、大数据、云计算、人工智能、移动互联网等新一代信息技术与3S技术、智能装备及林木育种、森林培育、森林经营、森林保护等林业生产和管理业务深入融合新模式。我国智慧林业的发展,在现代林业发展中具有重要的里程碑意义。笔者首先介绍了智慧林业产生的背景、内涵、特征、理论基础和研究方法,以及针对智慧林业发展所进行的顶层设计、项目部署实施、科研平台建设及人才培养概况;然后系统介绍了林业智能感知、空间信息技术、大数据及云计算、虚拟现实和智能装备技术等智慧林业关键核心技术的研究现状;进一步介绍了智慧林业在林木遗传育种、森林精准培育、森林资源监测与经营决策、林火监测预测及病虫害防治、野生动植物保护方向上的应用进展;最后,分析了未来智慧林业的发展目标,展望了智慧林业技术体系的主要发展方向。笔者认为,智慧林业的发展需要进一步推进智能算法及硬件的研发和应用,并加强智慧林业理论基础研究;同时,还需在精准多源数据获取的基础上,将现代数据挖掘、模型模拟、智能分析技术融入林业生产的业务流程中,服务林业生产的全产业链,引领林业高质量发展。
盐碱地是人工造林的重要潜在资源,而土壤盐胁迫危害是制约林木健康生长的突出问题。揭示林木盐胁迫调控机制,开发盐碱地综合利用技术是实现盐碱地资源化和生态保护的关键。笔者从林木生长发育、光合效率、生理代谢调控及矿质营养等角度,论述了制约盐碱地人工林生产力低下、土壤资源利用效率不足的盐胁迫主要过程。利用林木逆境下进化出的一套以自身生化调控和菌群互作消减为核心的综合耐盐机制,是研发盐碱地造林关键技术的方向,有助于我国盐碱地区人工林高效培育和多目标经营。
