ae ¥ : 4 : aS ne om 1 10 s 科 学 $ 进展 (第 四 卷 ) al Advances in Ecological = - ae Vol 4) 昌 群 主编 (第 四 着) Advances in Ecological Sciences ( Vol. 4) 段 昌 和 群 主编 EMAL 8% th th Pr QS Aas LB 高 等 教育 出 版 社 HIGHER EDUCATION PRESS wm 内 容 提 要 本 书 从 生态 学 基础 理论 和 应 用 两 个 方面 迟 选 了 在 分 子 生 态 与 生态 基因 组 学 、 土 壤 生态 学 、 群 落 与 生态 系统 生态 学 、 生 态 功 能 与 生态 管理 、 生 态 教 育 等 领域 前 沿 热点 问题 的 专题 评述 论文 11 篇 , 旨 在 介绍 国内 外 生态 科学 的 最 新 成 果 、 发 展 动态 和 研究 进展 , 为 从 事 生 态 学 工作 的 研究 人 员 、 高 校 教 师 、 研 究 生 和 高 年 级 本 科 生 及 时 了 解 生 态 科 学 发 展 动态 提供 资料 。 图 书 在 版 编目 (CIP ) 数 据 生态 科学 进展 .第 4 卷 / 段 昌 群 主编 . 一 北京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,2008.9 ISBN 978 -7- 04 - 024842 - 5 ].4-- II. 段 … 下 .生态 学 一 文集 VW. Q14-53 中 国 版 本 图 书馆 CIP 数据 核 字 (2008) 第 120870 号 策划 编辑 高 新 景 责任 编辑 张 雪 丽 封面 设计 LAR 责任 绘图 F A 版 式 设计 Base 责任 校对 胡 晓 琪 责任 印 制 FH Al 出 版 发 行 ”高 等 教育 出 版 社 , 购书 热线 010 一 58581118 4t 址 北京 市 西城 区 德 外 大 街 4 号 免费 咨询 800 一 810 一 0598 邮政 编码 ”100120 网 址 http://www. hep. edu. cn 总 机 010 一 58581000 http://www. hep. com. cn 网 上 订购 http://www. landraco. com 2 FH 蓝 色 畅想 图 书 发 行 有 限 公司 http://www. landraco. com. en eZ 畅想 教育 http://www. widedu. com F 本 787x 1092 1/16 版 次 2008 年 9 月 第 1 版 A MW 115 印 次 2008 年 9 月 第 1 次 印刷 字 数 280000 二 RE 25.0070 本 书 如 有 缺 页 、 倒 页 、 脱 页 等 质量 问题 ,请 到 所 购 图 书 销售 部 门 联系 调换 。 版 权 所 有 侵权 必 究 物料 号 24842-00 《生态 科学 进展 》 编 委 会 名 单 PR lo): KAR 张 新 时 IME HK 李文华 Hy Ret Be HAE KLF 方 精 云 徐 汝 梅 宋 永 昌 BPE BK PLIE RK ZG ER RE 骆 世 明 + 编 : 段 昌 和 群 副 主 编 : ( 按 姓 氏 笔 画 为 序 ) By gis-F 4 KA 张福锁 陈 家 宽 金 安 祖 元 刚 Bt Bit S Rm FR a > Be Belt 傅 伯 杰 编 委 : ( 按 姓 氏 笔 画 为 序 ) 卜 文 俊 R) £42 ERR ERs 王 德 利 he eb HE MAR RK RH 严重 玲 苏 智 先 F BH FRE 李冰 祥 FEM HW BR h Hh Mar MFA BWR BEX 杨 树 华 RLS K—-F KKF KBB KEE KEY RDS RAR RR RHR 后 At AK ABZ 周 浙 昆 ABH WAR BF H 赵 之 伟 Amt FER BAR 唐 LF HK * & RR oO *® F RA. = S BH BER FEAF 韩 兴国 SSR BB PR Hie af st 48 编辑 部 : 高 新 景 (高 等 教育 出 版 社 ) 于 福 科 刘 嫦 娥 ”Cindy Q. Tang (KA HX) 向 主 "ax + 下 2A®: a: < 区 上 ne 三 7 t Pty +e Il 前 作为 探讨 生物 与 环境 相互 关系 的 一 门 学 科 , 生 态 学 已 有 百年 的 历史 。 壕 勃发 展 的 生命 科学 在 向 宏 观 和 微观 两 极 延伸 的 过 程 中 , 生 态 学 不 仅 成 为 宏观 生命 科学 领域 最 主要 的 学 科 , 还 因 在 微观 分 子 、 细 胞 等 水 平 上 交叉 渗透 , 贯 通融 合 了 生物 学 多 个 分 支 学 科 , 成 为 生命 科学 领域 最 活跃 、 最 重要 的 学 科 之 一 。 生 态 学 不 仅 在 探索 生物 生存 、 适 应 和 进化 规律 中 不 断 取得 突破 , 而 且 拓 展 到 对 人 类 生存 发 展 及 其 资源 和 环境 , 乃 至 地 球 命运 的 关注 。 目 前 还 很 少 有 像 生 态 学 这 样 一 个 学 科 , 沟 通 自 然 界 、 人 类 社会 和 经 济 运行 , 在 多 维 视野 和 多 个 空间 尺度 上 连接 过 去 、 现 在 和 未 来 , 既 成 为 认识 自然 规律 的 重要 学 科 , 也 成 为 指导 人 类 社会 行为 准则 的 一 个 知识 体系 , 被 公认 为 支撑 可 持续 发 展 的 核心 学 科 之 一 。 鉴于 生态 学 的 重要 地 位 和 作用 , 生 态 学 研究 多 年 以 来 热度 不 减 。 在 国际 上 , 生 态 学 一 直 是 众 多 高 等 院 校 和 科研 机 构 优 先 发 展 的 学 科 之 一 。“ 十 一 五 ”以 来 ,我 国 高 校 进行 重 点 学 科 遵 选 时 , 全 国 设 立 了 9 个 生态 学 国家 级 重点 学 科 点 , 生 态 学 成 为 设 点 最 多 的 学 科 之 一 ; 中 国 科 学 院 在 构建 国家 知识 创新 体系 时 , 重 组 、 强 化 和 新 设立 的 以 生态 研究 为 重要 内 容 的 科研 机 构 达 20 余 个 。 随 着 生态 学 作用 和 地 位 被 全 社会 广泛 接受 和 认同 , 多 种 层次 的 教学 和 研究 普遍 展开 。 为 此 , -人 迫切 需要 创办 一 个 连续 出 版 物 , 定 期 反映 和 归纳 总 结 国内 外 生态 学 领域 的 前 沿 动态 和 热点 问题 , 为 我 国生 态 学 科学 研究 、 人 才 培 养 和 学 科 建设 及 时 提供 最 新 信息 , 并 成 为 展示 我 国生 态 学 研究 水 平和 特色 的 窗口 。 这 一 提议 , 得 到 广泛 响应 。 高 等 教育 出 版 社 的 林 金 安 先 生 高 度 关注 这 个 问题 , 积极 推动 了 这 项 工作 的 开展 , 为 本 连续 出 版 物 搭 建 了 一 ee ed 。 在 老 一 辈 德 高 望 重 的 生态 学 大 师 的 指导 下 , 在 诸多 学 界 同 仁和 专家 的 支持 和 鼓励 下 , 织 成 立 了 编 委 会 。 经 过 一 年 多 要 和 叶 到 了 云南 大 学 生态 学 国家 级 重点 学 科 建 设 、 省 部 共 建 云南 生物 多 样 性 保护 与 利用 国家 重点 实验 室 培育 基地 、 国 家 重点 基础 研究 发 展 计划 项 目 〈《2003CB415103 ) 、 云 南大 学 环境 科学 与 生态 修复 研究 所 的 支持 。 应 该 指出 的 是 , 生 态 学 任何 一 个 领域 的 任何 一 个 问题 , 都 可 能 是 一 个 古老 的 问题 , 也 可 能 是 一 个 常 讲 常 新 的 问题 ; 同一 个 问题 , 往 往 因 研究 者 研究 的 角度 和 方法 的 不 同 , 获 得 的 理解 和 认识 有 较 大 差异 ; 同时 生态 学 研究 具有 很 强 的 区 域 性 , 此 地 的 热点 和 前 沿 未 必 就 是 彼 地 的 热点 和 前 油 , 此 地 认识 透彻 了 未 必 就 能 替代 彼 地 的 研究 , 从 而 可 比 性 往往 较 差 , 有 时 甚至 相互 的 认同 程度 不 高 。 好 在 从 不 同 的 角度 、 不 同 的 层次 、 不 同 的 区 域 认识 不 同 或 相同 的 问题 , 本 身 就 是 生态 学 的 重要 特色 , 从 而 在 重点 介绍 国际 生态 前 沿 工 作 的 同时 , 也 注重 对 我 国 帮 至 不 同 区 域 生 态 学 研究 工 作 的 综述 和 评介 。 如 果 能 做 到 抛砖引玉 , 促 进 学 术 交流 , 上 凸现 中 国生 态 学 的 学 术 高 峰 和 特色 , 催 生 中 国生 态 学 的 学 派发 展 , 本 出 版 物 的 目的 也 就 达到 了 。 《生态 科学 进展 》 是 一 个 连续 出 版 物 , 每 年 一 卷 。 随 着 它 的 编辑 和 出 版 , 更 热切 期 望 得 到 更 多 生态 学 前 辈 和 同仁 们 的 关怀 和 指导 , 诚 娠 地 希望 有 更 多 的 老 一 辈 专家 和 青年 学 子 共同 建设 这 个 大 家 共享 的 论坛 , 进 入 编 委 会 , 提 供 高 质量 的 稿件 , 为 我 国生 态 学 的 科研 和 人 才 培 养 共同 构建 一 个 大 家 经 常 想 得 起 、 平 时 用 得 成 的 资讯 平台 OB 2007 4 12 A 18 日 : 一 nice + es SPOR SEH PASE | t }! Pj—fPh ee Pett 2. eee al 上 HF 4 ke ot > ri 5S rn my MNAAEB ; % + | j : PAT ow) EMR EAE ELI 98: SATB HE 上 eB A 1 Ee : ay i ie or el ye Wi en bie Sheng chuan @ 7, bi hae Beosystem Services, Ecosystem AM ‘2 Review, of Study. on Steliers chomegmewe l=: Muang Minehui Pu Pe be Pacdogics) Compensation ~ Lreeesttes Servives Punction Aiseeament -本 Train ug Ren: ging 1 A Review of the Study +! Eedlagical WE to Artificie! Walerrecharge of the Law e io shelite ; 0) 和 Eeeolewical Education in Higher Education 生态 科学 进展 〈 第 四 着) 3 ~ 10 从 枝 菌 根 真 菌 影 啊 土 壤 结构 的 生态 机 制 研 完 郭 涛 ” 邓 OAL (西南 大 学 资源 环境 学 院 , 重 庆 400716) Contribution of Arbuscular Mycorrhizal Inoculation to Soil Structure under Ecological View Guo Tao* Deng Yin (College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China) 摘 要 良好 的 土壤 团 粒 结构 是 土壤 肥力 的 物质 基础 , 是 作物 高 产 所 必需 的 土壤 条 件 之 一 , 同时 土壤 结构 对 许多 地 下 过 程 的 控制 性 作用 , 在 生态 系统 和 全 球 变化 中 起 着 重要 的 作用 。 作 为 土 壤 中 重要 的 优势 种 的 一 类 微生物 , 丛 枝 菌 根 真菌 是 影响 土壤 团 粒 结构 形成 和 稳定 的 极其 重要 的 因 素 , 其 机 制 是 建立 在 进入 土壤 中 的 碳 通 量变 化 及 有 机 质 等 和 碳 有 关 的 代谢 基础 上 、 在 不 同 的 生态 学 层次 进行 的 。 在 群落 水 平 上 、 个 体 水 平 上 及 菌 丝 水 平 上 都 有 相应 的 作用 机 制 , 尤 其 是 菌 丝 所 分 泌 的 球 宫 霉 素 相 关 和 蛋白 已 成 为 目前 一 个 研究 热点 问题 。 对 丛 枝 菌 根 真 菌 影响 土壤 结构 的 生态 机 制 的 研究 不 仅 有 助 于 改良 土壤 结构 , 提 高 土壤 质量 , 保 证 我 国 的 粮食 安全 , 而 且 有 助 于 进一步 阐明 处 枝 菌 根 真 菌 在 生态 系统 中 的 作用 。 关键 词 ”土壤 结构 ; 菌 根 真 菌 ; 菌 丝 际 ; RRBRAKEA Abstract The soil aggregate structure brings higher soil fertility which meets the need of more crop yield and also controls many underground processes which play an important role in ecosystem and global change. As the dominant species in soil microbiology, arbuscular mucorrhizal fungi is critical factor in soil aggregate formation and stability procedure which is based on the change of carbon flux into soil and the effect operating concurrently in an ecological hierarchical levels: plant community, individual root, and the soil mycelium. Among them the glomalin related protein secreted by hyphae received more and 基金 项 目 : 国家 自然 科学 基金 项 目 “ 丛 枝 菌 根 真 菌 侵 染 影响 土壤 结构 作用 与 机 制 研究 ” (40701085 ) , 西 南 大 学 科研 启动 基金 (SWUB 2006044) 资助 。 作者 简介 : 郭涛 , 男 , 生 于 1978 年 , 博 士 , 副 教授 ; 主要 研究 方向 为 植物 营养 和 农业 微生物 应 用 。 * “通讯 作者 : guotaosd@ swu. edu. cn 4 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) more attentions and became hot point in soil structure research. These studies are useful to improve the soil fertility and quality which can meet the need of food safety in our country and may help us elucidate the role of arbuscular mycorrhizal fungi in nature ecology system. Key words soil structure; mycorrhizal fungi; hyphalsphere; glomain related protein 1 一 全 | gl 1.1 良好 的 土壤 结构 是 土壤 质量 的 基础 土壤 是 人 类 生存 和 发 展 的 重要 自然 资源 , 是 重要 的 环境 要 素 , 是 农业 生产 和 自然 生态 系统 的 基础 , 是 人 类 社会 生存 和 发 展 的 基础 。 在 中 国 历 史上 由 于 某 些 因素 引起 的 土壤 质量 退化 而 给 我 国 古代 文明 和 社会 发 展 造 成 惨痛 影响 的 事例 时 有 发 生 , 中 华文 明 中 心 的 迁移 便 是 一 次 次 的 明证 (Duan et al. ,1998 ) 。 而 在 21 世纪 , 我 国 农业 又 面临 着 三 大 问题 : 人 口 数 量 增加 、 生 活 质量 提 高 、 耕 地 资源 减少 。 为 了 满足 人 们 上 日益 增 长 的 物质 消费 需求 , 确 保 食物 安全 , 绥 解 我 国 的 耕地 压 力 , 必 须 提 高 整个 土地 资源 的 承载 能 力 。 为 解决 人 口 、 粮 食 、 环 境 三 大 矛盾 , 在 目前 生物 育种 技 术 没 有 明显 突破 的 条 件 下 , 提 升 土壤 肥力 , 藏 粮 于 地 , 提 高 耕地 质量 成 为 重要 解决 之 路 。 因 此 , 2007 年 中 央 一 号 文件 中 明确 提出 “切实 提高 耕地 质量 "”, 而 土壤 良好 的 结构 是 土壤 能 有 效 发 挥 其 “ 功能 的 基础 , 提 高 土壤 质量 和 生产 力 自 然而 然 地 归结 到 如 何 提高 土壤 中 团聚 体 的 数量 和 质量 上 来 , 因 它 直 接 决 定 了 耕地 土壤 接纳 和 储蓄 水 分 及 营养 物质 的 能 力 和 作物 产量 〈 芯 新 华 等 , 2004) 。 土 壤 肥 力 是 土壤 的 最 基本 的 特征 , 良 好 的 土壤 团 粒 结构 是 土壤 肥力 的 物质 基础 , 是 作物 高 产 所 必需 的 土壤 条 件 之 一 。 土 壤 团 聚 体 是 土壤 的 重要 组 成 部 分 , 在 土壤 中 具有 “三 大 作用 ”, 即 保证 和 协调 土壤 中 的 水 肥 气 热 、 影 响 土壤 中 酶 的 种 类 和 活性 、 维 持 和 稳定 土壤 玻 松 熟 化 层 ( 王 清 硅 和 汪 思 龙 ,2005) , 其 大 小 、 形 状 和 稳定 性 直接 影响 土壤 中 水 和 空气 的 关系 , 决 定 土壤 孔隙 的 分 布 , 并 由 此 影响 土壤 的 许多 属性 和 作物 生长 。 不 同 粒 级 的 微 团 聚 体 在 营养 元 素 的 保持 、 供应 及 转化 能 力 等 方面 发 挥 着 不 同 的 作用 。 因 此 , 在 土壤 科学 研究 中 , 土 壤 结构 的 研究 关注 于 土 壤 团 粒 结构 在 农业 生产 中 的 作用 , 在 这 方面 积累 了 大 量 的 资料 〈Bronick & Lai,2005 ) 。 1.2 土壤 结构 是 土壤 生态 过 程 的 功能 基础 20 世纪 90 年 代 开 始 , 生 态 学 家 们 开始 认识 到 土壤 结构 对 许多 地 下 过 程 的 控制 性 作用 ( Jas- trow & Miller,1991) , 在 生态 系统 和 全 球 变化 中 起 着 重要 的 作用 。 目 前 , 科 学 家 关注 全 球 变化 的 主要 问题 是 温室 气体 释放 的 土壤 过 程 、 土 壤 生 物 区 系 和 有 机 质 在 全 球 C 循环 中 参与 的 程度 (Ingram & Freckman,1998 ) 。 土 壤 可 以 通过 两 种 方式 实现 其 影响 全 球 变化 的 功能 : 第 一 , 通 过 与 其 他 圈 层 间 的 物质 交换 , 影 响 土壤 全 球 变化 。 第 二 , 通 过 全 球 土 被 时 空 的 演变 , 引 起 土壤 全 球 变化 〈 赵 其 国 ,1994) 。 土 壤 结构 是 土壤 在 生态 系统 和 全 球 变化 中 发 挥 其 功能 的 物质 基础 , 即 所 iA AY + SED) fe KR (functional domains in soil) , 是 指 土壤 中 的 特殊 位 置 , 主 要 包括 有 机 资源 〈 落 叶 层 或 土壤 有 机 质 ) 、 生 物 (如 无 脊椎 动物 或 根 ) 或 非 生物 〈 如 冻 融 交替 或 王 湿 交 蔡 ) 的 主要 调 节 者 、 由 调节 者 创造 的 一 些 结构 (UNSER, He RE) 以 及 生活 在 这 些 结构 当中 独立 的 小 型 无 脊椎 动物 和 微生物 群落 (Lavelle,2000) 。 这 些 功能 区 域 可 由 从 土壤 基质 中 自然 地 分 离 出 来 的 调节 者 形成 的 一 些 结构 (孔隙 、 团 聚 体 、 构 造物 ) 中 加 以 识别 , 也 是 主要 的 土壤 功能 过 程 在 特 定时 空 尺度 上 起 作用 的 场所 。 诸 如 有 机 质 的 分 解 作用 等 过 程 可 能 交替 地 得 到 增强 或 抑制 , 取 决 于 PAS PRAT Zs RE RCA AM AP, 2001). 土壤 结构 是 在 矿物 颗粒 和 有 机 物 等 土壤 成 分 参与 下 , 在 干 湿 冻 融 交 蔡 等 自然 物理 过 程 作用 下 丛 枝 菌 根 真菌 影响 土壤 结构 的 生态 机 制 研究 5 形成 不 同 尺 度 大 小 的 多 孔 单 元 , 具 有 多 级 层次 性 (Diaz et al. ,2002) , 通 常用 团聚 体 的 稳定 性 来 表征 土壤 结构 (Six et al. ,2000a) 。 土 壤 团聚 体 的 形成 、 特 性 以 及 作用 功能 十 分 复杂 , 既 受 土壤 本 身 物 质 组 成 的 影响 , 还 受 人 为 活动 等 因素 的 影响 (Bronick & Lai,2005 ) , 土 壤 团聚 体 的 形成 及 稳定 机 制 受到 生物 、 物 理 、 化 学 的 作用 及 它们 之 间 协 同 作用 的 影响 , 微 生物 既是 土壤 的 重要 组 成 部 分 , 又 是 形成 土壤 团聚 体 最 活跃 的 生物 因素 , 在 许多 陆地 生态 系统 中 , 欠 枝 菌 根 真 菌 是 重要 的 一 类 微生物 , 大 部 分 条 件 下 是 作为 优势 类 群 存在 的 〈Smith & Read,1997) , 它 是 影响 土壤 团 粒 结构 形成 和 稳定 的 一 种 极其 重要 的 因素 ( Rillig & Mummey, 2006) 。 丛 枝 菌 根 (arbuscular mycorrhiza, AM) 真菌 是 自然 界 中 分 布 极其 广泛 、 农 业 和 生态 意义 十 分 重大 的 一 类 土壤 真菌 , 它 能 与 绝 大 多 数 的 农作物 形成 稳定 的 共生 关系 , 构 成 植物 系统 的 一 个 重 要 组 成 部 分 (Pennisi,2004; 张 美 庆 等 ,1999) , 对 增强 植物 抗 逆 性 意义 重大 (Auge,2004; 王 曙光 和 林 先 贵 ,2001 ) 。 长 久 以 来 , 人 们 已 经 认识 到 菌 根 结构 具有 黏附 土壤 颗粒 的 作用 , 菌 根 研 究 者 在 实验 过 程 中 发 现 被 菌 根 真菌 侵 染 的 根系 往往 黏附 更 多 的 土壤 颗粒 , 难 于 清洗 , 这 便 是 菌 丝 AFB (Graham et al. ,1982) , 因 而 在 早期 菌 根 研究 中 运用 黏附 土壤 的 重量 来 估算 外 延 菌 丝 的 长 度 , 从 另 一 个 方面 说 明了 菌 丝 黏 附 土壤 的 潜在 作用 。 2. 菌 根 侵 染 影 响 土壤 结 构 的 机 制 2.1 菌 根 侵 染 改良 土壤 结构 的 作用 缘 于 AM 真菌 共生 特点 众所周知 , 土 壤 团 聚 体 的 形成 , 必 须 依 赖 于 土壤 中 的 有 机 物质 , 是 土壤 团聚 体 中 的 重要 组 分 , 对 团聚 体 在 土壤 中 的 “三 大 作用 ”具有 重要 的 影响 。 而 AM 真菌 是 一 类 专 性 活体 共生 微 生物 , 由 于 自身 不 能 合成 糖 类 物质 , 菌 根 真菌 必须 依赖 宿主 植物 提供 的 光合 产物 维持 生长 (Marschner, 1995), Jennings (1995) 认为 AM 真菌 的 碳 几 乎 全 部 来 自 寄 主 植物 ,Jongen 等 (1996) 以 三 叶 草 为 材料 测定 了 菌 丝 消耗 的 植物 碳 , 结 果 表 明 植 物 光合 作用 的 4% ~20% HFA 菌 根 真菌 的 消耗 。Miller (1995) 报道 土壤 中 内 生 菌 根 菌 丝 密 度 达 到 0.03 ~0.5 mg: kg , 根 据 这 个 数值 ,Zhu 和 Miller (2003) 估算 出 外 延 菌 丝 对 土壤 中 有 机 碳 输入 的 贡献 达 54 ~900 kg - hm”, 据 估计 全 球 每 年 有 SO 亿 吨 的 碳 被 菌 根 真菌 所 消耗 (Bago et al. ,2000) , 大 大 增加 了 土壤 中 有 机 物质 的 输入 。 然 而 , 不 同 AM 真菌 由 于 其 结构 和 成 分 的 不 同 , 在 土壤 中 分 解 的 速度 也 会 不 同 , 最 终 对 土壤 结构 的 作用 也 会 有 所 差异 〈(Treseder et al. ,2005 ) , 而 丛 枝 菌 根 真 菌 影响 土壤 结构 的 机 制 是 建立 在 进入 土壤 中 的 碳 通 量 及 有 机 质 等 和 碳 有 关 的 代谢 基础 上 的 。 依照 生态 学 研究 范畴 的 分 类 , 菌 根 可 以 在 不 同 生 态 学 层次 上 影响 土壤 团聚 体 (Rillig & Mummey,2006 ) , 在 下 文 的 陈述 中 按照 其 综述 的 分 类 方式 , 将 分 别 就 植物 的 群落 水 平 、 植 物 个 体 的 根系 水 平 及 菌 根 菌 丝 本 身 说 明 菌 根 影 响 土壤 结构 的 作用 , 在 不 同 层次 上 菌 根 的 作用 机 制 可 能 会 不 同 , 但 需要 注意 的 是 在 不 同 层次 上 的 作用 不 是 相互 独立 的 , 它 们 之 间 存 在 着 内 在 的 关联 。 2.2 群落 水 平 的 作用 作为 一 类 主要 的 土壤 真菌 , 菌 根 真菌 最 突出 的 作用 就 是 由 于 宿主 植物 与 其 建立 共生 体系 后 , 所 获得 的 收益 不 同 , 进 而 整个 植物 群落 的 组 成 会 受到 影响 。 研 究 表明 , 土 壤 团聚 体 的 形成 会 受到 不 同 植物 种 类 的 作用 , 因 此 植物 群落 组 成 的 改变 进而 会 作用 于 土壤 结构 。 菌 根 真菌 的 多 样 性 是 影 啊 植 物 群 落 生 产 力 的 重要 因素 。 和 群落 的 净 初 级 生产 力 决 定 了 进入 到 土壤 中 的 碳 通 量 (植物 凋落 物 和 用 于 构建 根系 的 糖 类 物质 ) , 最 终 影响 了 土壤 团聚 体 。 AM 真菌 能 改变 植物 群落 的 物种 组 成 。Wilson 和 Hartnett (1997) 发 现 , 通 过 抑制 菌 根 真菌 6 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 的 感染 , 不 但 降低 了 群落 总 的 地 上 生物 量 , 也 改变 了 群落 中 植物 的 比例 。Cavagnaro 等 (2004 ) 的 研究 发 现 , 未 接种 丛 梳 菌 根 真菌 时 , 种 植 在 一 起 的 番茄 野生 体 (76R) 和 其 突变 体 re (不 被 菌 根 真菌 侵 染 ) 之 间 生 长 差异 不 显著 , 而 接种 后 , 野 生体 的 生物 量 显著 大 于 突变 体 , 说 明了 菌 根 真 菌 能 够 影响 植物 之 间 的 竞争 力 , 也 说 明了 在 自然 生态 系统 条 件 下 , 丛 枝 菌 根 真菌 能 够 改变 群 落 内 的 物种 组 成 。 而 van der Heijden 等 (1998) 通过 实验 证 实 ,VA 菌 根 的 多 样 性 是 维持 植物 多 样 性 和 生态 系统 功能 的 一 个 主要 因子 。 菌 根 真菌 作为 陆 生 植物 最 古老 的 共生 者 , 菌 根 真菌 的 类 型 和 数量 很 可 能 对 植物 群落 的 演 替 过 程 有 所 反映 , 并 且 菌 根 真菌 很 有 可 能 是 这 一 过 程 的 参与 者 和 推 动 者 , 这 在 Aikio FA (2000) 的 研究 中 得 到 了 验证 。 地 上 植被 的 变化 最 明显 的 结果 就 是 植被 生 产 力 的 变化 ,植物 生 产 力 的 提高 直接 增加 了 土壤 中 的 团聚 体 数量 (Bronick & Lai,2005 ) 。 AM 真菌 本 身 的 生长 活动 还 能 通过 菌 根 际 活动 影响 其 他 土壤 微生物 活性 , 从 而 影响 土壤 团聚 结构 的 形成 和 稳定 过 程 。AM 真菌 在 生长 过 程 中 会 向 土壤 分 沁 物 质 , 改 变 土 壤 微 域 环境 , 刺 激 土 am. 、 放 线 菌 等 微生物 的 繁殖 , 造 成 微生物 区 系 的 变化 (Artursson et al. ,2005; Rllig et al. , 2005) , 但 这 种 变化 所 带 来 的 土壤 结构 变化 的 研究 还 十 分 缺乏 。 菌 根 真 菌 不 仅 改 变 了 根 际 淀 积 物 的 数量 , 而 且 演 积 物 的 成 分 也 有 所 变化 ,造成 细菌 群落 成 分 的 改变 〈《Marschner & Baumann, 2003), AM 真菌 的 生长 造成 土壤 孔隙 的 改变 , 细 菌 进 行 生 长 代谢 的 基质 、 养 分 、 水 分 和 氧气 浓 度 等 栖息 环境 条 件 的 改变 , 细 菌 群落 和 功能 的 变化 等 目前 还 不 得 而 知 。 大 量 研究 表明 微生物 群落 对 土壤 团聚 体 水 稳 性 的 影响 主要 依赖 于 菌 根 真菌 的 作用 , 然 而 在 这 些 研究 中 只 关注 了 微生物 群落 的 被 动 应 答 特征 , 菌 根 真菌 和 微生物 群落 的 相互 作用 应 做 进一步 的 研究 (Rillig et al. ,2005 ) 。 2.3 植物 个 体 的 根系 水 平 Rillig 和 Mummery (2006) 在 他 的 综述 中 把 根系 对 土壤 结构 的 影响 可 分 为 三 个 方面 : 中 根系 的 物理 穿 透 作 用 ; @ 根 际 淀 积 作用 ; 外 根 的 降解 作用 。 而 丛 枝 菌 根 真 菌 对 根系 的 作用 主要 是 通过 作用 于 植物 的 生物 量 , 改 变 根 的 性 状 , 如 改变 冠 根 比 等 , 对 上 述 几 个 过 程 产生 影响 。 根系 缠绕 和 物理 穿 透 作用 : 研究 表明 AM 真菌 接种 可 改变 宿主 根系 的 生长 发 育 。AM 菌 根 共 生 侵 染 可 导致 不 同 草本 和 木 本 植物 根系 形态 变化 〈Schellenbaum et al. ,1991) ,AM 形成 导致 根 系 发 育 的 变化 , 菌 根 化 植物 以 三 级 侧根 为 主 , 而 非 菌 根植 物 以 二 级 侧根 为 主 〈 刘 文科 ,2004 ) , 根系 变 细 , 区 域 土壤 变 得 紧 实 , 土 壤 颗粒 趋向 于 根系 表面 , 消 除了 小 团聚 体形 成 的 空间 限制 。 根 际 淀 积 : 植物 的 根 分 废物 (主要 是 大 分 子 多 糖 类 物质 ) 能 增加 大 团聚 体 的 稳定 性 , 这 主 -要 是 根系 分 泌 物 所 带 来 的 碳 源 有 助 于 团聚 体 的 形成 , 根 系 把 更 多 的 颗粒 黏附 在 一 起 , 使 团聚 体 更 加 稳定 。 而 作为 一 个 巨大 的 碳 库 , 接 种 菌 根 真菌 后 能 显著 影响 植物 根系 的 分 泌 (Jones et al. , 2004) , 除 了 已 经 报道 的 定量 变化 , 根 系 分 泌 物 的 性 质 也 有 所 变化 。 根 系 分 沁 物 为 土壤 微生物 提 供 了 碳 源 , 也 有 助 于 团聚 体 的 形成 。 | 根 的 分 解 : 植株 根系 死亡 后 , 被 土壤 中 的 微生物 所 分 解 的 产物 是 土壤 有 机 质 的 重要 来 源 之 , 一 , 根 系 的 降解 也 有 助 于 团聚 体 的 形成 。Hodge 等 (2001) 发 表 在 Nature 上 的 文章 发 现 , 丛 枝 菌 根 真 菌 能 够 分 解 植物 残 体 并 吸收 其 中 的 `N, 供 给 宿主 植物 利用 , 说 明了 丛 枝 菌 根 菌 丝 具 有 直接 分 解 有 机 质 的 能 力 , 以 往 的 研究 低估 了 菌 根 真菌 在 这 方面 的 作用 。 接 种 菌 根 真菌 既 能 改变 根系 形 态 , 也 能 改变 根系 的 化 学 成 分 , 既 改变 了 根系 分 解 的 速率 又 使 最 终 分 解 产 物 发 生 了 变化 。 而 在 外 生 菌 根 的 研究 中 发 现 , 菌 丝 减 缓 了 凋落 物 的 分 解 速率 , 即 “Gadgil” 效 应 , 这 缘 于 养分 和 水 分 的 双重 作用 (Bending, 2003) 。 2.4 菌 丝 水 平 的 作用 机 制 菌 根 菌 丝 直接 参与 土壤 团聚 体 的 形成 和 稳定 过 程 是 AM 真菌 影响 土壤 结构 的 一 个 重要 方面 。 丛 枝 菌 根 真菌 影响 土壤 结构 的 生态 机 制 研究 7 如 图 1 所 示 , 大 量 研究 表明 菌 丝 能 够 参与 团聚 体 的 形成 和 稳定 过 程 (Smith & Read, 1997), 丝 将 土壤 彼此 机 械 地 缠绕 在 一 起 而 形成 团聚 体 , 随 着 菌 丝 长 度 的 增加 , 土 壤 的 团聚 性 也 相应 增强 (Tisdall & Oades, 1982), Jastrow 等 人 (1998) 利用 path analysis 分 析 得 出 , 在 影响 团聚 体 稳 定 性 的 根系 、 菌 丝 、 微 生物 量 碳 、 土 壤 有 机 碳 等 诸多 因子 中 , 菌 丝 具 有 最 重要 的 直接 作用 。 菌 丝 的 形态 特征 对 土壤 团聚 体 发 生 的 尺度 具有 重要 作用 , 不 同 真菌 的 菌 丝 直径 、 壁 厚 、 分 支 模式 和 分 隔 都 有 所 差异 , 即 使 是 同一 种 真菌 , 不 同 生态 型 的 菌 种 的 外 延 菌 丝 的 形态 差异 也 很 大 (Hart & Reader,2005) , 这 种 菌 丝 形态 上 的 多 样 性 是 否 会 造成 对 土壤 团聚 体 结 构 形 成 和 稳定 过 程 的 多 样 性 , 目 前 还 不 得 而 知 。 除 了 菌 丝 的 缠绕 网 织 作 用 外 , 菌 丝 的 代谢 周期 也 是 一 个 重要 的 影响 因素 , 土壤 中 AM 真菌 的 菌 丝 的 代谢 周期 一 般 只 有 5 ~6 天 (Staddon et al. ,2003 ) , 而 某 些 菌 丝 可 在 土 壤 中 存在 更 长 的 时 间 , 碳 标记 试验 表明 32 天 后 “信使 ” 菌 丝 仍 存在 于 土壤 中 (Olsson & Johnson,2005) , 植 物 死亡 后 这 些 菌 丝 继续 保存 在 土壤 中 , 起 着 稳定 土壤 团聚 体 的 作用 。 冯 固 等 (2001) 试验 观察 到 菌 根 菌 丝 对 粒 径 为 2~5 mm 和 1~2 mm 的 大 团聚 体 的 贡献 达 100% , 显 示 了 菌 根 菌 丝 在 土壤 大 团聚 体形 成 中 所 起 的 重要 作用 。 大 多 数 对 小 团聚 体 的 研究 关注 于 有 机 质 颗粒 的 研究 , 忽 视 了 菌 根 对 这 一 过 程 的 作用 (Six et al. ,2002) , 而 菌 根 菌 丝 对 小 团聚 体 的 作用 大 于 其 对 大 团聚 体 的 作用 (Rillig & Mummey,2006) , 依 据 土 壤 结构 分 级 理论 (Six et oa/. ,2000b) , 存 在 于 大 团聚 体 结构 内 的 小 团聚 体 势 必 会 影响 大 团聚 体 的 形成 和 稳定 , 而 菌 根 侵 染 后 是 否 产生 影 响 , 产 生 怎 样 的 影响 , 值 得 进一步 的 研究 。 Ee a & 90~250 pm, 20~90 pm @ ”植物 和 真菌 残 体 @ RAMA 人] wpe [| 多 糖 和 其 他 无 定形 物质 1 菌 丝 对 不 同 太 度 土壤 团聚 体形 成 和 稳定 影响 示意 图 (Rillig & Mummey, 2006) Fig. 1 Overview of various mechanisms that are hyphal mediated and influence the formation or stabilization of soil at macroaggregate and microaggregate scales ERRE AH KEA (CRSP) 作为 一 种 糖 蛋白 , 由 于 其 特殊 的 生物 学 特性 和 理化 性 质 , 对 土 培 团 聚 体 的 贡献 是 非常 重要 的 。1996 年 ,Wright 与 Upadhyaya 在 121 % 下 用 20 mmol . 工 一 的 柠檬 酸 钠 提 取 了 一 种 含量 丰富 、 不 同 寻常 的 蛋白 质 , 初 步 认为 这 种 蛋白 是 由 AM 真菌 产生 的 , 进 一 步 的 研究 发 现 只 有 球 圳 霉 属 的 真菌 能 分 沁 此 类 蛋白, 所 以 将 其 称 为 球 囊 霉 素 (glomalin) (Wright & Upadhyaya,1996) , 其 主要 由 两 部 分 组 成 : 蛋白 质 和 糖 类 , 并 含有 丰富 的 碳 , 它 广泛 存在 于 各 种 8 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 系列 的 土壤 中 ,含量 达 每 克 土 壤 中 含 几 毫克 (Wright & Upadhyaya,1998 ) , 并 在 土壤 中 相对 稳定 (Rillig et al. ,2001) , 且 还 可 促进 土壤 团聚 体 的 形成 。 但 最 近 的 研究 结果 显示 这 种 糖 蛋 白 是 非特 异性 的 , 因 此 又 称 为 球 宫 霉 素 相关 蛋白 (glomalin related soil protein, GRSP), GRSP 由 于 与 增进 土壤 团聚 体 的 水 稳 性 有 关 而 见 著 于 相关 报道 (Wright & Upadhyaya, 1998; Rillig, 2004), (AE 影响 土壤 团聚 体 的 作用 机 制 仍 不 清楚 , 有 人 认为 球 品 霉 素 是 一 种 水 溶性 的 胶 联 物质 , 但 缺乏 直接 的 生化 证 据 。 最 近 的 研究 表明 ,80 多 的 CRSP 是 吸附 在 菌 丝 表面 (Driver et al. ,2005) , 而 不 是 Sy Wh EE +E, Alii CRSP 对 土壤 结构 的 胶 联 作用 有 可 能 是 建立 在 菌 丝 结构 基础 上 的 。GRSP 在 土壤 环境 中 周转 速率 较 慢 , C 标记 实验 表明 GRSP 在 土壤 中 存在 可 达 6 ~ 42 年 之 和 从 〈Rillig et al. ,2001 ) , 季 节 变 化 幅度 小 (Lutgen et al. ,2003 ) , 与 菌 丝 相 比 在 形成 和 稳定 土壤 团聚 体 方面 具有 较 大 的 优势 。 目 前 还 不 清楚 菌 根 真菌 为 什么 分 泌 CRSP, 但 已 有 研究 证 实 CRSP HABLA 菌 本 身 生 理 状 况 的 控制 (Driver et al. ,2005 ) , 最 近 的 研究 表明 , 分 记 CRSP 主要 源 于 丛 枝 菌 根 真菌 自身 某 些 生理 作用 的 原因 , 而 对 土壤 团聚 体 的 稳定 作用 是 其 次 生 作 用 (Sonia & Rillig, 2007) , 运 用 分 子 生物 学 技术 对 CRSP 的 功能 基因 进行 定性 和 量化 研究 有 助 于 阐明 其 功能 。 3. 小 结 与 展望 迄今 为 止 , 国 内 外 关于 菌 根 侵 染 影响 土壤 结构 的 研究 还 较 少 (Rillig & Mummey, 2006), Xf 这 个 问题 的 研究 不 仅 有 助 于 改良 土壤 结构 , 提 高 土壤 质量 , 保 证 我 国 的 粮食 安全 , 而 且 有 助 于 进 — A AM 真菌 在 生态 系统 中 的 作用 。 自 从 Frank (1885) 首次 提出 菌 根 概念 以 来 , 菌 根 和 戎 根 真 菌 的 研究 已 经 经 历 了 一 个 多 世纪 的 时 间 。 早 期 的 研究 主要 集中 于 菌 根 的 生理 、 菌 根 真菌 的 纯 培养 特征 及 菌 根 真菌 在 养分 吸收 上 的 作用 等 方面 。20 世纪 80 年 代 以 来 , 随 着 先进 科技 手段 的 应 用 以 及 研究 者 对 生态 系统 结构 和 功能 理解 的 深入 , 菌 根 真菌 的 研究 进入 飞速 发 展 的 阶段 , 菌 根 对 土壤 结构 作用 机 制 的 研究 有 助 于 认识 生态 系统 稳定 性 的 维持 机 制 等 问题 , 在 更 大 尺度 上 理解 菌 根 真菌 在 全 球 物 质 循环 中 的 作用 。 参考 文献 冯 固 , 张 玉 凤 , 李 晓 林 . 丛 枝 菌 根 真菌 的 外 生 菌 丝 对 土壤 水 稳 性 团聚 体形 成 的 影响 I). 水 土 保 持 学 报 ,2001, 15 : 99-102. 梁 文 举 , 闻 大 中 . 土壤 生物 及 其 对 土壤 生态 学 发 展 的 影响 [可 :应 用 生态 学 报 ,2001,12: 137-140. 刘 文 科 . 从 枝 菌 根 真菌 的 土壤 生态 适应 性 及 其 功能 差异 研究 [LM]. 博士 学 位 论文 . 中 国 农 业 大 学 2004. 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Excessive salt concentrations in soils, in most cases, cannot be reduced with time by routine irrigation and crop management practices. However, amelioration of soil salinity by simultaneous application of nitrogen-fixing cyanobacteria during crop growth seems to be an attractive approach. Most of the cell-bound Na‘ remained extracellularly in the mucopolysaccharide sheath of cyanobacteria. Therefore, permanent removal of Na‘ from saline soils using cyanobacteria may not be possible, since Na is released back into the soil subsequent to the death Supported by Foundation for Outstanding Young Scientists of Heilongjiang in China ( JC-02-04) * Corresponding author: wzhang]215@ 163. com; yujief@ yahoo. com 12 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) and decay of cyanobacteria, especially since it can also supplement the nitrogen requirement of the crop. This paper represents a trial of effects of shed lights on the structure and function of nitrogen-fixing cya- nobacteria, mechanisms of salt tolerance and advance in research on reclamation of saline soils by cya- nobacteria. Key words nitrogen-fixing cyanobacteria; saline soils; salt-tolerance 1. Introduction Soil salinization is an important agricultural problem and high NaCl content is a major hindrance to plant growth in saline soils (Boyer, 1972). Apart from the natural causes of salinization like sea-water , inefficient water management practices also result in the secondary salinization of farm-lands (Flowers et al. , 1977). Sodium (Na”*) is the predominant deterrent of plant growth in a saline environment. Most crop plants exhibit considerable hypersensitivity to saline environments because (a) intracellular accumulation of Na“ is toxic to the cellular metabolism, and (b) osmotic component of salinity stress , causes water loss and inhibits growth (Serrano and Gaxiola, 1994). Breeding plants resistant to salinity stress is, therefore, a thrust area of contemporary research ( Bohnert and Jensen, 1996). Various means used to ameliorate saline soils include (a) irrigation (Qadir and Oster, 2004); (b) applica- tion of amendments like gypsum, pyrites and farmyard manure ( Milap et al. , 1977); (c) growing salt-tolerant plants like rice, grass (Kumar and Abrol, 1984; Dagar et al. , 2004) or sugar beet ( Beta vulgaris L. ). Conventionally, it is done by addition of gypsum (CaSO, - 2H,0O) followed by leaching out of excess salts by flooding. An alternate approach, the isolation of active bacteria from saline soils, will allow the use of these bacteria in the reclamation of saline soils. The N,-fixing bacteria isolated from saline soils (Zahran et al. , 1995) could be good candidates for improving the fertility of reclaimed saline soils. A biological approach to the problem of saline soils using cyanobacteria (blue-green algae ) was proposed in the early 1950’s, wherein natural populations of nitrogenfixing cyanobacteria ( blue- ‘ green algae) were employed for reclamation of saline/alkaline “usar” lands typical of certain North Indi- an states (Singh, 1950, 1961). It was claimed that cyanobacteria absorbed and permanently immobi- lized Na intracellularly, resulting in the decrease of soil salinity. The possibility of simultaneously aug- menting the carbon and nitrogen status of saline soils was suggested to be an additional attraction of such a reclamation strategy (Singh, 1961). The present study was undertaken (a) to explore if nitrogen- _ fixing cyanobacteria could also be used to improve coastal saline soils, and (b) to elucidate the basis of modification of soil salinity subsequent to cyanobacterial growth. The results show that the cyanobacterial application can reduce salinity of moderately saline coastal soils and that such amelioration of soil salinity is consequent to a possible entrapment of Na in their extracellular mucopolysaccharide sheaths. Using nitrogen-fixing cyanobacteria for reclamation of saline soils (Singh, 1961) has been attempted with some success. However, the mechanism of amelioration of soil salinity by cyanobacteria has not been adequately understood, so this review aims mainly at presenting a comprehensive understanding of the mechanisms of amelioration of saline soils by nitrogen-fixing cyanobacteria. Fel Se UE An ta OT th EO OR OY OT 13 2. Structure and function of nitrogen-fixing cyanobacteria Cyanobacteria (blue-green algae) are photosynthetic prokaryotic microorganisms capable of fixing atmospheric N, using sunlight as the sole energy source (Stewart, 1980; Vega-Jarquin et al. , 2003). They can be found in a wide range of diverse environments characterized by extremes of temperature , desiccation, pH, salinity, light intensity, and nutrients ( Ben-Porath and Zehr. , 1994). Upland soils in arid climates are very inhospitable to many microorganisms because of high temperatures and lim- ited water, yet cyanobacteria are especially resistant to such adverse conditions and thus form the domi- nant component of the microflora in many cases. The N,-fixing cyanobacteria known so far have been classified into three groups: unicellular, fila- mentous nonheterocystous, and filamentous heterocystous. The entire group of N,-fixing cyanobacteria (including the heterocystous and nonheterocystous filamentous/unicellular forms) is able to use molecu- lar nitrogen as a nitrogen source (see Fig. 1). Fogg (1949) demonstrated experimentally that hetero- cysts are the specialized cells that contain the nitrogen-fixing mechanism. Considerable studies were car- ried out on heterocystous forms, and it was proved by immunolabeling studies that heterocysts are the location of the enzyme nitrogenase (Flemming and Haselkorn, 1973). Fig. 1 The structure of nitrogen-fixing cyanophytes ( H-heterocyst) 图 1 RU RET CH 为 异形 胞 ) 3. Mechanisms of cyanobacterial salt tolerance Mechanisms underlying salinity in cyanobacteria consist of at least three phenomena; (a) exclusion of Na ; (b) osmoregulation during salt adaptation of cyanobacteria; (c) cyanobacterial salt tolerance can be modified by environmental factors, especially combined nitrogen. 3.1 Exclusion of Na* Cyanobacteria require trace quantities of sodium for growth, photosynthesis and nitrogen fixation (Apte and Thomas, 1980, 1983, 1984). Many cyanobacteria are also moderately salt tolerant. How- ever, unlike halophytes ( Apte and Thomas, 1986; Reed et al. , 1985), curtailment of Na“ influx plays a useful role in cyanobacterial halotolerance. It may contribute to salt tolerance significantly by reducing the need (a) to pump out excess Na*, accumulated during salt stress, at a considerable energy cost and (b) to tune the metabolism to function at higher intracellular salt concentrations. 14 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) The features of Na‘ transport across the membrane have a great relationship with cyanobacterial halotolerance. Na* exclusion is an active process driven by a Na /再 ”antiport system ( Apte and Thomas, 1986). The cell membranes of many bacteria possess Na*/H* antiportérss In cyanobacteria the inwardly directed proton-motive force ( - Aw,.), created by respiratory proton extrusion, is cou- pled to the creation of an inwardly directed sodium-motive force ( - Awy,.). Bacteria which grow at high pH maintain a cytosol which is relatively acidic ( Blumwald et al. , 1984; Padan et al. , 1981). The proton concentration gradient across the membrane (ApH) therefore diminishes - Auw,., which then might not be strong enough to create any useful - Awy,. via the antiporter. Cyanobacteria possess antiporters that expel Na* and admit H* at high pH, which means that both ions are transported against their concentration gradients. This can occur because the antiporter is elec- trogenic; more than one proton is admitted per Na* extruded (Krulwich and Guffanti, 1989) and the exchange is therefore driven by the electrical potential across the membrane (AW) rather than by ( -Aw,.)-. The electrogenic antiporter thereby allows the bacterium to simultaneously acidify its cytosol and build a ( - Awy,.) to power Na -coupled transport processes. The necessary H” gradient is genera- ted by a proton translocating ATPase located in the plasmalemma. Na exclusion achieved primarily by curtailment of net Na* uptake, which appears to be an important mechanism of combating salt stress in cyanobacteria. 3.2 Osmoregulation in cyanobacteria Osmoregulation in cyanobacteria grown at high external NaCl concentrations involves the accumula- tion of internal osmoticum in the form of inorganic ions (Miller et al. , 1976) such as K* or organic os- molytes such as sugars, polyols, EPS ( exopolysaccharides ) (see Fig.2) and quaternary amines (Blumwald, 1983). The very rapid NaCl entry into the cell triggers the adaptive response of cyanobac- teria. Subsequently, the cells slowly pump out Na* via a Na*/H* antiporter. It appears that osmotic shock increases the permeability to NaCl. Moreover, it is very likely that osmotic shock inhibits the so- dium pump and the ATPase that power it. Therefore, after osmotic shock, the permeability of plasmale- mma to NaCl would be anticipated to be too great for the sodium pump to overcome, resulting in a net uptake of NaCl. Following the shock, the membrane recovers and becomes less permeable to NaCl. Fig. 2 Localization of EPS from cyanobacteria by the toluidine blue technique. 图 2 通过 甲苯 胺 蓝 技术 确定 蓝藻 中 的 EPS 3.3 Enhancement of salt tolerance by combined nitrogen Inhibition of Na” influx by combined nitrogen is a major mechanism for protection of cyanobacteria against salt stress, which has been proved. The ability to curtail Na‘ influx can be induced by the pres- 固氮 蓝 细菌 对 盐 碱 土改 良 的 贡献 15 ence of combined nitrogen in the form of nitrate or ammonium in the growth milieu, both nitrate and am- monium appear to interact with the Na“ carrier and inhibit Na“ influx competitively. During exposure to salt stress, cyanobacteria do not accumulate Na ”and show a high energy de- mand for an obligatory extrusion of this cation. The presence of combined nitrogen facilitates maintenance of low intracellular concentrations of Na*. This mechanism can also be exploited to prevent the accumu- lation of excess Na“ during salt stress in saline and alkaline soils. 4. Reclamation of saline soils by cyanobacteria The abundant growth of cyanobacteria in the appropriate period is beneficial to saline soils. A signif- icant reduction in pH, electrical conductivity, exchangeable sodium, hydrolic conductivity, and aggre- gation status of the soil, as well as a significant increase in the total N content of the soil concomitant with cyanobacterial growth, were noted by Subhashini and Kaushik (1981). They can benefit plants by producing growth-promoting substances, and by increasing the availability of P by excretion of organic acids (Choudhury and Kennedy, 2004). The most important alga are species of Nostoc (N. commune, N. muscorum, N. punctiforme) , Scy- tonema (5S. ocellatum, S.javanicum) , Microcoleus (M. chthonoplastes, M. vaginatus) , Porphyrosiphon (P. notarisii) , Camptylonema (C. lahorense) , and Cylindrospermum ( C. licheniforme, C. muscicola). The larger population of N,-fixing cyanobacteria comprises the filamentous and heterocystous forms. Nos- toc commune has been found to be the most important source of N biologically fixed in saline soils. Wet- land rice fields can provide an ideal condition for the growth of cyanobacteria, which accumulate 19 ~ 28 kg N .hm- - crop, and can reduce the use of urea fertilizer for a rice crop in saline soils by 25% ~ 35% (Hashem, 2001). Ever since the importance of cyanobacteria was recognized, a considerable amount of research has been carried out to evolve methods and means to effectively utilize these organisms as a biofertilizer (Shi et al. , 1987, 1991). One of the biotechnological applications that resulted from the development of a cyanobacterial biofertilizer program (Patterson, 1996) has been the extension work, or the preparation and distribution of biofertilizers to farmers. For improving the laboratory culture of cyanobacteria, the use of polybag bottles, instead of expensive glass flasks, has been suggested (Sathiyamoorthy and Shan- mugasundaram, 1992). The method of distribution of liquid cyanobacterial cultures in polyethylene and polypropylene sachets has also been developed (Suresh et al. , 1992). In such a case, the direct ap- plication of cyanobacteria to the field may be considered. A systematic compilation of the practically pos- sible and less-expensive methods of large-scale N,-fixing cyanobacterial production has been provided by Venkataraman (1993). Two of these methods-through or tank and two-field and nursery-cum-algal are for bulk production of the N,-fixing cyanobacteria on a commercial scale ( Venkataraman, 1993). 5. Concluding remarks Cyanobacteria play a major role in improving the soil environment in addition to N fixation. They have the capacity to reclaim saline soils. Furthermore, concurrent with N, fixation, the cyanobacteria 16 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) synthesize and excrete a variety of organic/growth-promoting substances, simultaneously augmenting the carbon and nitrogen status of saline soils, which is an additional attraction of such a reclamation strategy. Cyanobacteria can curtail Na“ intracellularly, resulting in the decrease of soil salinity, which can help explain the relative abundance of cyanobacteria on saline and alkaline soils. It has been further shown that the ability to curtail Na“ influx can also be enhanced by certain environmental factors such as osmoregulation or combined nitrogen. Cyanobacteria growth on saline soils is consistent with their inher- ent ability to tolerant salinity. A variety of free-living cyanobacteria are now identified as efficient components of cyanobacterial biofertilizers. The production of nitrogen-fixing cyanobacterial biofertilizer in relatively simple tubular re- actors may be a much more attractive way to utilize these agriculturally beneficial organisms. Thus, any practice aimed at increasing biological nitrogen fixation through cyanobacterial biofertilization can be ac- ceptable to a large spectrum of farmers. Acknowledgments A portion of the work was supported by School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology. We thank Freshwater Algae of Culture Collection of Chinese Academy of Sci- ences for providing cyanobacteria for us. References APTE S K, THOMAS J. Sodium is required for nitrogenase activity in cyanobacteria [J]. Current Microbiology, 1980, 3: 291-293. APTE S K, THOMAS J. 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(1 Laboratory of Conservation and Utilization of Bio-Resource & School of Life Sciences, Yunnan University , Kunming 650091, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture , Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 100094, China; 4 Institute of Agricultual Environment and Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205 , China; 5 Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China) 摘 要 土壤 反 硝 化 作用 是 土壤 氮 素 由 活性 氮 向 惰性 氮 转 化 的 唯一 途径 , 是 实现 完整 氮 素 循 环 、 平 衡 全 球 氮 输入 通 量 的 重要 环节 和 机 制 , 对 维持 生态 系统 平衡 具有 重要 作用 。 然 而 伴随 着 反 硝化 过 程 , 土 壤 和 肥料 氮 素 的 损失 , 温 室 气体 N;0 的 排放 等 多 重负 面 生态 环境 效应 会 产生 , 因 此 , 反 硝化 过 程 已 经 成 为 国内 外 土壤 学 家 和 环境 学 家 研究 的 热点 领域 之 一 。 本 文 综述 了 国内 外 关 于 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 方面 的 研究 成 果 , 以 期 为 积极 利用 现 有 研究 成 果 并 准确 把 握 其 研 究 方 向 提供 有 价值 的 科学 资料 。 文 章 首 先 介绍 了 土壤 反 硝 化 的 基本 概念 、 分 类 、 影 响 因素 及 反 硝 化 作用 的 定量 研究 方法 , 在 此 基础 上 探讨 了 土壤 反 硝 化 作用 的 环境 效应 , 包 括 反 硝化 造成 农业 生 态 系统 中 土壤 氮 素 损失 ; 产生 温室 气体 NO0; 影响 温室 气体 CH 的 排放 ; 以 及 影响 铁 元 素 循 环 等 。 文 章 最 后 提出 了 在 国内 开展 土壤 反 硝 化 研究 中 的 科学 问题 和 研究 展望 。 关键 词 反 硝 化 ; AMA; 温室 气体 ; N,O; CH,; Fe; 环境 效应 基金 项 目 : 国家 自然 科学 基金 项 目 (No. 40471065) , 中 科 院 知识 创新 工程 项 目 (No. CXTD-Z2005-4) , 校 青 年 基金 项 目 (No. 2007Q001A) 资助 。 * “通讯 作者 : ybxu@ ynu. edu. cn 20 生态 科学 进展 (BOR) Abstract Denitrification in soils is the only pathway by which active nitrogen is converted into inert ni- trogen. It is the indispensable tache for completing the full nitrogen recycle, and the important mecha- nism for counter-balancing the global input of nitrogen and sustaining the ecological balance. However, denitrification has some negative environmental effects such as nitrogen loss from soils or fertilizers and | greenhouse gas N,O production. This paper reviews briefly the researches on denitrification in soils and | its environmental effects, which would provide some references for applying present accomplishments and mastering the future development of denitrification. The basic conception, sorts, and influencing factors of denitrification in soils, quantitive method for studying denitrification are introduced firstly. Then, environmental effects of denitrification are discussed, including soil nitrogen loss from agricultural ecosys- tem, production of greenhouse gas N,O and influence on CH, emission and Fe recycle. Finally, new scientific problems and the development of the field are prospected. Key words denitrification; nitrogen loss; greenhouse gases; N,O; CH,; Fe; environmental effects ee hike Di 尽管 大 气 含 氮 量 高 达 78% , 但 是 作物 生产 在 很 大 程度 上 仍 受 限于 土壤 有 效 氮 的 供应 , 氢 肥 的 投入 是 增加 作物 产量 的 重要 因素 。 到 2000 年 全 球 氮肥 施用 量 已 经 超过 100Tg, 目 前 我 国 氮肥 的 生产 、 进 口 和 施用 总 量 均 居 世界 前 列 。 据 中 国 农业 统计 年 鉴 统 计 〈 中 国 农业 年 鉴 编 辑 委员 会 , 2006), 4 2005 年 , 我 国 氮肥 施用 量 已 高 达 2229.7 万 吨 , 占 化 肥 总 用 量 的 50 旬 左右 。 如 此 巨大 的 氮肥 投入 必 将 导致 更 多 的 氮 素 损失 以 平衡 全 球 氮 素 的 输入 通 量 。 和 氮肥 利用 率 低 正 成 为 我 国 农业 生产 中 一 个 日 益 突 出 的 问题 , 近 年 来 的 研究 资料 表明 , 我 国 主要 农作物 的 氮肥 利用 率 平均 只 有 35% 左右。 氮肥 利用 率 不 高 , 进 一 步 加 剧 了 氮 素 的 直接 损失 。 此 外 , 每 年 由 于 人 类 活动 造成 的 陆 地 固氮 量 约 占 总 固氮 量 的 60% (Vitousek et al. ,1997) , 如 此 之 高 的 氮 输 入 造成 森林 生态 系统 氮 饱和 和 水 生生 态 系统 的 富 营养 化 , 加 速 了 生物 多 样 性 的 丧失 (Vitousek et al. , 1997), 土壤 反 硝 化 作用 是 氮 素 生物 地 球 化 学 循环 的 重要 环节 。 反 硝化 作用 是 使 含 N 氧化 物 最 终 以 N: 形 态 离 开 土壤 、 水 体 等 内 部 生物 循环 回 到 大 气 的 主要 过 程 , 这 是 平衡 生物 固氮 输入 通 量 的 主 要 途径 和 机 制 (Murray and Knowles,2003 ) , 是 实现 完整 氮 素 循环 不 可 缺少 的 重要 一 环 。 从 生态 学 意义 讲 , 反 硝化 过 程 可 以 被 看 做 是 防止 系统 失衡 的 一 种 自 平 衡 机 制 。 从 环境 保护 的 角度 考虑 , 反 硝 化 通过 移 除 水 体 中 NO,-NN 或 其 他 氮 氧 化 物 对 调节 水 体质 量 同样 具有 重要 作用 。 然而 , 反 硝化 作用 也 是 氮 素 损失 最 重要 的 途径 之 一 , 全 球 总 输入 氮 量 中 有 52% ~ 100% 通过 反 硝 化 作用 进入 再 循环 (Aulakh et al. ,1992 ) , 而 氮肥 的 反 硝 化 损失 则 在 0~100 kg N+ hm 之 la] (Aulakh,1985) , 约 占 施 人 氮肥 量 的 12% ~30% (Hauck,1981) 。 由 于 反 硝 化 极 大 的 时 空 变 异性 , 全 球 氮 素 反 硝 化 年 损失 量 约 为 83 Tg- a ' (Stevenson, 1982) 到 390 Tg.a (Hauck and © Tanji,1982 ) 。 反 硝 化 也 是 产生 温室 气体 N;0 的 主要 途径 之 一 , 土 壤 硝 化 反 硝 化 过 程 释 放 的 NO 是 全 球 N;:0 的 主要 来 源 , 约 占 生物 圈 释 放 到 大 气 中 N;0 总 量 的 90% 。 估 计 每 年 全 球 土壤 排放 的 N:0 为 9.5+ 上 4.5 TgN, 约 占 全 部 排放 量 的 65% 。 全 球 自 然 陆地 生态 系统 和 农业 生态 系统 NO 的 排放 量 分 别 是 9.7 ~12.0TgN.a 和 2.3~3.7TgN.a- (Bouwman,1990)。N;0 是 重要 的 温室 气体 , 大 气 中 N;0 浓度 正 以 每 年 0.25% 的 速率 上 升 (Bouwman,1990) 。 目 前 空气 中 N:0 产生 的 温室 效 应 约 相 当 于 人 类 活动 带 来 温室 效应 的 5% (Watson et al. ,1992) 。 每 分 子 N;0 使 全 球 变 暖 的 潜力 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 21 大 约 是 每 分 子 C0, 的 296 倍 〈Robertson,1993 ) , 它 在 大 气 中 可 存留 120 年 , 它 的 温室 效应 对 于 全 球 气候 变化 有 着 重要 影响 。 此 外 ,N:0 还 参与 大 气 中 许多 光化学 反应 , 破 坏 大 气 0; 层 (Delga- do and Mosier,1996) , 从 而 增加 紫外 线 到 地 球 表面 的 辐射 量 , 对 地 球 生命 产生 多 方面 的 伤害 。 反 硝 化 具有 平衡 氮 通 量 , 导 致 土壤 和 肥料 氮 素 损失 , 以 及 产生 温室 气体 N;0 等 氮 氧 化 物 污 染 环 境 等 多 重 意义 , 因 此 , 反 硝化 过 程 已 经 成 为 国内 外 土壤 学 家 和 环境 学 家 研究 的 热点 领域 之 一 。 如 何在 维持 正常 生态 平衡 的 基础 上 减少 氮 损 失 和 温室 气体 排放 , 对 于 环境 健康 维护 、 社 会 经 济 发 展 至 关 重 要 , 这 些 方 面 的 研究 也 引起 了 越 来 越 多 的 科学 家 、 政 府 乃 至 普通 人 的 关注 。 对 反 硝 化 的 深入 认识 有 助 于 我 们 量化 氮 素 周转 , 预 测 农田 生态 系统 氮肥 去 向 (Robertson et al. ,2000 ) , 制定 污水 处 理 措施 〈Schroeder,1981) , 以 及 评价 反 硝 化 过 程 产 生 的 气态 氮 氧 化 物 对 全 球 变化 和 臭氧 层 破 坏 的 贡献 等 (Robertson et al. ,2000 ) 。 现 将 国内 外 关于 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 方面 的 研究 成 果 综 述 如 下 , 以 期 为 进一步 深入 研究 反 硝 化 作用 及 探讨 反 硝 化 对 生态 环境 的 影响 提 供 有 价值 的 科学 资料 。 2. 土壤 反 硝 化 作用 概述 2.1 概念 土壤 反 硝 化 作用 既 包 括 生物 反 硝 化 过 程 , 也 包括 化 学 反 硝 化 过 程 。 其 中 生物 反 硝 化 过 程 最 为 重要 。 该 过 程 是 指 微生物 在 无 氧 或 者 微量 氧 供应 条 件 下 的 硝酸 盐 呼 吸 过 程 , 反 硝化 微生物 将 NO, . NO, 或 者 N;0 作为 呼吸 过 程 的 末端 电子 受 体 , 并 将 其 还 原 为 NO, . NO, N,O 或 者 是 N;。 而 化 学 反 硝 化 过 程 则 为 非 生物 还 原 剂 所 催化 , 但 该 过 程 似乎 只 在 酸性 土壤 、 冻 土 、 海 底 沉 积 物 、 土壤 深层 中 才 有 意义 (Sorensen and Thorling,1991) 。 通 常 所 说 的 土壤 反 硝 化 作用 主要 是 指 土壤 生物 反 硝 化 过 程 。 反 硝化 的 基本 过 程 是 : NO, ——NO, ——NO —-N,0 —N, (1) 反 硝 化 作用 发 生 的 总 的 要 求 是 : 中 存在 具有 代谢 能 力 的 反 硝 化 微生物 ; 外 合适 的 电子 供 体 ; 图 厌 氧 条 件 或 0; 的 有 效 性 受到 限制 ; ON 的 氧化 物 , 如 NO; 、NO,、NO0 或 者 N;0 作为 末端 电 子 受 体 。 只 有 上 述 条 件 同时 满足 时 , 反 硝化 才能 进行 。 反 硝化 通常 在 厌 氧 条 件 下 发 生 , 但 在 微 厌 氧 条 件 下 也 能 发 生 好 气 反 硝化 , 即 异 养 硝化 细菌 利用 NHS 氧化 而 来 的 NO, 作为 电子 受 体 , 将 其 还 原 为 NO 和 N: 的 过 程 (Joo et al. ,2006) , 某 些 情 况 下 可 成 为 N;0 或 N; 的 主要 产生 途径 。 2.2 土壤 反 硝 化 作用 的 分 类 土壤 反 硝 化 作用 分 为 生物 反 硝 化 和 化 学 反 硝 化 作用 。 生 物 反 硝化 中 根据 微生物 的 能 量 来 源 (RR) 分 为 异 养 反 硝 化 和 自 养 反 硝化 〈(Pauwels,1994 ) 。 蜡 养 反 硝 化 微生物 的 能 量 来 源 为 有 机 质 , 而 自 养 反 硝化 的 微生物 能 量 来 源 为 无 机 化 合 物 , 如 SS ,Fe , ,NH* (van de Graff et al. , 1995 ) 。 化 学 反 硝 化 指 不 需要 微生物 参与 而 通过 化 学 反应 实现 的 NO,-N 还 原 过 程 。 2.2.1 蜡 养 反 硝 化 异 养 反 硝 化 是 由 异 养 细菌 利用 有 机 质 的 氧化 提供 的 电子 还 原 NO,-N, 同 时 产生 C0, , 反 应 方程 如 下 : CH,0 +4/5NO; +4/5H*—32/5N, + CO, +7/5H,0 (2) HP CH,O0 是 有 机 质 的 简化 形式 ,根据 该 公式 0.04 mmol - L' 的 有 机 C 可 以 还 原 0.03 mmol - L~'NO; 和 2.2.2 目 养 反 硝化 22 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 反 硝 化 微生物 除 从 有 机 C 氧化 获得 电子 外 , 也 能 从 还 原 态 无 机 物 氧 化 获得 电子 同化 CO, HKG 量 , 碳 源 , 如 硅 酸 铁 、 硫 化 物 、Fe"** 、H,S、CH,、H, 等 〈(Kliber and Conrad, 1998; Straub et al. , 1996 ) , 称 为 自 养 反 硝化 。 影 响 自 养 反 硝 化 的 因素 很 多 , 如 土壤 电荷 表面 性 质 、 结 唱 程 度 、 电子 | 供 体 浓度 、 某 些 金属 元 素 (由 黄 铁 矿 氧 化 而 来 或 由 有 机 肥 带 入 ) 等 均 有 可 能 对 微生物 活性 产生 抑制 或 促进 作用 (Pauwels et al. ,2000) 。Cu 和 Pb 可 作为 自 养 反 硝 化 的 催化 剂 , 催 化 Fe “和 NO, 的 氧化 还 原 反 应 (Ottley et al. ,1997 ) 。 2.2.3 化 学 反 硝 化 如 金属 铁 可 催化 以 再 ,为 电子 供 体 的 反 硝 化 过 程 (Huang et al. ,1998 ) , 金 属 铁 也 可 将 NO, 还 原 为 N;0 等 (Sorensen and Thorling,1991) , 这 些 反 应 是 不 需要 微生物 参与 的 化 学 反 硝 化 过 程 Zé 3. 影响 土壤 反 硝 化 作用 的 因素 凡是 影响 到 土壤 微生物 生存 与 活动 的 因素 均 会 影响 土壤 反 硝 化 作用 , 而 这 些 因 素 本 身 之 间 也 有 错综复杂 的 关系 。 下 面 分 别 对 各 因素 进行 分 析 , 然 后 进行 一 个 初步 的 比较 与 判断 。 3.1 通 训 与 水 分 状况 反 硝 化 作用 是 一 个 在 厌 氧 条 件 下 进行 的 微生物 学 过 程 , 因 而 受到 土壤 水 分 和 通气 状况 的 制 约 。 在 旱地 土壤 中 存在 的 局 部 或 暂时 性 的 厌 氧 微 域 环 境 是 引起 反 硝 化 作用 的 条 件 , 施 有 机 肥 因 消 耗 了 局 部 土壤 中 的 氧 而 促进 反 硝 化 。 在 田间 条 件 下 , 灌 水 、 降 十 以 及 土壤 本 身 的 机 械 组 成 都 会 影 响 旱 地 土壤 的 水 分 状况 和 通气 状况 , 从 而 影响 反 硝 化 作用 。 | Aulakh 等 (1992) 认为 土壤 水 分 通过 以 下 四 个 方面 直接 或 间接 地 影响 反 硝 化 作用 : 中 提供 微生物 生长 或 活动 的 有 利 条 件 ; @ 占 据 土 壤 孔 隙 , 限 制 氧 的 供应 ; @ 通 过 干 湿 交替 , 促 进 有 效 碳 或 氮 源 的 释放 ; @ 为 土壤 微生物 提供 转运 代谢 产物 或 原料 所 需 的 扩散 介质 。 过 去 的 许多 研究 均 表明 土壤 中 空气 与 水 分 的 平衡 是 影响 土壤 好 氧 或 厌 氧 微生物 活动 的 重要 因 素 , 对 土壤 硝 态 氮 的 形成 与 损失 均 有 重要 影响 。 实 验 室 研究 表明 , 当 土壤 水 分 含量 低 于 60% 最 大 持 水 量 时 , 无 论 NO, 供应 状况 如 何 , 反 硝化 作用 均 是 微不足道 的 (Aulakh et al. ,1991) 。 在 田间 研究 中 ,Rolston 等 (1982) 用 乙 灿 抑 制 方法 测定 了 不 同 灌水 条 件 下 旱地 土壤 中 的 反 硝 化 损 失 , 反 硝化 作用 产生 的 (NO +N:) -N 气 体 量 随 每 周 灌水 次 数 的 增多 而 增加 。 灌 溉 的 这 种 影响 受到 土壤 类 型 的 制约 。 在 砂 土 上 灌水 2 cm, 在 灌 后 的 3 ~5 小 时 内 反 硝 化 速率 达到 最 大 值 , 在 12 小 时 后 则 又 恢复 到 灌 前 水 平 , 而 在 壤土 上 灌溉 后 12 小 时 反 硝 化 速率 才 达 到 最 大 值 , 至 48 小 时 后 才 恢 复 到 灌 前 水 平 , 壤 土 中 的 反 硝 化 损失 量 是 砂 土 中 的 2 FF (Ryden, 1983), Weier 等 (1993) 研究 了 土壤 孔隙 含水 量 (WFPS) 对 反 硝 化 的 影响 , 结 果 表 明 , 当 WFPS 数值 从 60% 增加 到 90% 时 , 沙土 和 培土 的 反 硝 化 速率 分 别 增 加 了 6 倍 和 14 倍 。Aulakh 和 Rennie (1985) ARB, 4 WFPS#E 65% ~75% , 反 硝化 速率 很 低 , 但 随 含 水 量 的 增加 呈 显 著 增 加 趋势 。Doran 等 〈1990 ) 研究 发 现 18 种 不 同 理化 性 状 的 土壤 反 硝 化 作用 的 临界 值 为 70% ~80% 。 Aulakh 和 Rennie (1985) 田间 研究 发 现 , 与 反 硝 化 损失 显著 相关 的 因素 是 土壤 体积 含水 量 (或 WFPS) , 其 次 是 温度 , 而 后 是 土壤 硝 态 氨 。 在 评估 综合 因素 的 影响 时 , 水 分 与 温度 的 联合 效 应 与 反 硝 化 作用 呈 高 度 相 关 , 而 加 入 土壤 硝 态 氮 或 贸 态 氮 后 并 没有 提高 相关 系数 。 这 些 结 果 表 明 , 在 他 们 研究 的 田间 土壤 中 或 者 是 土壤 硝 态 氮 源 没 有 限制 反 硝 化 作用 , 或 者 是 其 他 因素 如 WFPS 和 温度 是 限制 反 硝 化 作用 更 为 重要 的 因素 。 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 23 3.2 温度 反 硝 化 作用 可 以 在 较 宽 的 温度 范围 内 进行 。 反 硝化 作用 所 需 温度 可 以 低 至 -2 CT ( Dorland and Beauchamp, 1991) 到 -4% (Malhi et al. ,1990) , 而 要 明显 的 反 硝 化 作用 往往 需要 >5 TC 的 条 件 〈(Vinther,1990) 。 最 佳 温 度 是 在 30 ~67 CT (Malhi et al. ,1990 ) 。 当 温度 >50 % 时 化 学 反 硝 化 作用 将 起 主要 作用 (Keeney et al., 1979), 7£ 75 ~85 % 时 反 硝 化 作用 停止 〈Keeney etal. , 1979), Aulakh & (1984) 在 田间 研究 时 发 现 作 物 生 长 期 间 当 温度 在 10 ~30 艺 时 , 温 度 对 反 硝 化 作 用 的 影响 很 小 。 不 过 在 早春 或 晚秋 , 当 温度 降 至 5 % 或 者 更 低 时 , 事 实 上 就 测 不 到 反 硝 化 作用 , 即使 在 土壤 湿润 、 硝 酸 盐 浓 度 较 高 时 也 是 如 此 。 3.3 RB 绝 大 多 数 反 硝化 细菌 是 异 养 的, 土壤 有 机 质 为 参与 这 一 过 程 的 微生物 提供 了 能 源 。 同 时 有 机 物质 本 身 是 一 种 电子 供 体 , 而 且 还 是 一 种 呼吸 基质 , 可 引起 所 胁迫。 因此 , 土 壤 有 机 质 含量 越 高 , 反 硝化 作用 潜力 越 大 (Drury et al. ,1991) 。 这 种 关系 许多 研究 者 不 仅 在 机 理 模型 (Crund- mann and Rolston, 1987) 中 有 所 描述 , 而 且 在 实验 室 及 田间 试验 中 均 得 到 证 实 〈Drury et al. , 1991; Iqbal,1992; Xu and Cai,2007) 。 有 些 研究 者 认为 土壤 反 硝 化 作用 的 空间 变异 性 部 分 是 有 机 碳 的 差异 所 致 (Fujikawa and Hendry, 1991), 土壤 反 硝 化 势 还 与 有 机 碳 的 形态 有 关 , 水 溶性 碳 或 易 矿 化 碳 与 反 硝 化 活性 的 关系 更 为 密切 (Reddy et al. ,1982; Xu and Cai, 2007). Bijay-Singh 等 (1988) 研究 发 现 , 农 田 或 草地 土壤 风 王后 , 反 硝化 势 与 水 溶性 碳 及 好 气 培 养 下 的 矿 化 态 碳 量 高 度 相 关 ; 而 土 样 保持 田间 湿度 时 , 反 硝 化 势 则 与 厌 氧 培养 下 的 矿 化 态 碳 量 密切 相关 。 他 们 认为 , 在 田间 条 件 下 , 反 硝化 作用 通常 受到 厌 氧 易 矿 化 态 碳 量 的 限制 。 生物 量 碳 与 反 硝 化 势 高 度 相 关 , 在 非 风 干 土壤 中 尤其 如 此 (Myrold and Tiedje,1986 ) 。 据 Bijay-Singh 等 推测 (1988) , 厌 氧 下 的 可 矿 化 态 碳 事实 上 极 有 可 能 与 好 气 条 件 下 的 生物 量 碳 是 同 一 组 分 。 由 于 绝 大 多 数 反 硝 化 细菌 是 异 养 型 的 , 因 此 碳 源 的 特性 及 有 效 性 是 影响 反 硝 化 作用 的 重要 因 素 。 在 过 去 的 一 些 纯 培 养 、 混 合 培养 等 研究 中 , 许 多 化 合 物 如 葡萄 糖 、 芒 糖 、 甲 酸 盐 、 柠 檬 酸 盐 等 都 被 用 作 过 碳 源 , 结 果 发 现 , 它 们 可 以 很 有 效 地 促进 反 硝 化 作用 (了 Beauchamp et al. ,1989 ) 。 当然 由 间 条 件 下 , 植 物 残 茬 、 根 系 分 沁 物 、 绿 肥 或 圈 肥 等 对 反 硝 化 作用 往往 有 促进 作用 ( Ava- lakki et al. ,1995 ) , 但 是 如 果 土 壤 供 氮 不 足 , 反 硝化 作用 反而 会 下 降 , 因 为 作物 残 茬 有 较 大 的 碳 氮 比 , 在 分 解 过程 中 易 引 起 氮 的 固定 (Fredrickson et al. ,1981) 。 因 此 在 秸秆 还 田 时 如 果 配 施 氮肥 , 反 硝化 损失 氮 量 应 该 是 增加 的 〈Aulakh et ol. 1984), APLRHEMA BAY, NO, 浓度 增 加 并 不 影响 反 硝 化 速率 。 土壤 有 机 碳 数量 、 组 成 和 有 机 碳 库 量变 化 受 诸多 因素 影响 , 包 括 土 地 利用 方式 、 施 肥水 平 、 耕 轮 作 制 度 等 〈Chantigny,2003 ) 。 土 地 利用 方式 的 不 同 , 由 于 人 类 活动 改变 植被 类 型 和 施肥 管 理 水 平 , 带 来 了 物质 进入 量 水 平 、 水 分 状况 、 施 肥 管 理 等 的 明显 差异 , 会 导致 土壤 有 机 C 库 的 显著 差别 ( 李 忠 修 ,2004) 。 不 同 利用 方式 下 , 土 壤 中 有 机 物质 的 年 进入 量 差异 最 大 可 达 5 倍 , 造成 士 壤 有 机 质 的 形成 和 积累 量 显 著 不 同 。 可 溶性 有 机 碳 和 水 溶性 有 机 碳 含 量 水 平 也 受 利 用 方式 的 影响 , 如 林地 > 草地 > 耕地 (Haynes, 2000). 3.4 Siz 在 实验 室 条 件 下 , 反 硝化 速率 随 土 壤 NO, 浓度 的 增加 而 增加 , 但 在 土壤 NO;, 浓度 增加 到 较 24 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 高 的 数值 后 , 反 硝化 速率 稳定 在 较 高 的 水 平 , 不 再 增加 。 由 于 NO, 3 NO, 的 还 原 酶 系 表 观 天 。 值 极 低 ,一般 在 5 ~ 290 umol.L ”之 间 (Luo et al., 1996), 4 +HE NO, 浓度 达到 25 ~ 100 mg: kg 时 , 反 硝化 潜 势 与 土壤 NO; 浓度 无 关 , 即 呈 零 级 反应 (Limmer and Steele,1982 ) 。 当 土壤 NO; 浓度 低 于 40 peN- g … 时, 土壤 反 硝化 反应 呈 一 级 反应 , 此 时 土壤 生物 反 硝 化 速率 完 全 决定 于 NO, 在 土壤 溶液 中 的 扩散 速率 (Knowles,1981) 。 在 自然 条 件 下 , 水 分 含量 、 有 效 碳 、 硝 态 氮 源 等 因素 间 相 互 作 用 , 因 而 硝酸 盐 浓度 与 反 硝 化 损失 之 间 通 常 没有 表现 出 显著 的 相关 关系 (Aulakh et al. ,1984) 。 这 是 由 于 硝酸 盐 浓度 、 有 效 碳 、 通 气 状 况 及 微生物 分 布 的 不 均一 性 造成 的 , 所 以 在 自然 土壤 中 要 解释 反 硝 化 作用 动力 学 是 有 困难 的 , 更 何况 田间 条 件 下 频繁 而 严重 的 干 湿 交 替 等 过 程 使 问题 变 得 更 加 复杂 。 而 实验 室 条 件 下 , 当 反 硝 化 不 受 有 机 碳 供应 和 水 分 含量 限制 时 ,N0O;,-N 浓 度 是 反 硝 化 速率 主要 限制 因素 (Cai,2001)。 当 NO,-N 不 成 为 反 硝 化 的 限制 AA, BBA C 的 供应 就 成 为 限制 反 硝 化 强 弱 的 主要 因素 。CVN 比值 较 大 可 能 会 降低 反 硝 化 的 氮 损 失 (Aulakh et al. , 1991), 3.5 土壤 pH 土壤 pH 对 反 硝 化 的 影响 目前 还 无 一 定论 。 反 硝化 作用 的 最 佳 pH 取决 于 土壤 中 微生物 的 种 类 以 及 NO, 浓度 状况 (Delwiche and Bryan,1976) , 绝 大 多 数 反 硝 化 微生物 生长 的 最 佳 pH 范围 在 6~8 之 间 , 因 此 通常 认为 适宜 反 硝 化 进行 的 土壤 pH 范围 是 6 ~8 之 间 。 反 硝化 速率 随 pH 的 升 高 而 升 高 (Hofstra and Bouwman,2005 ) 。 虽 然 弱 碱 性 环境 有 利于 反 硝 化 过 程 , 但 研究 也 发 现 在 自然 的 酸性 土壤 上 即使 pH 低 至 3.5 时 , 仍 有 明显 的 反 硝 化 损失 (Weier and Gilliam, 1986), | 长 期 的 酸性 土壤 环境 使 一 些 反 硝化 微生物 适应 了 这 种 低 pH 环境 (Parkin et al. ,1985 ) Muller 等 (1980) 发 现在 瑞典 和 芬兰 的 酸性 土壤 上 反 硝 化 速率 与 土壤 pH 之 间 呈 现 正 相 关 关 系 。 关于 酸性 条 件 下 反 硝 化 作用 减弱 的 机 制 问题 至 今 还 不 清楚 。 其 原因 可 能 在 于 : OH BRB 响 了 反 硝 化 细菌 的 活性 ; @ 四 低 pH 引起 养分 的 缺乏 或 中 毒 而 间接 影响 反 硝 化 作用 。 例 如 pH 降低 会 引起 Mo 有 效 性 的 下 降 , 从 而 减弱 硝酸 还 原 酶 的 合成 , 不 过 Bremner 和 Shaw (1958) 在 研究 中 发 现 向 pH 为 3.6 的 土壤 中 加 入 Mo 并 没有 促进 反 硝 化 作用 。Koskinen 和 Keeney (1982) 认为 pH 没有 直接 控制 反 硝 化 作用 , 而 是 通过 控制 反 硝 化 微生物 碳 的 有 效 性 来 间接 影响 反 硝 化 作用 , 他 们 推测 低 pPH 下 , 碳 的 有 效 性 可 能 限制 了 酸性 土壤 中 反 硝 化 微生物 种 群 的 大 小 , 因 而 间接 影响 反 硝 化 作用 。 但 这 种 假设 无 法 支持 Parkin 等 (1985) 在 农田 土壤 上 的 观察 结果 。 另 外 ,Firestone (1982) 推测 降低 pPH, 会 引起 硝酸 盐 还 原 中 间 产 物 NO, 的 累积 以 及 铝 与 锰 的 溶解 而 导致 毒害 效应 。 不 同 土地 利用 方式 对 土壤 pH 有 显著 影响 。 种 植 茶 树 通常 使 土壤 的 pH 显著 降低 , 交 换 性 铝 的 含量 则 将 不 同 程度 升 高 。 但 受 施用 石灰 的 影响 土壤 交换 性 铝 的 含量 将 降低 〈 郭 荣 发 和 杨 杰 文 , 2004 ) 。 种 植 水 稻 将 提高 土壤 的 pPH 和 交换 性 铝 的 含量 。 造 成 这 种 现象 的 原因 有 : 中 对 于 酸性 土 壤 , 渍 水 后 pH 迅速 上 升 ; @) 淹 水 条 件 下 , 有 机 质 分 解 时 产生 的 还 原 性 物质 使 土壤 中 的 铁 、 氮 氧 化 物 等 被 还 原 , 在 此 过 程 中 消耗 了 溶液 中 的 氧 离子, 使 土壤 pH 升 高 ; 图 一 般 情况 下 灌溉 用 水 是 中 性 的 〈 郭 荣 发 和 杨 杰 文 2004). 3.6 土壤 质地 土壤 质地 对 反 硝 化 的 影响 主要 是 通过 土壤 结构 、 孔 隙 大 小 、 团 粒 以 及 导 水 速率 等 物理 因素 的 变化 状况 而 进行 的 。 通 常 质地 较 重 的 黏 壤 反 硝 化 强 于 质地 较 轻 的 砂 壤 , 即 随 着 土壤 质地 变 细 反 确 化 作用 增强 (WD HE < HE < BiHE) (van Cleemput,1998) 。 在 这 些 研究 中 土壤 水 分 含量 与 质地 细 度 直 接 相 关 , 而 土壤 通气 状况 与 质地 细 度 成 负 相 关 关 系 。 排 水 不 良 的 土壤 反 硝 化 氮 素 损失 可 达 施 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 25 人 和 氮 量 的 50% (van Cleemput,1998 ) 。 土壤 质地 和 结构 受 母 质 类 型 的 影响 很 大 , 以 花岗岩 、 第 四 纪 红 土 和 红 砂 岩 三 种 母 质 为 例 , 由 于 脱 硅化 成 士 过 程 的 原因 , 土 壤 黏 粒 含量 第 四 纪 红 土 > 红 砂 岩 > 花岗岩 (Zhao,2002 ) 。 3.7 植物 根系 植物 根系 分 泌 物 和 根系 脱落 物 进 入 土壤 增加 了 碳 源 , 同 时 植物 根系 的 活动 使 根系 周围 土壤 的 通气 状况 、 水 分 条 件 以 及 pH 与 根 外 土壤 不 同 , 因 此 植物 根系 能 提高 反 硝 化 作用 (了 Bakken, 1988), Wheatley 等 (1991) 研究 了 马 铃 鞋 生长 对 土壤 反 硝 化 的 影响 , 发现 反 硝 化 活性 有 两 个 高 峰 , 第 一 个 高 峰 在 新 根 生 长 期 , 第 二 个 高 峰 在 侧根 生长 期 , 并 指出 植物 根系 对 反 硝 化 的 影响 机 制 与 加 入 有 机 碳 有 所 不 同 , 除 作为 能 源 物 质 外 , 前 者 可 能 还 包含 有 根系 分 沁 物 或 其 代谢 产物 对 反 确 化 的 促进 作用 。 而 Firestone 和 Davidson (1989) 认为 在 陆地 生态 系统 中 ,植物 根系 具有 以 下 作 用 : 中 由 于 根系 及 根 际 微 生物 的 呼吸 降低 0, 的 有 效 性 ; @ 四 通过 土壤 水 的 吸收 运 移 促 进 气体 扩散 而 增加 0; 的 有 效 性 ; @@ 通 过 根 分 沁 物 增加 碳 的 有 效 性 ; ORARUK NO, 而 降低 氮 氧 化 物 的 有 效 性 。 因 此 植物 根系 对 反 硝 化 的 影响 情况 复杂 , 应 根据 具体 的 土壤 条 件 进 行 深 和 分析, 有 利于 加 深 对 反 硝 化 作用 机 制 的 认识 。 3.8 耕作 制度 免 耕 土壤 比 常规 耕作 土壤 有 较 多 的 土壤 水 分 和 较 小 的 空隙 度 , 生 物 反 硝化 作用 强 于 耕作 土 壤 。 免 耕 也 比 传统 耕作 导致 更 高 的 土壤 表层 C 累积 , 从 而 增强 反 硝 化 作用 。Staley 等 (1990) 发 现 , 免 耕 条 件 下 , 表 层 土壤 的 反 硝 化 势 是 常规 耕作 的 2 倍 , 但 对 下 层 土壤 反 硝 化 势 的 影响 则 不 大 。Rice 和 Smith (1984) 研究 玉米 地 在 免 耕 和 常规 耕作 条 件 下 的 反 硝 化 速率 , 二 者 之 比 都 大 于 1, 最 高 的 达到 77。 这 主要 是 因为 免 耕 条 件 下 表层 土壤 含水 量 因 有 作物 残 送 覆盖 而 较 高 , 从 而 促 进 了 反 硝 化 。Parkin (1987) 的 研究 也 表明 玉米 地 免 耕 处 理 的 土壤 反 硝 化 活性 显著 高 于 常规 耕 作 处 理 。 一 般 认 为 , 作 物 残 茬 的 覆盖 有 利于 土壤 保持 较 多 的 水 分 , 同 时 覆盖 物 提 供 了 能 源 物 质 , 因此 免 耕 可 以 促进 反 硝 化 损失 。 3.9 微生物 反 硝 化 作用 受 土壤 微生物 的 调控 , 而 微生物 种 群 组 成 和 活性 是 由 土壤 理化 性 质 (如 土壤 水 at. Wash. S549. pH, NO, . NH; 、0;,) 和 土地 利用 与 管理 方式 共同 决定 的 。 土 地 利用 方式 通 过 影响 土壤 理化 性 质 而 在 微生物 的 数量 、 区 系 组 成 和 多 样 性 方面 起 决定 作用 , 进 而 影响 和 调控 反 硝化 过 程 。 不 同 土地 利用 方式 能 显著 影响 微生物 多 样 性 。 碳 素 利 用 (BIOLOGC) 及 磷酸 酯 脂肪 酸 (PLFA) 法 的 研究 结果 表明 , 不 同 利用 方式 具有 不 同 的 微生物 群落 功能 多 样 性 和 结构 多 样 性 。 碳 素 利 用 法 的 研究 结果 显示 , 茶 园 土 中 微生物 对 各 类 碳 源 的 利用 能 力 均 很 低 , 呈 现 出 非常 独特 的 微 生物 功能 多 样 性 〈 姚 槐 应 等 ,2003 ) , 可 能 是 因为 茶树 根系 分 沁 物 对 微生物 有 一 定 的 胁迫 效应 (Pandey and Palnil,1996 ) 。 土地 利用 方式 还 影响 微生物 种 群 结 构 。 利 用 分 子 技术 手段 对 反 硝 化 功能 基因 的 研究 表明 , 反 硝化 微生物 种 群 组 成 在 耕地 与 荡 地 (Stres et al. , 2004), WAH 54H (Rich and Myrold, 2004) , 湿 地 与 林地 (Prieme et al. ,2002 ) , 林 地 和 草地 (Rich et al. ,2003) 之 间 存 在 显著 差 异 。 利 用 分 子 探 针 技术 发 现 根 际 周围 的 反 硝 化 nirS, nirK 和 nosZ 基因 较 土 体 更 为 丰富 (Stepha- nie et al. ,2006) , 证 明 根 际 土壤 中 反 硝 化 菌 更 多 。 不 同 利 用 方式 下 ,土壤 微生物 区 系 组 成 有 较 大 差异 。 水 田 以 细菌 为 主 , 占 总 菌 群 的 76.83% ; 旱地 中 真菌 和 放 线 菌 的 比例 显著 上 升 , 分 别 占 总 菌 群 的 25.68% 和 22. 57% ; 林地 中 真 26 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 菌 的 比例 在 三 种 土壤 类 型 中 最 高 , 达 到 48. 52% 。 同 时 发 现 , 林 地 中 有 丰富 的 高 等 担子 菌 〈 史 央 等 ,2002 ) 。 土地 利用 方式 明显 影响 土壤 微生物 量 , 以 荒地 最 低 , 其 次 为 林地 和 旱地 , 最 高 为 菜 地 和 水 田 ( 史 央 等 ,2002) 。 究 其 原因 是 在 不 同 利 用 方式 下 , 原 本 一 致 的 土壤 属性 发 生 了 改变 , 如 保 肥 持 “ 水 性 等 , 从 而 引起 有 机 质 矿 化 速度 和 养分 含量 发 生变 化 , 最 终 影响 土壤 微生物 量 。 土 壤 微生物 量 与 有 机 质 以 及 有 效 养 分 之 间 存 在 较 好 的 相关 性 , 可 以 作为 土壤 肥力 的 活 指标 , 它 直接 指示 着 有 机 质 矿 化 程度 和 有 效 养 分 的 水 平 。 3.10 土 样 制备 和 存放 过 程 对 反 硝 化 的 影响 除了 土壤 理化 性 质 会 影响 反 硝 化 强度 外 , 土 样 制备 方法 〈 鲜 土 或 风干 土 ) 、 贮 存 时 间 的 长 短 ” 和 贮存 温度 都 会 通过 影响 有 效 态 碳 含量 、 反 硝化 微生物 数量 和 反 硝 化 酶 活性 而 影响 反 硝 化 强度 。 Luo 等 (1996) 研究 发 现 , 新 鲜 土 壤 在 2 区 或 20 TAIRA FO RH DEA 活性 5 天, 之 后 贮存 时 间 越 长 , 反 硝化 活性 降低 得 越 多 。 反 硝化 菌 种 群 组 成 的 改变 ; 反 硝 化 酶 的 活性 随 保存 时 间 延 长 而 降低 ; 易 矿 化 有 效 态 C 的 降低 , 是 造成 新 鲜 土 样 反 硝 化 强度 随 贮 存 时 间 延 长 而 降 低 的 原因 。 贮存 温度 从 20 °C 降 至 2 艺 不 能 防止 新 鲜 土 反 硝 化 强度 的 降低 , 但 可 延缓 风干 土 反 硝化 活性 的 降低 , 但 长 期 保存 也 会 使 反 硝 化 微生物 数量 和 反 硝 化 酶 活性 下 降 (Luo et al. , 1996). (Rim 利于 保持 反 硝 化 细菌 的 数量 , 但 却 显著 抑制 它们 的 反 硝 化 活力 〈 王 连 峰 和 蔡 祖 聪 ,2004) , 低 于 4~5 CA FRAIL IE (Jordan, 1989), {A Limmer 和 Steele (1982) 证 实在 4 % 的 温度 条 . 件 下 仍 能 进行 明显 的 反 硝 化 。 风干 土壤 促进 了 反 硝 化 的 进行 , 主 要 是 由 于 风干 效应 促进 了 土壤 有 机 碳 的 分 解 和 矿 化 , 从 而 : 导致 土壤 有 机 碳 有 效 性 的 提高 (Luo et al. ,1996 ) , 土 样 风干 过 程 中 部 分 微生物 死亡 , 也 是 土壤 有 效 态 有 机 碳 的 来 源 之 一 〈Agarwal et al., ,1971 ) 。 风 干 土壤 重新 淹 水 后 , 可 物理 释放 出 原来 不 能 为 微生物 利用 的 稳定 态 有 机 碳 。 土壤 厌 氧 培养 开始 前 的 好 气 条 件 下 的 贮存 时 间 长 短 影 响 还 原 酶 的 数量 、 合 成 和 产物 比例 , 如 NO, 还 原 酶 和 ON, O 还 原 酶 的 合成 随 好 气 条 件 下 的 贮存 时 间 的 延长 而 下 降 , 好 气 条 件 下 的 贮存 时 间 越 长 ,N:0 还 原 酶 受到 的 抑制 效应 较 其 他 还 原 酶 越 大 , 从 而 导致 NO/ZN; 比 例 上 升 (Dendooven and Anderson, 1995) 。 4. 反 硝 化 作用 的 定量 研究 方法 研究 反 硝 化 作用 的 方法 大 致 分 为 田间 原 位 测定 方法 和 实验 室 培养 测定 方法 两 类 。 根 据 测定 的 是 产物 还 是 反 硝 化 底 物 的 不 同 , 一 般 分 为 直接 气体 产物 测定 法 、 间 接 平衡 差 减 法 和 底 物 消失 速率 测定 法 。 直 接 方 法 是 指 运 用 专用 设备 直接 测定 氮 反 硝化 作用 产物 的 方法 , 而 间接 方法 则 是 根据 土 SHE NO, 的 消失 数量 或 者 施 人 氮肥 的 去 向 与 平衡 研究 来 计算 反 硝 化 损失 的 方法 。 底 物 消失 速率 测定 法 是 监测 土壤 中 NO, 的 消失 速率 来 反应 土壤 反 硝 化 作用 强度 。 根 据 测 定 中 所 用 试剂 的 不 同 , 又 可 将 其 分 为 “N Pr WE AA ZAM ll YE 总 体 而 言 , 反 硝化 作用 研究 中 利用 ”N 技术 的 方法 大 致 可 分 为 5 类: OPN 自然 丰 度 法 (Mariotti et al. , 1982); @Q' N 平衡 差 值 法 (Meyer et al. ,1989 ) ; @” NO, 同 位 素 稀 释 法 (Myrold and Tiedje, 1985); @'N -气体 通 量 法 (Siegel et al. ,1982 ) ; ON, -气体 同位 素 稀释 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 27 方法 。 尽 管 100 mg: kg 会 抑制 N;0 的 产生 。 而 有 的 学 者 认为 其 浓度 范围 在 10 ~30 mg NO, -N- kg ‘EE 以 抑制 上 述 过 程 〈Cho and Mills,1979) 。 通 常 在 施肥 后 农田 土壤 NO; 浓度 可 达到 这 一 标准 。 施 用 氮肥 后 通常 会 有 一 至 数 周 的 N;0 排放 高 峰 ( Astorga et al. ,1996) NO, 对 N,O 的 还 原 抑制 效 应 是 暂时 的 , 在 极端 还 原 的 条 件 下 , 由 于 对 电子 受 体 的 大 量 需 求 ,NO; 对 N,O 的 还 原 抑制 作用 急剧 下 降 直 至 抑制 消失 。 高 浓度 的 NO; 不 仅 抑制 N;0 还 原 酶 的 合成 和 活性 , 而 且 也 能 抑制 NO 还 原 酶 和 NO, 还 原 酶 的 合成 及 活性 (Gaskell et al. ,1981) 。Cho 和 Skdinan (1978) 认为 是 NO, AN,O 之 间 竞 争 电子 造成 的 , 只 有 当 NOS 含量 很 低 时 , 大 气 或 土壤 中 的 N; 0 才能 作为 唯一 电子 受 体 被 还 原 (Rosen- kranz et al. ,2005 ) 。 而 相反 观点 认为 较 高 浓度 的 NO;, (10mM) 或 NO, (0.5 mM) ASM tH 些 反 硝化 菌 种 N;0 还 原 酶 的 活性 。Ellis 等 〈1996) 也 发 现在 NO, 浓度 较 高 的 情况 也 能 发 生 N;0 的 还 原 , 而 且 N;0 还 原 得 比 NO; 更 快 , 这 似乎 意味 着 土壤 剖面 中 积累 的 反 硝 化 过 程 中 早期 生成 的 NO 如 不 及 时 排放 至 大 气 , 迟 早 将 被 还 原 为 N, 。 (6) 土壤 有 机 碳 : 土壤 有 机 碳 既 可 以 促进 反 硝 化 产生 N;0, 也 可 以 促进 N;0 的 还 原 。 一 般 人 en ae eee AN CAM Tb lee : 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 31 来 说 ,N;0 排放 量 是 随 有 机 碳 含 量 , 尤 其 是 有 效 碳 含 量 的 增加 而 增加 的 。 有 机 土 上 N;0 排放 量 要 高 出 矿质 土 一 个 数量 级 或 更 多 (Duxbury ,1984) 。 有 机 质 不 但 提供 了 有 机 碳 , 而 且 也 提供 了 易 稀 化 握 , 因 此 促进 反 硝 化 作用 (Comfort et al. , 1990), N,O 排放 通 量 随 有 机 质 C/N 比 下 降 而 增 大 (Bremner and Blackmer,1981) 。 土 壤 有 机 C 有 效 性 高 也 有 助 于 N;0 的 还 原 , 随 着 土壤 有 机 碳 有 效 性 的 提高 ,N:OZN; 的 比值 降低 (Weier et al. ,1993 ) 。 因 为 丰富 的 有 机 碳 促进 了 土壤 微生物 的 呼吸 , 形 成 微 域 厌 氧 环境 , 有 利于 N;0 还 原 的 进行 (Mathieu et al. ,2006 ) 。 (7) 温度 : 关于 温度 对 N;0 还 原 的 影响 , 研 究 结 果 不 一 。Yamulki 等 (1995) 认为 土壤 温 度 与 N;0 还 原 速 率 呈 正 相 关 , 温 度 在 5 多 以 上 微生物 活动 增强 , 促 进 N;0 的 还 原 , 反 硝化 产物 比率 N,O/N, GZ FR (Goossens et al. ,2001 ) 。 但 Donoso 等 (1993) 发 现 晚 上 N;0 还 原 的 量 较 自 天 多 , 土 壤 温度 和 N;0 净 消 耗 之 间 呈 负 相 关 。 土 壤 温度 的 升 高 有 助 于 提高 微生物 活性 和 气体 扩散 速率 , 但 同时 也 降低 了 溶解 到 水 里 的 N,O 的 量 (Heincke and Kaupenjohann,1999) , 因 此 , 温度 对 N;0 净 消 耗 的 影响 比较 复杂 , 似 乎 也 表明 土壤 温度 的 影响 是 间接 的 。 (8) 培养 或 观测 时 期 的 长 得 : 反 硝 化 厌 氧 培养 时 间 长 短 会 影响 反 硝 化 的 产物 及 产物 的 比例 (Cavigelli and Robertson,2001) 。 在 反 硝 化 过 程 的 起 始 阶段 ,N;XN;0 比率 一 般 较 低 (1 ~5), 随 着 反 硝 化 继续 进行 , 该 比率 才 趋 于 增 大 , 在 极端 厌 氧 条 件 下 , 形 成 的 N: 为 N;0 的 20 4% (Rolston etal., 1978), XHAT N,O 还 原 酶 的 合成 滞后 于 NO;, 还 原 酶 、NO, 还 原 酶 、NO 还 原 酶 的 合 m, MA4 NO, 浓度 越 高 时 , 合 成 滞后 的 时 间 越 长 , 因 此 有 N:0 的 暂时 积累 , 且 N:0 的 排放 先 于 N; 的 排放 ( Holtan - Hartwig et al. , 2000), (9) 反 硝 化 微生物 种 群 组 成 : 过 去 的 研究 多 注重 于 土壤 物理 、 化 学 性 质 和 底 物 供给 对 反 硝 化 作用 和 N,O 排放 的 影响 。 近 来 , 越 来 越 多 的 研究 关注 于 反 硝 化 微生物 种 群 组 成 、 酶 活性 等 生 理 特性 对 反 硝 化 过 程 和 产物 的 影响 。 不 同 土壤 反 硝 化 微生物 种 群 组 成 对 调节 反 硝 化 速率 和 N,O/ZN,;, 至 关 重 要 (Avrahami et al. ,2002; Rich et ol. ,2003 ) 。 反 硝化 过 程 中 之 所 以 不 同 产物 能 同时 存在 , 且 产物 之 间 的 比例 不 同 , 是 由 于 反 硝 化 过 程 由 三 个 可 独立 进行 的 步骤 组 成 , 即 @NO; —NO,; ; QNO, —NO—N,0; AI@N,O—N, (Zumft, 1999), 84° RR IEG HR leK 分 Hil 28.64, 46.88, 29.63 (Verdegem and Baert,1985) 。 但 这 并 不 意味 着 反 硝 化 严格 按照 这 样 的 顺序 进行 , 而 是 根据 不 同 反 硝化 酶 动力 学 性 质 交 蔡 进 行 (Firestone,1982 ) 。 多 数 反 硝化 细菌 RABI NO, 至 N; 所 必需 的 全 部 还 原 酶 系统 , 但 有 些 则 缺乏 NO, 还 原 酶 , 只 能 以 NO, 为 电子 受 体 ;, 而 另 一 些 则 又 缺乏 N;0 BRM, NO 是 其 还 原 的 末端 产物 ; 还 有 一 些 虽 具有 NO BRM, 但 不 能 以 NO, 或 NO, 为 电子 受 体 产生 N;0 (Zumft,1999) 。 即 使 在 具有 全 套 还 原 酶 系统 的 微 生 物 个 体 中 , 某 些 酶 的 合成 和 活性 也 会 受到 一 些 因素 的 抑制 而 不 能 发 挥 其 还 原作 用 , 如 某 些 反 硝 化 菌 种 N;0 还 原 酶 较 其 他 还 原 酶 对 0, 更 为 敏感 ( Cavigelli and Robertson,2001 ) 。 从 我 国 太 湖 地 区 各 主要 类 型 土壤 和 江西 红壤 区 土壤 中 分 离 的 反 硝 化 细菌 的 酶 活性 研究 结果 来 看 , 具 有 还 原 NO, 成 NO, 酶 活性 的 细菌 分 别 占 细菌 总 数 的 50% ~80% 和 15% ~77% ; BAIR NO, AN,O 酶 活性 的 分 别 占 供 试 菌株 的 67% 和 60% ; 具有 N,O 还 原 酶 活性 的 分 别 占 供 试 菌株 的 56% 和 58% 〈 李 振 高 等 ,1989) , 而 据 国 外 报道 , 反 硝化 菌 中 具有 N,O 还 原 酶 活性 的 占 到 72% (Ok- ereke,1993 ) 。 除 反 硝 化 微生物 种 群 组 成 外 , 反 硝化 菌 数量 占 微生物 数量 的 比例 和 还 原 酶 动力 学 、 生 物 学 特性 也 是 影响 不 同 生态 系统 (如 林地 和 草地 ) 之 间 反 硝化 差异 的 主要 因素 (Den- dooven et al. , 1994) 。 田间 自然 条 件 下 , 由 于 受到 其 他 N:0 还 原 过 程 (TRA) 及 其 他 因 素 的 影响 〈 与 土壤 矿物 的 化 学 反应 等 ) , 这 些 促 进 N;0 还 原 的 条 件 并 不 是 一 成 不 变 的 , 并 且 不 同 32 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 影响 因素 间 交 互 作用 , 使 问题 变 得 更 为 复杂 。 5.2.3 减少 农田 土壤 氮 素 反 硝 化 损失 和 N:0 排放 量 的 措施 (1) 运用 测 土 平衡 施肥 技术 , 根 据 目 标 产量 确定 氮肥 施用 量 , 减 少 过 剩 氮肥 量 ; (2) 氮肥 深 施 , 降 低 N,O/N, He Bil ; (3) 合理 确定 施用 氮肥 时 间 , 以 能 满足 作物 需要 同时 尽 可 能 减少 土壤 残留 氮 为 目的 ; (4) 改善 氮肥 施用 措施 , 采 取 分 次 施用 氮肥 或 者 施用 长 效 缓 释 氮肥 , 但 其 降低 效果 不 一 ( 曹 美 秋 等 ,1999; 颜 晓 元 等 ,1999 ) ; (5) 利用 硝化 抑制 剂 , 如 用 电气 石 包 衣 的 乙 烽 〈Keerthisinghe et al. , 1993) ; (6) 提倡 农田 作物 的 周年 持续 覆盖 , 减 少 裸 地 时 间 , 这 样 可 以 减少 氮 的 淋 洗 和 反 硝 化 作用 并 促进 养分 循环 。 5.3 反 硝 化 作用 影响 温室 气体 CH, 的 排放 CH., 也 是 一 种 重要 的 温室 气体 ,100 年 时 间 尺 度 上 CH, A) CWP (ERIE IES) Fe CO, BY 23 倍 , 且 以 每 年 0.5% 的 速率 增长 〈(IPCC,2001) 。CH. 的 产生 通常 有 两 个 途径 : 以 HZCO: 无 机 物 为 底 物 的 还 原 过 程 和 以 乙酸 等 有 机 物 为 底 物 的 还 原 过 程 。CH. 的 排放 是 CH 产生 和 CH 氧化 的 净 效应 。 易 矿 化 分 解 有 机 碳 的 有 效 性 是 决定 甲烷 产生 的 主要 因素 。 5.3.1 贸 态 氮肥 对 CH, 氧化 的 影响 氮 素 转化 过 程 与 甲烷 的 产生 和 氧化 密切 相关 , 如 甲烷 氧化 菌 能 够 参与 硝化 和 固氮 作用 。 甲 烷 氧化 菌 能 够 在 铵 氧化 〈 硝 化 ) 过 程 中 产生 NO 和 N:0, 但 不 能 进行 反 硝 化 〈Bedard and Knowles, 1989) 。 铵 态 氮 肥 可 抑制 甲烷 氧化 〈Kravchenko et al. , 2002), NH, 对 CH 氧化 的 抑制 机 制 复杂 ,, 主要 机 制 有 3 种 : (1) 竞争 机 制 ,NH: 对 甲烷 氧化 的 抑制 是 由 于 CH 和 NEL 在 分 子 形状 和 大 小 上 的 相似 性 , 以 及 催化 CH 和 NH,” 氧化 反应 的 单 加 氧 酶 相对 较 低 的 选择 性 , 使 得 硝化 作用 底 物 NH: 对 甲烷 单 加 氧 酶 的 竞争 优势 大 于 甲烷 氧化 底 物 CH, 对 甲烷 单 加 氧 酶 的 竞争 , 从 而 甲烷 氧化 受到 抑制 (Cas- tro et al. ,1994) 。CH, 氧 化 菌 和 铵 氧化 菌 都 可 以 氧化 CH, 1 NH, , 所 以 CH 和 NH; 之 间 的 竞争 tz NH, 对 CH 氧化 抑制 作用 的 主要 机 制 (Schimel et al. ,1993 ) 。 (2) 亚 硝 酸 毒害 作用 : 有 研究 发 现 , 加 入 NH,; -N 后 由 于 硝化 作用 产生 NH,OH 或 NO;,- N, 对 CH, 氧化 菌 氧化 CH, 有 毒害 作用 (Kravchenko et al. ,2002 ) 。 (3) 溶质 效应 : 一 些 培养 试验 结果 表明 ,KC1、NaCl、KNO; 和 NaNO; 对 土壤 氧化 CH, 也 有 一 定 的 抑制 作用 (Yan and Cai,1997 ) 。 土 壤 溶液 中 离子 浓度 的 增加 , 增 加 了 CH., 氧 化 微生物 细胞 — 的 渗透 势 , 抑 制 土壤 对 CH 的 氧化 (Neisbit and Breitenbeck,1992) 。 因 此 施用 氮肥 对 土壤 溶液 溶质 浓度 的 改变 可 能 也 是 导致 土壤 CH 氧化 能 力 降 低 的 抑制 机 制 之 一 。 NH, 是 甲烷 氧化 的 重要 的 抑制 剂 , 但 某 些 情况 下 , 加 入 NHS 后 , 其 对 CH, 氧 化 的 抑制 效应 并 不 立即 表现 出 来 (Hiitsch et al. ,1994 ) , 甚 至 促进 甲烷 的 氧化 〈( 如 匀 态 氮肥 的 施 和 促进 了 水 稻 根 际 土壤 甲烷 的 氧化 ) , 其 原因 为 硝化 菌 的 氨 单 加 氧 酶 和 甲烷 氧化 菌 的 甲烷 单 加 氧 酶 结构 相 似 , 硝 化 菌 也 能 氧化 CH,, 尽 管 这 一 反应 速率 很 低 。 此 外 , 氮 素 也 是 甲烷 氧化 酶 合成 和 甲烷 氧化 菌 活性 发 挥 的 前 提 物 质 , 是 土壤 或 沉积 物 中 甲烷 氧化 菌 生长 限制 因子 之 一 , 对 甲烷 氧化 过 程 起 重 要 调节 作用 , 因 此 氮肥 的 施 人 也 能 激发 甲烷 氧化 菌 的 生长 和 活性 (Bodelier and Laanbroek, 2004 ) 。 综合 以 上 可 以 看 出 ,CH. 的 氧化 和 N,O 的 排放 通过 氮 素 转化 过 程 而 密切 相 联 。 加 入 NH, Ja, 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 33 CH 的 氧化 量 和 N;0 的 排放 量 之 间 既 存在 正 相 关 , 原 因 是 〈 能 进行 好 氧 反 硝化 的 ) AE 微 厌 氧 条 件 下 对 CH 的 直接 氧化 ; 也 存在 负 相 关 , 即 NH, 有 效 性 高 , 则 N,O 排放 量 大 , 对 CH, 氧化 的 抑制 效果 更 强 , 原 因 是 匀 氧 化 菌 对 CH 氧化 菌 的 竞争 抑制 〈《Kravchenko et al. , 2002) 。 5.3.2 反 硝 化 作用 和 CH, 产生 的 关系 CH 的 产生 、 氧 化 和 反 硝 化 过 程 密切 相关 。 反 硝化 作用 和 甲烷 的 产生 同样 都 在 厌 氧 条 件 下 进 行 , 都 需要 有 机 质 提供 微生物 呼吸 底 物 、 能 量 物质 和 电子 供 体 分 别 用 于 还 原 NO, 和 C0, , 理 论 ENO, 的 还 原 优先 于 C0; 的 还 原 , 两 者 还 原 的 气体 产物 (NO 和 CH,) 都 是 重要 的 温室 气体 , 因此 反 硝 化 过 程 和 甲烷 生成 关系 密切 , 研 究 两 者 之 间 的 关系 对 于 综合 评价 环境 效应 , 制 定 减 排 措 施 具 有 重要 意义 。 研究 表明 , 反 硝化 过 程 对 甲烷 的 产生 有 抑制 作用 , 其 机 理 可 能 有 : (1) 加 入 的 NO, 同时 也 是 一 种 氧化 剂 , 通 过 提高 土壤 氧化 还 原 电位 EB, 减少 甲烷 的 产生 (Roy and Conrad, 1999), , 同 时 也 促进 甲烷 的 氧化 从 而 降低 甲烷 排放 (Roy and Conrad, 1999), 这 种 抑制 效果 是 短期 的 , 加 入 300 mg ' kg ” NO; -N 使 土壤 及 提高 了 220 mV, 几 乎 完全 抑制 甲 烷 的 产生 , 但 是 过 后 不 久 , 加 入 的 NO, 经 反 硝 化 而 减少 , 甲 烷 产 生 逐 渐 增 加 (Wang et al. , 1992 ) 。 但 也 有 人 认为 NO; 对 CH, 的 抑制 效应 主要 不 是 由 于 及 的 上 升 而 导致 的 〈Kliiber and Con- rad, 1998), (2) RE AEF NO, 和 (或 ) 其 反 硝 化 产物 NO, . NO, N,O 对 产 甲 烷 微 生物 种 群 或 其 他 微生物 的 毒害 作用 和 对 甲烷 产生 的 竞争 抑制 作用 , 其 中 NO, 和 NO 的 毒害 作用 甚至 大 于 竞争 作用 (Lovley and Phillips,1987) 。 根 据 这 些 氮 氧 化 物 浓度 和 产 甲 烷 菌 的 不 同 这 种 抑制 效应 是 可 逆 或 不 可 逆 的 〈Kliiber and Conrad, 1998), (3) 根据 热力 学 原理 , 氧 化 还 原 电 位 高 的 电子 受 体 首先 被 还 原 , 因 此 厌 氧 土壤 中 离子 通常 F&F Fil Mi FE RB: NO; 一 Fe 一 S0; —CO, (Chidthaisong and Conrad ,2000 ) 。 因 此 ,NO; 的 施 入 造成 反 硝化 细菌 对 乙酸 和 了 的 竞争 大 于 产 甲 烷 菌 , 从 而 抑制 甲烷 的 产生 〈Chidthaisong and Conrad, ,2000 ) 。 (4) NO, 不 仅 抑制 水 稻 土 中 CH 的 产生 , 而 且 影 响 产 甲烷 前 提 物 质 (H,, CR) 和 氧化剂 Fe . SO; 的 周转 (Kliiber and Conrad, 1998), NO, 的 优先 还 原 使 得 硫酸 盐 和 Fe 暂时 积累 , 造成 硫酸 盐 还 原 菌 、Fe “还 原 菌 与 产 甲烷 菌 竞 争 H, , 从 而 抑制 甲烷 的 产生 (Lovley,1991) 。 铁 还 原 细菌 利用 CH. 产 生前 提 物 质 (H,, 乙 酸 ) KEMAH Phe SOD 还原 菌 (Lovley and Phillips,1987) 。 只 有 在 乙酸 和 了 浓度 不 成 为 限制 因素 时 ,Fe “的 还 原 和 甲烷 产生 同 时 进行 (van Bodegom and Stams,1999 ) 。 总 之 , 理 论 上 在 NO; 、Fe“”、S04 没有 被 还 原 完 之 前 是 不 会 有 甲烷 的 产生 。 然 而 , 自 然 状 况 下 情况 却 复杂 得 多 (Chidthaisong and Conrad, 2000) 。 5.3.3 反 硝 化 过 程 和 CH, 氧化 的 关系 大 量 试验 结果 证 明 , 硝 态 氮 肥 可 促进 甲烷 的 氧化 。 表 现在 反 硝 化 过 程 和 CH 氧化 密切 偶 联 , 反 硝 化 菌 和 甲烷 氧化 菌 密切 结合 , 反 硝化 菌 利用 甲烷 氧化 过 程 中 产生 的 简单 有 机 碳化 合 物 〈 如 甲醇 、 甲 醛 、 甲 酸 ) 作为 生活 底 物 和 用 于 反 硝 化 反应 (Knowles,2005) 。 此 外 , 甲 烷 氧化 过 程 中 消耗 0, , 造 成 有 利于 反 硝 化 进行 的 微 区 厌 氧 环境 (Knowles, 2005) 。 甲烷 在 两 种 环境 条 件 下 可 作为 反 硝 化 的 唯一 电子 供 体 , 即 厌 氧 条 件 下 (Aslas-Lima et al. , 2004) 和 微 厌 氧 条 件 下 (Eisentraeger et al. ,2001) , 可 能 存在 反 硝 化 过 程 和 CH, 氧化 过 程 的 偶 联 34 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 反应 , 方 程 如 下 : 5CH, +8NO, 一 一 5CO, +4N, +80H - +6H,O (AG° = -960 kJ - mol ) (3) 但 这 一 反应 可 能 只 是 在 深海 海底 沉积 物 中 更 有 意义 。 因此 , 加 入 的 硝 态 氮肥 既 可 以 抑制 甲烷 的 产生 , 也 可 以 促进 甲烷 的 氧化 , 从 而 减少 甲烷 排 放 。 但 也 有 报道 硝 态 氮肥 的 施 人 会 抑制 旱地 或 湿地 土壤 甲烷 的 氧化 , 从 而 促进 甲烷 的 排放 。 5.4 反 硝 化 作用 影响 铁 元 素 循环 铁 是 地 壳 中 第 四 大 元 素 , 也 是 氧化 还 原 反 应 最 活 牙 的 元 素 之 一 (Hauck et al., ,2001 ) 。 土 壤 铁 氢 氧化 物 及 其 铁 矿物 是 土壤 表面 元 素 地 球 化 学 循环 最 为 活跃 的 部 分 , 通 过 不 同 价 态 铁 之 间 的 转 化 与 氮 素 转化 过 程 密切 联系 , 即 氮 素 转化 尤其 是 反 硝 化 过 程 可 以 影响 铁 元 素 循 环 。 5.4.1 无 机 所 的 转化 与 铁 元 素 循环 早 在 1966 年 Chao 和 Kroontje 等 研究 表明 ,Fe 的 氧化 和 还 原作 用 造成 无 机 氮 转 化 的 复杂 情 况 。 在 酸性 溶液 中 ,NO;, 可 被 Fe “还原 为 N, 中 间 产 物 有 NO;, ,NO 和 NO0, 这 些 顺序 产物 与 生物 反 硝 化 过 程 出 现 的 相似 。 之 后 Sahrawat (1980) 在 含有 硫酸 盐 的 酸性 稻田 土壤 中 发 现 Fe 可 能 参与 了 NO, 的 化 学 反 硝 化 。Yamane 和 Okazaki (1982) 在 培养 实验 中 发 现 济 水 土壤 中 加 入 NO0;, 后 可 溶性 Fe 的 降低 。Komatsu 等 (1978) 也 发 现 不 同 价 态 的 铁 离子 之 间 的 转化 可 能 参与 ST KA EAR RR oat. Savant 和 McClellan (1987) 总 结 前 人 的 研究 工作 , 提 出 了 铁 氧化 物 参 与 淹 水 土壤 中 反 硝 化 作用 的 可 能 性 。 铁 不 仅 能 和 NO, 发 生 反 硝化 反应 , 还 有 可 能 参与 了 硝酸 异化 还 原 为 铵 (DNRA) 的 过 程 。 有 研究 发 现金 属 铁 在 含有 黄 铁 矿 的 中 性 缓冲 溶液 中 主要 将 NO, 蜡 化 还 原 为 NH (Liou et al. , 2005 ) 。 根 据 热力 学 原理 , 还 原 性 土壤 中 Fe WBS NO, BRA NA; 的 化 学 反应 , 化 学 反应 方 程 为 : NO, +8Fe +21H,0 ——+NH, +8Fe(OH);+14H (4) RUE TAL NO, RAR Hb, th AE Al NH, 发 生 反应 。Chao 和 Kroontje (1966) M4 RRS (1988) 分 别 初 步 证 明 好 氧 或 厌 氧 条 件 下 无 定形 氧化 铁 与 NH: 反应 导致 形成 气态 氮 氧 化 物 , 造 成 氮 素 损失 。 无 定形 氧化 铁 与 NH* 可 能 存在 下 面 的 反应 : NH, +8Fe( OH), +14H*——-NO, +8Fe +21H,0O (5) 水 稻 土 中 存在 大 量 无 定形 金属 氧化 物 , 无 定形 铁 锰 氧化 物 在 厌 氧 下 可 作为 NH: 氧化 的 电子 受 体 , 并 进而 导致 氮 素 的 气态 损失 , 这 可 能 是 稻田 氮 素 损失 的 又 一 机 制 ( 李 良 漠 等 ,1988) , 且 被 认为 是 纯化 学 作用 的 结果 。 但 是 关于 此 一 机 制 的 详细 反应 过 程 , 特 别 是 关于 所 形成 的 NO, 在 无 菌 条 件 下 又 如 何 进 行 反 硝 化 的 机 制 仍 不 清楚 , 有 待 进一步 研究 。 5.4.2 反 硝 化 作用 与 铁 元 素 循环 目前 关于 厌 氧 条件 下 亚 铁 作为 电子 供 体 参 与 反 硝 化 还 原 NO, 这 一 反应 的 认识 取得 了 许多 重 要 进展 , 研 究 表明 这 一 过 程 即 可 以 是 纯化 学 过 程 , 也 可 以 是 微生物 介 导 的 生物 过 程 , 抑 或 是 两 者 兼 有 。 但 似乎 主要 以 微生物 参与 的 反应 过 程 为 主 (Nielsen JL and Nielsen PH, 1998). (1) NO, 和 Fe 之 间 的 化 学 反 硝 化 : 大 量 证 据 表 明 , 厌 氧 条件 下 Fe 和 NO, Bk NO, 发 生化 学 反 硝 化 产生 Fe “和 NO , 对 微生物 造成 毒害 (Philips et al. , 2003), Fe PRO MNO, 发 生 反应 外 , 也 能 和 N,O 在 酸性 条 件 下 (PH <5.5) 发 生 反 应 , 导 致 气态 氮 氧 化 物 (NO, N,) 的 产生 (van Cleemput, 1998) 。 金属 铁 、Fe (OH),、 黄 铁 矿 也 能 作为 电子 供 体 或 非 生物 还 原 剂 , 促 进 NO, 的 化 学 反 硝 化 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 35 (Liou et al. ,2005) , 黄 铁 矿 、Fe “和 N0;, 的 氧化 还 原 反 应 可 用 下 列 反应 方程 表示 : 5FeS, +14NO- +4H*——>7N, +10S02- +5Fe?* +2H,O (Kille et al. ,1985) (6) NO, +5Fe’* +6H*—+1/2N, +5Fe’* +3H,O (Pauwels et al. , 1998) (7) (2) NO, 和 Fe 之 间 的 生物 反 硝 化 : VRSRAREE NO, 反 硝化 的 反应 过 程 主 要 是 由 微 生物 参与 的 , 即 在 中 性 pH 厌 氧 环境 下 微生物 利用 NO, 或 NO, 作 为 电子 受 体 氧 化 Fe “成 Fe "。 能 够 进行 这 一 反应 的 微生物 广泛 分 布 于 各 种 反 硝 化 菌 种 中 (Nielsen J L and Nielsen P H, 1998), 是 反 硝 化 微生物 中 的 重要 组 成 成 员 , 约 占 总 反 硝 化 菌 的 58% (Hauck et al. ,2001) 。 自 然 界 中 这 些微 生物 已 经 从 淡水 江河 湖 沉 积 物 中 被 监测 、 富 集 和 鉴定 出 了 (Straub and Buchholz-Cleven, 1998; Kumaraswamy et al. ,2006 ) 。 能 够 进行 厌 氧 亚 铁 氧化 的 反 硝 化 菌 主 要 分 为 两 类 : 光 能 营养 型 细菌 (Heising et al. , 1999; Hauck et al. ,2001) 和 化 能 营养 型 反 硝 化 微生物 (Straub et al. , 1996; Benzetal., ,1998 ) 。 在 参与 上 述 反应 的 化 能 营养 型 反 硝 化 微生物 中 , 主 要 以 兼 性 异 养 的 微 生物 为 主 , 自 养 型 微生物 数量 比 兼 性 异 养 的 微生物 低 一 个 数量 级 , 仅 占 其 中 的 2% ~ 10% (Hauck et al. ,2001 ) 。 微生物 介 导 的 亚 铁 与 NO, 的 反 硝 化 反应 使 得 在 厌 氧 的 自然 生态 环境 条 件 下 也 能 完成 铁 的 循 环 , 同 时 造成 氮 素 损失 , 因 此 , 自 然 环 境 下 其 生态 功能 和 意义 还 值得 深入 研究 。 (3) Fe 参与 反 硝 化 的 机 理 : 有 关 Fe 如 何 参 与 反 硝 化 的 过 程 , 已 有 许多 研究 结果 , 该 过 程 既 可 能 是 微生物 参与 的 , 也 可 能 是 纯化 学 过 程 。Komatsu 等 (1978) 认为 NO, 首 先 由 微生物 还 原 为 NO, , 再 将 NO, 还 原 为 NO, 同 时 氧化 Fe “, 这 一 步 反 应 主要 是 化 学 过 程 。Fe 的 来 源 主要 ”有 两 种 途径 , 一 条 途径 是 由 生物 还 原 Fe“ 得 到 , 因 为 在 加 入 NO, 的 土壤 中 ,Fe 的 化 学 还 原 受 到 抑制 。Fe “的 生物 还 原 是 通过 微生物 以 一 种 类 似 于 硝酸 盐 呼吸 的 机 理 利 用 Fe “作为 呼吸 底 物 将 其 还 原 为 Fe“ 。 另 外 一 条 途径 是 , 厌 氧 条件 下 微生物 能 够 利用 H; 作 为 电子 供 体 来 还 原 Fe“ 产 生 Fe’* (Dassonville et al. , 2004), 除了 铁人 参与 氮 素 转化 和 反 硝 化 过 程 外 , 其 他 金属 如 Mn, Cu 也 可 能 促进 了 反 硝 化 ( Labbé et al. ,2003 ) 。 上 述 研究 结果 表明 铁 的 氧化 还 原 过 程 很 可 能 是 土壤 中 氮 氧 化 物 氧化 还 原 反应 的 重要 调节 因子 。 6. 土壤 氮 素 反 硝 化 研究 中 的 科学 问题 和 研究 展望 世界 土壤 的 51% 位 于 热带 和 亚热带 (Mosier et al. ,2004) , 然 而 关于 反 硝 化 的 研究 绝 大 部 分 工作 都 局 限于 欧 、 美 等 温带 地 区 工业 化 国家 , 热 带 、 亚 热带 地 区 的 研究 仅 占 很 少 部 分 , 其 中 全 世 界 亚热带 地 区 反 硝 化 研究 占 不 到 20% (Hofstra and Bouwman, 2005) , , 而 针对 我 国 夏季 湿润 型 亚 热带 地 区 土壤 反 硝 化 的 系统 研究 尚 属 空白 。 我 国 亚 热带 土壤 面积 有 113 km’, B11. 8% 的 国 士 面积 , 其 人 口 约 占 全 国 的 22.5% ( 赵 其 国 等 ,2000) , 其 中 湿润 亚热带 耕地 面积 有 45 万 km’, 大 约 占 全 世界 亚热带 耕地 面积 的 4% 和 我 国 耕 地 面积 的 37% ; 亚热带 地 区 粮食 产量 、 经 济 作物 和 肉 类 产品 分 别 占 全国 总 产 的 44.5% , 93% 和 54.8% , 因 此 该 地 区 在 我 国 农业 生产 上 占有 重要 地 位 (Xu et al. ,2003 ) 。 亚 热带 地 区 得 天 独 厚 的 气候 、 环 境 和 自然 资源 孕育 了 多 种 成 土 母 质 , 也 发 展 了 多 种 多 样 的 土地 利用 方式 以 满足 对 粮食 、 经 济 作 物 和 工业 原料 的 不 断 需 求 , 这 些 既 是 农业 生产 的 宝贵 资源 , 也 为 我 们 研究 土壤 氮 素 反 硝 化 作用 提供 了 丰富 的 研究 材料 。 亚热带 土壤 为 可 变 电 荷 土壤 类 型 , 在 我 国 南方 亚热带 高 温 多 两 的 气候 条 件 下 , 土 壤 具 有 高 度 36 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 风化 , 脱 硅 富 铝 化 程度 高 , 继 承 性 肥力 较 低 , 氧 化 铁 、 铝 含量 丰富 (Qafoku et ac/. ,2004) , 土 壤 酸性 强 , 氧 化 势 高 (Bennema et al., 1970), +R” RSTRAMKARK. FORA (KH 国 等 ,1988) 等 特点 。 在 这 样 的 气候 环境 和 土壤 背景 条 件 下 , 加 之 人 为 土地 利用 和 耕作 管理 措 施 , 土 壤 氮 素 反 硝 化 作用 具有 怎样 的 特点 、 影 响 因 素 和 作用 机 理 , 其 所 具有 的 生态 环境 意义 如 何 尚 不 十 分 清楚 。 为 此 , 深 入 开展 亚热带 土壤 反 硝 化 作用 研究 具有 重要 的 理论 和 实际 意义 。 今后 对 以 反 硝 化 作用 为 核心 的 厌 氧 条 件 下 氮 素 转化 研究 可 从 以 下 几 个 方面 进一步 深入 开展 : (1) 利用 亚热带 地 区 丰富 多 样 的 成 士 母 质 和 多 种 利用 方式 等 农业 资源 所 提供 的 丰富 研究 材 料 , 通 过 大 样本 调查 采样 , 系 统 研 究 亚热带 土壤 反 硝 化 特性 , 明 确 主 要 影响 因素 以 及 不 同 母 质 和 利用 方式 对 反 硝 化 作用 的 影响 及 其 作用 机 理 。 (2) 进一步 开展 田间 原 位 观测 , 综合 考虑 气候 、 植 物 生长 、 耕 作 方 式 等 因素 , 深 入 认识 亚 热带 土壤 反 硝 化 特性 , 丰 富 氮 素 循环 知识 。 (3) 从 反 硝 化 过 程 中 NO 产生 和 还 原 的 角度 出 发 , 定 量化 研究 N:0 的 产生 和 还 原 的 相对 速 率 , 为 研究 反 硝 化 产物 中 N;OZN; 的 比例 、N;0 排放 速率 及 其 影响 因素 提供 新 的 可 供 借 鉴 的 研究 方法 和 参考 依据 。 ‘a (4) 定量 化 研究 反 硝 化 过 程 与 CH, 和 CO0,; 排 放 之 间 的 关系 , 为 评价 三 种 温室 气体 一 一 N;0、 CH, Al C0; 的 综合 温室 效应 提供 理论 依据 。 (5S) 进一步 明确 反 硝 化 产物 中 各 种 气态 氮 氧 化 物 的 比例 和 数量 , 明 确 影响 反 硝 化 产物 组 成 的 因素 和 机 理 , 为 制定 降低 有 害 气 态 氮 氧化 物 排 放 和 (或 ) 促进 反 硝 化 向 终 产物 N;: 进 行 的 措施 提供 理论 依据 。 (6) 进一步 明确 生物 反 硝 化 和 化 学 反 硝 化 在 亚热带 土壤 中 的 相对 贡献 ; 明确 Fe BSR 作用 的 生物 学 机 理 和 (或 ) 纯化 学 机 理 。 (7) 土壤 通过 反 硝 化 作用 可 作为 N;0 的 汇 , 但 土壤 作为 N:0 净 汇 的 潜力 有 多 大 还 不 得 而 知 。 开 展 不 同 土壤 以 及 不 同 生 态 系统 作为 N;0 净 汇 能 力 的 研究 , 有 助 于 我 们 正确 估算 排放 通 量 、 开发 和 制定 自然 减 排 措施 。 (8) 厌 氧 环境 条 件 是 一 种 特殊 的 生境 状态 , 该 状态 下 的 氮 素 生物 地 球 化 学 循环 必然 有 别 于 好 氧 条 件 下 的 情况 。 研 究 厌 氧 条 件 下 , 可 发 生 的 氮 素 转化 过 程 , 及 其 与 反 硝 化 过 程 的 关系 也 将 是 十 分 有 趣 的 研究 内 容 。 如 : 除 反 硝化 作用 外 , 厌 氧 铵 氧化 (Anammox ) 、 硝 酸 异 化 还 原 为 猎 (CDNRA) 、 厌 氧 条 件 下 的 非 共 生 固 所 作用 等 过 程 之 间 关 系 错 综 复 杂 , 其 中 Anammox 和 DNRA 也 是 可 能 的 产 N;0 过 程 (Ma and Aelion ,2005 ) 。 深 入 开展 这 些 氮 素 转化 途径 在 厌 氧 条 件 下 的 独立 和 (或 ) 协同 过 程 研究 , 将 为 丰富 氮 素 循环 理论 , 深 化 氮 素 基础 研究 , 综 合 评价 厌 氧 条 件 下 氮 素 循 环 的 环境 效应 , 以 及 氮 素 资源 的 有 效 开 发 和 合理 利用 提供 理论 依据 和 技术 支持 。 同 时 , 其 中 某 些 作 为 反 硝 化 的 竞争 过 程 , 如 微生物 产 铵 过 程 , 即 DNRA、 微 生物 同化 、NO, 激 发 的 氮 矿 化 (Ma and Marjorie Aelion, 2005) 等 过 程 , 使 得 氮 素 以 NH, 的 形态 保存 下 来 , 对 减少 NOS AR 化 途径 导致 NO 和 N: 的 气态 损失 , 降 低 NO;, 淋 失 、 径 流 对 地 下 水 和 地 表 水 的 污染 风险 和 富 营 养 化 危害 具有 重要 生态 环境 意义 。 参考 文献 RR, PEI, ERE, GS. 潮 土 - 玉米 系统 中 氮肥 的 氨 挥 发 和 硝化 反 硝 化 损失 [G] // 李 振 生 , 主 编 . 挖掘 生物 高 效 利 用 土壤 养分 潜力 保持 土壤 环境 良性 循环 论文 集 (1997 一 1998). 1999; 375-379. 土壤 反 硝 化 作用 及 其 环境 效应 研究 进展 37 曹 美 秋 , 宋 文 质 , 庄 亚 辉 . 木 素 包 衣 化 肥 对 冬 麦 土壤 释放 N;0 影响 的 初探 [G] // 李 振 生 , 主 编 . 挖掘 生物 高 效 利用 土壤 养分 潜力 保持 土壤 环境 良性 循环 论文 集 (1997 一 1998 ). 1999; 301-304. 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New York; Springer, 1999. 群落 及 生态 系统 生态 学 Population Ecology,Community and Ecosystem Ecology Mra @: La ZMAG OF, ‘ fae ‘ U P one F ‘~~ e . wee Acotemic Pull! wha )y>? 7uMy? 9 ) 一 -一 -了 大 .as — 办 ry ‘ 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 49 ~58 新 疆 高 盐 环 境 可 培养 嗜 盐 放 线 梢 多样 性 研 完 Ref BRL 徐 丽华 李 文 均 “ (云南 大 学 云南 省 微生物 研究 所 教育 部 微生物 多 样 性 可 持续 利用 重点 实验 室 , 昆 明 650091) A Study on Biodiversity of Halophilic Actinobacteria in Hypersaline Environments Zhi Xiao-yang Tang Shu-kun Xu Li-hua Li Wen-jun * (Key Laboratory for Microbial Resources of Ministry of Education, Yunnan Institute of Microbiology , Yunnan University, Kunming 650091, China) fi 要 放 线 菌 是 一 类 高 C+C 含量 的 革 兰 氏 阳 性 细菌 , 目 前 是 细菌 域 中 的 一 个 门 , 因 产生 多 种 多 样 的 生物 活性 物质 而 备 受 人 们 关注 。 放 线 菌 在 土壤 环境 中 分 布 较 广 , 相 关 的 生态 学 、 系 统 分 类 和 代谢 产物 活性 研究 也 较 多 。 但 是 , 在 高 盐 极 端 环 境 中 放 线 菌 的 相关 研究 则 较 少 。 由 于 较 强 的 环境 选择 压力 , 高 盐 环境 中 的 放 线 菌 群落 组 成 可 能 和 普通 环境 不 同 , 对 于 发 现 新 的 放 线 菌 资 源 、 新 的 活性 产物 将 是 一 个 新 的 契机 。 新 疆 是 我 国 的 盐湖 主要 分 布 区 之 一 , 也 是 高 盐 环 境 微生物 资源 研究 的 热点 。 通 过 对 新 疆 盐 湖 环境 放 线 菌 分 离 方法 的 深入 研究 , 我 们 得 到 了 大 量 的 嗜 盐 及 耐 盐 的 放 线 菌 资源 , 其 中 包括 大 批 的 放 线 菌 新 物种 。 这 些 资 源 为 了 解 新 疆 高 盐 环 境 可 培养 放 线 菌 的 多 样 性 , 提 供 了 最 直接 的 依据 。 同 时 , 也 为 开展 嗜 盐 放 线 菌 的 生理 学 、 微 生物 生物 地 理学 等 其 他 .研究 积累 了 良好 的 素材 。 关键 词 ”高 盐 环境 ; HMA; 分 离 ; 多 样 性 ; OPES; 系统 学 Abstract Actinobacteria is a group of Gram-positive bacteria with high G + C content, and constitutes a phylum in domain Bacteria. Actinobacteria was paid more attention by scientists because of its various bio- active substances. In the soil environment, Actinobacteria has widely distribution, and so many investiga- tors had been engaged in its ecology, systematic taxonomy and metabolic substances research. However, Actinobacteria distributed in hypersaline environments has not obtained much attention. Due to the intense 基金 项 目 : 国家 973 项 目 (2004CB719601), HA ARE SHE (30600001 ) , 教 育 部 新 世纪 优秀 人 才 支 持 计划 , 云 南 省 中 青年 学 术 和 技术 带头 人 后 备 人 才 基 金 , 云 南 省 自然 科学 基金 (2007C167M) 共同 资助 。 * “通讯 作者 : Tel/Fax: +86 -871 -5$033335 ; E-mail; wjli@ ynu. edu. cn liact@ hotmail. com 50 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) environment selective press,the community structure of Actinobacteria in hypersaline environment might be different from that of Actinobacteria in normal habitats. This will be an opportunity or a challenge for discovering new resources of Actinobacteria and novel bioactive products. Xinjiang is one main distributed region of the salt lakes in China and is also an important research location for microbial resources in hypers- aline environments. On the basis of the comprehensive study of isolation methods, abundant microbial resources, which contained many novel actinobacteria taxa, were obtained. These resources provided evidence for understanding the biodiversity of actinobacteria in Xinjiang hypersaline environment. In addi- tion, these resources become perfect materials for the study of microbial physiology and biogeography. Key words hypersaline environments; halophilic Actinobacteria; isolation; diversity; molecular ecology; systematics 1 = . BY Di. 放 线 菌 是 指 DNA 的 G + C 含量 在 50 mol% 以 上 的 革 兰 氏 阳 性 细菌 ,它们 的 16S rRNA 在 系统 发 育 上 密切 相关 , 既 包括 具有 细菌 形态 的 放 线 细菌 , 又 包括 传统 意义 上 的 菌 丝 较为 丰富 的 经 典 放 线 菌 〈 职 晓 阳 等 ,2006 ) 。 放 线 菌 的 分 类 地 位 经 过 了 复杂 的 演变 : 1875 年 Cohn 最 早 发 现 了 放 线 菌 , 由 于 大 多 数 放 线 菌 具有 良好 的 菌 丝 体 ,19 世纪 前 人 们 曾 将 其 归 人 真菌 中 ; 随 着 科学 的 发 展 和 新 技术 的 应 用 , 人 们 的 认识 逐渐 深入 , 才 将 放 线 菌 列 于 细菌 中 ; 1968 年 Murray 将 放 线 菌 归 人 原核 生物 界 厚 壁 菌 门 ; 1986 年 出 版 的 《 伯 杰 氏 系 统 细菌 学 手册 》 中 , 放 线 菌 被 划分 在 原核 生物 界 , 厚 壁 菌 门 , 分 枝 菌 岗 WA; Stackebrandt 等 〈1997) 通过 对 16S rRNA 基因 序列 分 析 , 提出 了 放 线 细菌 网 这 一 分 类 等 级 。 此 时 的 放 线 细菌 纲 既 包括 产 菌 丝 的 典型 放 线 菌 , 又 包括 细菌 形 态 的 放 线 细菌 ; 2001 年 出 版 的 《 伯 杰 氏 系 统 细菌 学 手册 》 第 二 版 把 高 C+C 含量 革 兰 氏 阳 性 细 菌 确定 为 放 线 菌 门 (Phylum Actinobacteria) (Boone et al. ,2001) 。 有 关 放 线 菌 的 《 伯 杰 氏 系 统 细菌 学 手册 》 第 二 版 第 四 卷 将 于 2009 年 出 版 。 极端 微生物 〈extremophiles) 一 词 最 早 由 MacElroy 于 1974 年 提出 的 , 它 是 一 类 生长 在 被 认为 是 生命 禁区 的 极端 环境 中 的 微生物 类 群 。 近 十 多 年 来 , 极 端 环境 〈 包 括 极端 高 、 低 温 , 极 端 高 酸 、 高 碱 、 高 盐 、 高 渗透 压 , 高 辐射 等 ) 微生物 的 研究 受到 广泛 的 重视 。 尤 其 在 以 下 几 个 方面 : 中 极端 环境 微生物 是 研究 生物 进化 、 生 命 起 源 和 生物 适应 机 制 的 理想 材料 。 早 在 1987 年 ,Woese 根据 对 高 温 嗜 盐 菌 分 子 生 物 学 研究 的 结果 , 提 出 了 不 同 于 真 细 菌 , 也 不 同 于 真 核 生物 的 第 三 类 生物 “ 古 菌 ” (Archaebacteria) 的 概念 , 从 而 大 大 推动 了 生物 进化 的 研究 (Woese,1987) 。 四 极端 微生物 为 了 适 应 所 栖息 的 极端 环境 , 其 生长 特性 , 营 养 需求 , 繁 殖 规律 , 细 胞 结构 , 膜 结构 , 和 蛋白 及 酶 的 结构 , 核酸 结构 , 基 因 表 达 、 调 控 、 修 复 , 均 与 正常 环境 中 的 微生物 有 很 大 的 不 同 。 这 些 都 是 生物 进化 中 的 大 问题 。@ 由 于 适应 极端 环境 的 结果 , 极 端 微生物 必然 具有 特殊 的 代谢 类 型 , 并 产生 特殊 的 极其 多 样 化 的 代谢 产物 , 这 些 代谢 类 型 和 代谢 产物 又 完全 可 以 被 人 类 利用 。@ 由 可 以 从 极端 微生物 中 寻找 特殊 基因 , 将 其 转 植 到 其 他 生物 , 产 生 目 的 产物 或 性 状 。 久 目前 所 知道 的 微生物 资源 的 种 类 不 过 占 实 有 总 数 的 1% ~ 10% , 有 人 认为 不 到 0.1% 。 极 端 环境 的 微生物 资源 更 是 知之 甚 少 。 因 此 , 极 端 环境 是 发 现 未 知 微生物 资源 的 理想 之 地 。@ 许 多 天 然 环 境 的 不 合理 开发 不 但 使 其 原 狐 遭 到 破坏 , 而 且 那 里 的 微生物 资源 也 面临 毁灭 , 因 此 极端 环境 微生物 资源 的 研究 开发 具有 紧迫 性 。 对 于 极端 环境 中 的 放 线 菌 资 源 研究 , 目 前 欧 、 美 、 日 及 我 国 基本 上 处 于 同一 起 跑 线 上 。 相 对 而 言 , 英 国 Newcastle 大 学 的 Goodfellow 实验 室 、Liverpool 大 学 Edwards 实验 室 在 嗜 热 放 线 菌 生理 新 疆 高 盐 环 境 可 培养 嗜 盐 放 线 菌 多 样 性 研究 51 学 、 生 态 学 、 分 类 学 、 遗 传 学 及 其 相关 生物 技术 研究 方面 较为 突出 ; 日 本 、 德 国学 者 在 嗜 碱 、 哮 冷 放 线 菌 的 生理 学 、 生 态 学 、 分 类 学 及 其 酶 学 研究 方面 较为 深入 ; 美国 的 Williams 教授 在 嗜 酸 放 线 菌 生态 学 、 生 理学 等 方面 的 研究 起 步 较 早 。 在 极端 环境 放 线 菌 资源 的 开发 利用 方面 , 早 在 20 世纪 80 年 代 初 期 , 我 国学 者 , 尤 其 是 我 们 云南 大 学 省 微生物 研究 所 的 研究 人 员 就 开始 了 较为 系 统 地 对 云南 全 省 及 新 疆 、 青 海 部 分 地 区 的 高 温 、 低 温 、 酸 碱 及 高 盐 环境 中 的 放 线 菌 资源 研究 。 新 疆 , 东 西 全 长 1 900 km, 南 北 宽 1 500 km, 面 积 1.646 8 x10' km*, 占 全 国 总 面积 的 1/6 , 是 我 国 面积 最 大 的 省 区 。 同 时 也 是 盐 碱 化 比较 严重 的 地 区 , 气 候 特 征 和 用 水 不 当 是 土壤 盐 碱 化 的 主要 原因 。 新 疆 的 大 小 200 个 湖泊 中 就 有 101 + (50.5%) 盐湖 , 占 湖泊 面积 的 75.1% (ME 玉 等 ,1995) , 也 是 我 国 面积 最 大 的 盐湖 成 盐 区 。 对 新 疆 高 盐 环 境 微生物 的 研究 , 长 期 以 来 人 们 主要 集中 在 嗜 盐 古 菌 和 嗜 盐 细菌 , 几 乎 没有 有 关 嗜 盐 放 线 菌 研究 的 报道 。 由 于 高 盐 环境 放 线 菌 研 究 领 域 多 年 以 来 , 无 论 是 纯 培 养 还 是 免 培养 都 鲜 有 关于 嗜 盐 放 线 菌 的 报道 , 在 研究 理论 和 方法 上 没有 大 的 发 展 , 对 高 盐 环 境 放 线 菌 的 群落 组 成 、 多 样 性 和 地 理 分 布 基本 不 清楚 。 盐 环境 放 线 菌 营养 生理 学 的 初步 研究 (Tang et al. , 2003) 为 改进 盐 环境 放 线 菌 的 分 离 方 法 提供 了 理论 指导 。 通 过 不 断 的 改进 分 离 方 法 , 使 得 客观 地 认识 嗜 盐 放 线 菌 和 高 盐 环 境 各 种 环境 因 子 的 关系 及 其 对 营养 物质 的 特殊 需求 , 建 立 适 合 嗜 盐 放 线 菌 的 纯 培 养 成 为 可 能 , 进 而 , 为 揭示 新 疆 高 盐 环境 放 线 菌 的 群落 组 成 、 生 物 多 样 性 、 地 理 分 布 , 为 嗜 盐 放 线 菌 的 深入 研究 和 开发 利用 提 供 理论 依据 和 菌 种 资源 保障 。 本 研究 主要 着 眼 于 新 疆 艾 丁 湖 、 艾 比 湖 、 北 沙 窝 湖 、 巴 里 坤 干 盐 湖 、 赛 里 木 湖 、 甘 加 湖 , 以 及 和 硕 地 区 盐 碱 士 、 拜 城 盐场 的 高 盐 土壤 样品 中 的 可 培养 放 线 菌 多 样 性 。 经 过 不 断 的 改进 分 离 培 养 的 方法 , 初 步 揭示 了 新 疆 高 盐 环 境 可 培养 放 线 菌 的 群落 组 成 与 结构 。 2. 新 疆 高 盐 环 境 主要 放 线 菌 类 群 近年 来 , 我 们 通过 研究 适合 于 新 疆 盐 湖 、 盐 碱 地 等 高 盐 环 境 放 线 菌 的 分 离 方 法 , 得 到 了 大 批 的 菌 种 资源 ; 发 现 新 疆 高 盐 环境 中 的 放 线 菌 群落 组 成 明显 区 别 于 普通 环境 , 它 们 主要 分 布 于 放 线 菌 目 , 假 诺 卡 氏 菌 科 和 拟 诺 卡 氏 菌 科 的 7 个 属 , 且 它们 的 分 布 区 域 有 所 不 同 。 现 将 我 们 研究 的 部 分 结果 报告 如 下 : 2.1 拟 诺 卡 氏 菌 属 ( Nocardiopsis ) 拟 诺 卡 氏 菌 属 是 一 类 广泛 分 布 的 高 C + C 含量 革 兰 氏 阳 性 好 氧 菌 , 隶 属于 放 线 菌 目 , 链 孢 宫 菌 亚 目 , 拟 诺 卡 氏 菌 科 。 该 属 最 早 由 Meyer (1976) 有 效 描述 , 目 前 共有 24 个 有 效 发 表 种 (Li et ol. ,2006) 。 基 于 其 有 效 描述 种 的 16S rRNA 基因 序列 构建 的 系统 进化 树 见 图 1, 其 中 , 标 注 为 黑体 的 为 本 室 所 发 表 的 有 效 种 。 拟 诺 卡 氏 菌 在 各 种 环境 中 广泛 分 布 ( Kroppenstedt & Evtushenko, 2006) , 尤 其 在 中 度 和 高 度 盐 环境 中 表现 出 了 优势 菌 群 的 特征 (Tang et al. ,2003 ) 。 分 布 于 盐 环 境 的 该 属 菌株 多 为 耐 盐 菌 , 即 在 无 盐 的 培养 条 件 下 也 能 生长 。 其 中 Nocardiopsis halophila (Al-Tai & Ruan, 1994) (iG th YR AEH 10%), Nocardiopsis kunsanensis (Chun et al. ,2000 ) 〈 最 适 盐 浓度 为 10% ) 及 我 室 发 表 的 Nocardiopsis xinjiangensis (Li M G et al. , 2003) (最 适 盐 浓 度 为 135% ) 和 Nocardiopsis salina (Li W J et al. , 2004) (最 适 盐 浓度 为 10% ) 共 4 个 种 为 嗜 盐 放 线 菌 Nocardiopsis lucentensis (Yassin et al. , 1993) 为 轻 度 嗜 盐 放 线 菌 〈 最 适 盐 浓度 为 5% -~ 10% ) 。 对 于 盐 的 耐 受 性 上 , 该 属 菌株 呈现 了 多 样 性 。 通过 对 分 离 培养 基 研究 , 发 现 营 养 较为 丰富 的 分 离 培养 基 (例如 : 改良 ISP5) 能 够 分 离 到 52 生态 科学 进展 (FOR) 大 批 的 拟 诺 卡 氏 菌 。 所 以 此 类 培养 基 能 够 选择 性 地 分 离 拟 诺 卡 氏 菌 , 但 同时 存在 着 分 离 到 的 放 线 菌 类 和 群 单一 , 且 多 为 耐 盐 拟 诺 卡 氏 菌 的 问题 。 当 然 , 能 够 尽 可 能 多 的 分 离 到 拟 诺 卡 氏 菌 , 对 该 属 的 系统 分 类 学 、 生 理学 和 生态 学 的 研究 等 都 是 有 促进 作用 的 。 只 是 目前 在 属 以 下 分 类 单元 的 菌株 , 去 除 重 复 还 缺乏 比较 有 效 、 快 捷 的 方法 。 3 . exhalans DSM 444077 (AY036000) N. metallicus DSM 445987 (AJ420769) 88 N. prasina DSM 438457 (X97884) N. listeri DSM 40297" (X97887) 84 N. alkaliphila YIM 803797 (AY230848) 100 N. tropica DSM 443817 (AF105971) N. umidischolae DSM 443627 (AY036001) N. alba DSM 433777 (X97883) N. aegyptia DSM 4444217 (AJ539401) N. lucentensis DSM 44048" (X97888) 62 N. halotolerans DSM 444101 (AJ290448) 3r 一 N dassonvillei subsp. dassonvillei DSM 431117 (X97886) N. synnemataformans DSM 44143" (Y 13593) 99 N. salina YIM 90010" (AY373031) 71 86 N kunsanensis DSM 44524" (AF195412) N. xinjiangensis YIM 90004" (AF251709) N. composta KS8‘ (AF360733) 65 96; N. baichengensis YIM 901307 (AY619716) 99 N halophila DSM 444947 (AJ421018) 74 N. chromatogenes YIM 90109" (AY619715) 100 N. gilva YIM 90087 * (AY619712) 96 N. rhodophaea YIM 90096" (AY619714) N. rosea YIM 90094" (AY619713) N. trehalosi DSM 44380" (AF105972) Thermobifida fusca DSM 43792 (AF002264) 0.005 1 基于 拟 诺 卡 氏 菌 属 有 效 描述 种 的 16S rRNA 基因 序列 构建 的 系统 进化 树 Fig. 1 Phylogenetic tree based on 16S rRNA sequences of 24 validly described Nocardiopsis species. Bootstrap values ( >50% ) from 1 000 analyses are shown at the nodes of the tree. Bar, 5 nucleotide substitutions per 1 000 nucleotides. 2.2 $37 (Streptomonospora) ‘ee PA Hl A J FEF 2001 年 首次 描述 (Cui et al. ,2001) 。 该 属 目前 仅 在 新 疆 盐湖 环境 中 被 分 离 , 可 能 是 我 国 盐湖 环境 的 特有 类 群 。 另 外 , 链 单 孢 菌 也 是 除 放 线 多 孢 菌 属 外 第 二 个 被 有 效 描述 的 严格 嗜 盐 放 线 菌 , 即 目前 有 效 描述 种 和 分 离 株 都 为 嗜 盐 菌 。 链 单 孢 菌 属 与 拟 诺 卡 氏 菌 属 同属 于 拟 诺 卡 氏 菌 科 , 有 效 描述 种 2 个 : Streptomonospora salina (Cui et al. ,2001) 和 Streptomonospora alba (Li et al. ,2003a) 。 通 过 改良 分 离 方法 , 降 低 拟 诺 卡 氏 菌 的 出 菌 率 后 , 我 室 分 离 到 了 大 量 的 链 单 孢 菌 , 且 在 新 疆 艾 丁 盐 湖 及 其 他 盐湖 中 广泛 分 布 。 因 此 , 链 单 孢 菌 可 能 是 除 拟 诺 卡 氏 菌 外 的 第 二 个 新 性 盐湖 环境 的 优势 菌 群 。 从 系统 发 育 关系 上 , 链 单 孢 菌 属 和 拟 诺 卡 氏 菌 属 有 着 非常 相近 的 亲缘 关系 。 起 初 , 分 布 于 新 疆 盐 湖 环境 的 链 单 孢 菌 属 的 物种 多 样 性 比较 低 , 目 前 仅 有 2 个 有 效 描述 种 , 而 且 16S rRNA 基因 序列 相似 性 为 99.3% (Li et o/.,2003a) 。 近 期 的 研究 发 现 , 在 链 单 钨 菌 属 中 可 能 同样 存在 着 比较 丰富 的 物种 多 样 性 。 新 近 分 离 到 的 链 单 孢 菌 菌株 YIM 91355 与 S. salina 和 卫 > et Se ee oe 新 疆 高 盐 环境 可 培养 嗜 盐 放 线 菌 多 样 性 研究 53 S. alia 的 16S rRNA 基因 序列 相似 性 都 低 于 97% 〈 待 发 表 ) 。 如 图 2 所 示 , 新 疆 艾 丁 湖 高 盐 环境 链 单 钨 菌 类 群 明显 分 为 3 个 大 的 进化 分 支 , 其 中 包括 了 为 数 较 多 的 潜在 新 物种 , 同 时 也 显示 在 该 地 区 具有 丰富 的 链 单 抱 菌 资 源 。 87 —YIM 91493 4 YIM 91495 98 YIM 91498 37 YIM 91515 HW YIM 91496 25 YIM 91507 YIM 91497 3 人 7 一 YIM 91490 S4 -YIM 91503 YIM 91527 YIM 91517 38 12 44 YIM 91501 YIM 90573 92/35|_ YIM 91511 70 LYIM 91532 42rYIM 91506 30 YIM 91522 D YIM 91523 38] 53 -YIM 91535 YIM 90595 29\|_YIM 90487 YIM 90494 34135 YIM 90551 5 YIM 90542 45 Streptomonospora alba YIM 90003 * (AF462347) YIM 90564 ‘YIM 90554 53|[~ YIM 90546 83 一 YIM 90544 Streptomonospora salina YIM 90002 T (AF178988) ‘ Streptomonospora halophila’ YIM91355 ' (EF423989) Thermobifida fusca DSM 43792 (AF002264) 98 0.005 图 2 Bir at eh BA HH Ss ee 9 Pe a ye E is.. Species divampity of the genie Stentomonaspord diviealt lakessundlentions,..Chine 2.3 放 线 多 孢 菌 属 (Actinopolyspora) 放 线 多 抱 菌 属 是 最 早 被 描述 的 高 盐 环境 放 线 菌 类 群 (Gochnauer et al. , 1975), , 从 此 掀起 了 高 盐 极端 环境 放 线 菌 的 研究 。 它 也 是 第 一 个 严格 嗜 盐 放 线 菌 , 最 适 生 长 盐 浓度 是 15% ~ 20% , 能 在 30% 的 食盐 中 生长 , 在 低 于 SSH NACI 中 不 生长 。 放 线 多 孢 菌 属 隶 属于 放 线 菌 目 , 假 诺 卡 氏 菌 亚 目 , 假 诺 卡 氏 菌 科 。 目 前 有 效 描述 种 3 个 : Actinopolyspora halophila (Gochnauer et al. , 1975 ) . Actinopolyspora iradiensis { Ruan et al. , 1994) 和 Actinopolyspora mortivallis (Yoshida et al. , 1991 ) 。 有 趣 的 是 该 属 是 Cochnauer 等 在 研究 红 皮 盐 杆菌 (Halobacterium cutirubrum) 类 脂 的 过 程 中 无 意 中 发 现 的 。 上 述 三 个 放 线 多 钨 菌 有 效 描述 种 都 分 离 自 国外 的 盐 环境 样品 中 , 分 布 于 我 国 高 盐 环 境 的 放 线 多 孢 菌 之 前 还 没有 相关 报道 。 通 过 对 新 疆 盐 湖 环 境 的 放 线 菌 分 离 培 养 , 我 室 首次 从 54 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 和 硕 盐 碱 土 和 和 拜 城 盐城 发 现 了 大 量 放 线 多 孢 菌 , 而 且 还 可 能 存在 着 较 高 的 物种 多 样 性 〈 图 3)。 同时 , 研 究 发 现 Actinopolyspora iragiensis 的 分 离 地 位 也 存在 问题 , 相 关 数 据 即将 发 表 。 55 [ YIM90618 YIM 91492 ‘Actinopolyspora halophila ATCC 2797 (X54287) Actinopolyspra mortivallis DMS 442617 (DQ883812) Thermobispora bispora ATCC 19993" (U58523) 上 一 一 | 0.02 图 3 新 疆 盐 湖 环境 放 线 多 孢 菌 的 物种 多 样 性 Fig. 3 Species diversity of the genus Actinopolyspora in salt lakes in Xinjiang, China 2.4 #8388 (Saccharomonospora) Nonomura 和 Ohara (1971) 对 Thermoactinomyces viridis 进行 了 再 分 类 , 建 立 了 糖 单 孢 菌 属 , 并 描述 了 Saccharomonospora viridis, BRAARRSKASHRARART RAR RRR, BBA RK #7 “4. HP, Saccharomonospora halophila ( Al-Zarban et al. , 2002) 是 该 属 首次 被 描述 的 嗜 盐 A, ARBRE PBEM SO BIA RA So — Te hE -A fl , Saccharomonospora paurometabolica (Li et al. ,2003b) 。 随 着 研究 的 深入 , 我 们 发 现在 新 疆 盐 湖 环 境 中 不 仅 广 泛 分 布 着 大 量 的 糖 单 孢 菌 , 而 且 基 于 16S rRNA 基因 序列 构建 的 系统 进化 树 , 嗜 盐 菌 和 普通 环境 的 糖 单 孢 菌 分 开 并 形成 独立 的 分 支 (图 4) 。 另 外 , 分 离 自 新 疆 的 嗜 盐 糖 单 钨 菌 在 进化 树 上 也 形成 独立 的 分 支 , 似 乎 我 们 可 以 从 中 得 出 系统 发 育 与 地 理 分 布 的 相关 性 。 Saccharomonospora halophila DSM 4441 (AJ278497) Saccharomonospora paurometabolica YIM 90007" (AF540959) YIM 91521 56 YIM 91514 96 YIM 91516 95 ‘YIM 91509 ; 71 YIM 90552 55 YIM 90591 YIM 90561 81 YIM 90575 96 YIM 90523 : 99—YIM 90592 85 Saccharomonospora cyanea NA 134 (Z38018) 88 Saccharomonospora xinjiangensis DSM 44391" (AJ306300) 94 Saccharomonospora azurea SB-58" (Z38024) a Saccharomonospora glauca DSM 43769" (Z38003) Saccharomonospora viridis NCIB 9602" (Z38007) -——_—— 0.01 图 4 Br SR Eh Tw A eB AP Hel 9 Dy PP HE Fig. 4 Species diversity of the genus Saccharomonospora in salt lakes in Xinjiang, China eee el Ae eee 新 疆 高 盐 环境 可 培养 嗜 盐 放 线 菌 多 样 性 研究 55 2.5 糖 多 孢 菌 属 (Saccpnaropotyspora ) AZAR Lacey 等 1975 年 建立 , 同 样 隶属 于 假 诺 卡 氏 菌 科 , 目 前 包括 10 个 有 效 描述 种 , 全 为 普通 环境 微生物 。 我 室 首次 从 新 疆 盐 湖 环境 中 分 离 到 了 两 个 潜在 的 糖 多 抱 菌 新 种 〈 待 发 表 ) : “Saccharopolspora halophila’ YIM 90500" #1 ‘ Saccharopolspora salina’ YIM 91168" (图 5) 。 但 其 分 布 范围 较 窗 , 目 前 只 在 艾 丁 湖 湖 边 地 区 被 发 现 。 Saccharopolyspora hirsuta ATCC 27875" (U93341) Saccharopolyspora hordei AS4. (X53 197) Saccharopolyspora spinosa DSM 44228" (AF002818) Saccharopolyspora flava AS4.1520' (AF154128) ‘Saccharopolyspora halophila’ YIM 90500" Saccharopolyspora thermophilus AS4.151 r (AF127526) Saccharopolyspora taberi DSM 43856 (AF002819) Saccharopolyspora spinosa DSM 44228" (AF002818) Saccharopolyspora erythraea NRRL 2338 (X53198) Saccharopolyspora gregorii NCIB 12823" (X76962) ‘ Sacchatemalpeiire salina’ WINK 91468 Saccharopolyspora rectivirgula DSM 43747 (X53194) Thermobifida alba DSM 43795" (AF002260) 92 92 63 5 新 疆 盐 湖 环境 糖 多 孢 菌 的 物种 多 样 性 Fig. 3 Species diversity of the genus Saccharopolyspora in salt lakes in Xinjiang, China 2.6 KEE ( Prauserella) 1999 年 Kim 等 对 Amycolatopsis rugosa (Lechevalier et al. , 1986) 进行 了 再 分 类 , 建 立 了 Prauserella。 随 后 , 我 室 于 2003 年 发 表 了 Prauserella halophila 和 Prauserella alba 两 个 普 氏 菌 新 种 (Liet al. ,2003c) 。 三 个 普 氏 菌 都 和 盐 环境 相关 , 但 只 有 Prauserella halophila HBB. 普 氏 菌 属 是 一 类 仅 能 从 高 盐 环 境 潮 湿 土 样 中 分 离 得 到 的 放 线 菌 , 所 以 分 离 样 品 必须 是 新 鲜 的 , 且 不 能 经 过 高 温 处 理 。 新 疆 盐 湖 高 盐 环境 的 普 氏 菌 分 离 菌株 16S rRNA 基因 序列 的 相似 性 比较 高 〈 图 6) , 提 示 在 该 环境 中 的 普 氏 菌 属 物种 多 样 性 比较 低 , 也 可 能 是 因为 分 离 方 法 造成 了 单 一 的 现象 。 Prauserella rugosa DSM 43194" (AF051342) Prauserella halophila YIM 90001" (AF466190) 图 6 新 疆 盐 湖 环境 普 氏 菌 的 物种 多 样 性 Fig.6 Species diversity of the genus Prauserella in salt lakes in Xinjiang, China 56 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 3. 总 结 与 展望 通过 有 效 的 高 盐 环境 放 线 菌 的 分 离 方法 , 大 批 的 真正 嗜 盐 的 放 线 菌 菌株 从 新 疆 高 盐 环境 中 被 分 离 , 在 一 定 程度 上 揭示 了 新 疆 盐 湖 高 盐 环境 中 嗜 盐 放 线 菌 的 群落 组 成 。 其 中 , 拟 诺 卡 Kh, PORE MORRO, ARERR POOR. HAS 孢 菌 、 普 氏 菌 和 糖 多 孢 菌 则 表现 出 了 地 理 分 布 特异 性 。 比 较 不 同 地 质 形成 年 代 的 分 离 样 点 , 发 现 地 质 形成 年 代 较 晚 的 样 点 〈 例 如 : 甘 家 湖 地 区 ) 的 放 线 菌 群 落 组 成 明显 不 同 于 艾 丁 湖 等 地 质 年 代 较 古老 的 样 点 。 这 些 地 区 多 分 布 着 耐 盐 的 链 霉 菌 、 拟 诺 卡 氏 菌 、 普 氏 菌 、 小 单 孢 菌 和 假 诺 卡 氏 菌 等 。 分 离 方法 目前 仍然 是 制约 着 微生物 纯 培 养 研究 发 展 的 关键 环节 。 虽 然 目前 分 子 生 物 学 和 分 子 生 态 学 方法 能 够 部 分 地 解决 微生物 在 生态 环境 中 的 位 置 和 作用 等 问题 , 特 别 是 宏基 因 组 , 学 和 环境 基因 组 学 方法 , 以 及 基因 芯片 技术 等 。 但 是 想 要 全 面 地 了 解 不 同 微生物 类 群 的 生理 | 生化 、 遗 传 进化 和 群体 间 的 相互 作用 , 还 必须 得 到 微生物 的 纯 培 养 。 在 微生物 的 纯 培 养 研 究 , 方面 , 还 需要 更 多 的 关注 (Rothschild,2006 ) 。 面 对 自然 环境 中 多 于 99% 的 未 培养 微生物 , (Amann et al. ,1995) , 这 既是 一 种 挑战 , 也 是 一 种 机 遇 。 微 生物 分 离 方法 的 研究 需要 考虑 各 方面 的 因素 : 微生物 与 微生物 之 间 , 微 生物 与 环境 之 间 , 甚 至 微生物 与 人 之 间 的 关系 。 这 些 因素 已 经 复杂 到 我 们 目前 无 法 同时 考虑 的 地 步 。 所 以 只 能 首先 考虑 那些 影响 微生物 分 离 培 养 的 主要 因素 , 例 如 : 生态 环境 中 的 主要 营养 源 , 微 生物 的 主要 生理 需求 等 。 本 文中 , 我 们 主 要 根据 新 疆 高 盐 环境 的 特征 , 分 布 于 该 环境 中 放 线 菌 的 生理 特征 , 设 计 合 适 培 养 基 , 并 筛选 了 较为 理想 的 分 离 培养 条 件 。 同 时 , 用 该 方法 分 离 到 大 批 的 嗜 盐 和 了 耐 盐 放 线 菌 , 初 步 揭示 了 新 疆 高 盐 环境 的 放 线 菌 群落 组 成 明显 不 同 于 普通 土壤 环境 中 以 链 霉菌 为 优势 菌 群 的 放 线 菌 群 落 组 成 。 不 同 生态 环境 中 的 微生物 群落 组 成 不 同 , 为 进行 微生物 生物 地 理学 的 研究 提供 了 一 个 值得 研 究 的 课题 和 支撑 点 。 生 物 地 理学 是 研究 生物 多 样 性 的 空间 分 布 模型 和 过 程 的 学 科 , 当 地 理 隔 离 成 为 宏观 生物 世系 物种 形成 过 程 中 的 主要 机 制 时 , 生 物 地 理学 的 知识 是 理解 生物 进化 的 关键 。 达 和 尔 文通 过 正确 评价 生物 地 理学 的 数据 , 和 理解 这 些 数据 在 动物 与 植物 进化 中 的 含义 , 而 提出 了 自然 选择 的 理论 。 目 前 , 植物 和 动物 生物 地 理学 已 经 得 到 了 相当 的 发 展 。 但 是 , 由 于 微生物 惊人 的 扩 散 能 力 和 巨大 的 群体 规模 , 使 得 人 们 一 度 认 为 微生物 与 地 理学 是 不 相关 的 。 这 种 观点 被 Becking M W All Bass B 总 结 为 “Everything is everywhere; but the environment selects”, 换 句 话 讲 , 如 果 环 境 在 生态 学 意义 上 是 满足 微生物 生存 需要 的 , 那 么 微生物 生境 位 于 什么 地 点 , 或 者 周围 有 什么 样 的 地 理 和 气候 屏障 就 都 没有 关系 了 。 近 些 年 来 越 来 越 多 的 研究 成 果 对 此 观点 提出 了 挑战 (Martiny etal. ,2006 ) 。 实 际 上 , “Becking-Bass” 假 说 确实 引起 了 很 多 关于 微生物 地 理 和 环境 分 布 的 研 究 , 以 及 关于 基础 生态 学 和 进化 问题 的 思考 。 对 于 选择 压力 相对 较 大 的 高 盐 环境 中 , 微 生物 的 群落 组 成 结构 与 普通 环境 不 同 , 我 们 的 研究 证 明了 这 一 点 。 同 时 , 高 盐 环 境 中 的 微生物 类 群 分 布 也 表现 出 了 一 定 的 地 域 性 , 另 外 , 其 分 布 也 受到 地 质 演变 的 影响 。 这 些 问题 都 是 值得 进一步 研究 的 。 随 着 分 离 方 法 的 进一步 突破 , 相 关 生 态 学 研究 方法 的 改进 , 以 及 其 他 例如 基因 芯片 等 分 子 生 物 学 方法 的 引入 , 微 生物 生物 地 理学 必 将 得 到 突 飞 狐 进 的 发 展 , 人 们 对 微生物 进化 的 认识 也 会 逐步 加 深 。 新 疆 高 盐 环 境 可 培养 嗜 盐 放 线 菌 多 样 性 研究 57 参考 文献 职 晓 阳 , 殖 曼 , 杨 玲玲 , 等 .建立 放 线 菌 门 的 证 据 [J], 微生物 学 通报 ,2006,33 (3): 181-183. 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Xu Li-hua* Li Wen-jun! 2 (1 Key Laboratory for Microbial Resources of Ministry of Education, Yunnan Institute of Microbiology , Yunnan University, Kunming 650091, China; 2 Department of Chemistry and Life Science, Chuxiong Normal School, Chuxiong 675000, China) fi 要 植物 内 生 放 线 菌 生活 于 宿主 植物 组 织 内 , 是 一 类 研究 得 不 多 , 但 在 医药 、 农 业 和 工 业 上 具有 很 大 应 用 潜力 的 资源 。 植 物 内 生 放 线 菌 与 宿主 植物 之 间 长 期 的 协同 进化 关系 , 使 得 内 生 放 线 菌 能 够 产生 抗生素 、 植 物 生长 激素 、 酶 等 众多 生物 活性 物质 , 并 且 表 现 出 促进 宿主 植物 生 长 , 提 高 宿主 植物 对 环境 胁迫 抗 性 等 能 力 。 目 前 对 植物 内 生 放 线 菌 的 研究 开展 得 越 来 越 多 , 但 是 诸如 内 生 放 线 菌 的 起 源 与 进化 以 及 生态 学 等 许多 问题 人 们 还 很 不 清楚 。 本 文 就 植物 内 生 放 线 菌 领 域 目前 研究 的 方向 , 综 述 了 尚 有 争议 的 内 生 菌 的 定义 、 内 生 放 线 菌 纯 培 养分 离 方法 以 及 多 样 性 研 究 的 现状 和 技术 手段 , 论 述 了 内 生 放 线 菌 目前 在 医药 、 农 林业 等 领域 的 实际 应 用 情况 , 分 析 了 内 生 放 线 菌 和 宿主 植物 相互 关系 研究 的 最 新 进展 , 侧 重 于 内 生 放 线 菌 和 植物 分 子 水 平 相互 作用 的 研 究 现状 和 发 展 趋势 , 并 对 植物 内 生 放 线 菌 领域 值得 进一步 深入 思考 和 研究 的 问题 进行 了 展望 。 关键 词 ”内 生 放 线 菌 ; 分 离 ; 多 样 性 ; WA; 相互 关系 Abstract Endophytic actinomycetes, which exist in the inner tissues of living plants, are relatively less studied. They are potential sources for exploitation in medicine, agriculture, and industry. Endophytic actinomycetes can produce lots of bioactive compounds, such as antibiotics, plant growth hormones and enzymes, and may contribute to their host plants by promoting their growth and enhancing their ability of resisting the environmental stresses. Although, more and more researches have focused on the endophyt- 基金 项 目 : 国家 973 WA (2004CB719601) , 国 家 自然 科学 基金 (30560001 ) , 教 育 部 新 世纪 优秀 人 才 支 持 计划 , 云 南 省 中 青年 学 术 和 技术 带头 人 后 备 人 才 基 金 资助 。 * “通讯 作者 : Tel/Fax;86 -871 -5033335 ; E-mail: wjli@ ynu. edu. cn;lihxu@ ynu. edu. cn 60 生态 科学 进展 (FO) ic actinomycetes, those fundamental questions about the evolutionary origin and ecological role of such — endophytes remain to be answered. In this paper, a series of research questions in terms of the defini- tion, isolation methods, diversity, application and interactions between endophytic actinomycetes and their hosts are reviewed. Some issues which remain obscure and need to be further considered in the research of endophytic actinomycetes are also discussed. Key words’ endophytic actinomycetes; isolation; diversity; application; interaction. 1 = 。 BD Dil 放 线 菌 是 指 DNA G +C 含量 在 50 ml DU EME~KRMAKEAAR, RFRA. 放 线 菌 的 数量 大 、 种 类 多 且 有 重大 经 济 价值 , 而 且 分 布 广泛 。 自 1940 年 Selman Waksman 发 现 放 线 菌 素 以 来 , 放 线 菌 一 直 是 抗生素 、 酶 和 酶 抑制 剂 等 有 用 生理 活性 物质 的 主要 产生 菌 。 迄 今 为 止 , 微 生物 产生 的 2 万 多 种 生物 活性 物质 (如 抗生素 等 ) , 有 近 60% ~ 80% 是 放 线 菌 产生 的 (Bills et al. ,2002) 。 其 中 放 线 菌 产 生 的 抗 肿瘤 物质 占 88% , 抗 菌 类 物质 占 74% , 其 他 活性 物质 占 55% 。 目 前 在 微生物 产生 的 22 500 多 种 各 类 生物 活性 物质 中 仅 有 140 ~ 170 种 得 到 应 用 , 不 到 总 数 的 1% , 而 放 线 菌 产 生 的 10 100 种 活性 物质 , 就 有 100 ~ 120 种 得 到 应 用 , 占 应 用 品种 总 数 的 比例 高 达 71% 。 因 此 放 线 菌 是 目前 开发 微生物 药物 潜力 最 大 的 一 类 微生物 资源 。 然 而 , 由 于 抗生素 的 广泛 应 用 , 致 病菌 对 现 有 药物 的 抗 药 性 不 断 增 强 , 促 使 人 们 必须 寻找 更 为 有 效 的 抗 生 素 。 随 着 微生物 资源 研究 的 深入 , 目 前 从 传统 的 土壤 放 线 菌 中 寻找 新 的 生物 活性 物质 越 来 越 难 。 近年 来 , 人 们 从 微生物 中 分 离 得 到 的 化 合 物 , 有 近 99.9% 是 重复 发 现 的 (Zaner & Fiedler, 1995 ) 。 因 此 开发 研究 新 的 生态 栖息 地 的 微生物 是 一 个 很 好 的 策略 。 植物 内 生 菌 〈 包 括 真 菌 、 细 菌 和 放 线 菌 ) 是 一 个 相对 未 开发 的 新 资源 , 目 前 已 经 受到 越 来 越 多 的 关注 , 是 新 物种 和 新 基因 的 一 个 丰富 而 可 靠 的 资源 , 而 新 基因 和 新 物种 通常 又 意味 着 新 的 天 然 产 物 〈Wink,2004) 。 近 来 发 现 的 新 的 生物 活性 物质 有 51% 分 离 自 内 生 菌 的 新 种 , 而 仅 有 38% 分 离 自 土 壤 微生物 (Schutz,2001 ) 。 因 而 , 植 物 内 生 放 线 菌 极 有 可 能 成 为 发 现 新 药 用 先导 化 合 物 的 重要 来 源 。 化 石 研 究 的 证 据 表 明 , 植 物 与 其 内 生 菌 之 间 的 内 生 关 系 (endophytic relationships) 早 在 高 等 植物 开始 出 现在 地 球 上 的 时 候 就 已 开始 发 展 〈Strobel,2003 ) 。 这 种 古老 而 又 极为 丰富 多 样 的 协 同 进化 关系 的 长 期 维持 , 使 得 内 生 菌 发 生 遗 传 变化 , 甚 至 整合 宿主 植物 的 DNA 到 自己 的 基因 组 (Germaine et al. ,2004) , 从 而 更 好 地 适应 植物 体内 的 微 环 境 。 这 一 方面 保证 了 内 生 菌 在 植物 体内 得 到 足够 的 营养 以 维持 生存 , 另 一 方面 促使 某 些 内 生 菌 能 够 产生 抗生素 、 植 物 生 长 激素 等 生 物 活性 物质 , 尤 其 是 一 些 内 生 菌 获得 了 产生 和 宿主 植物 相同 或 类 似 化 合 物 的 能 力 (Stierle et al. , 1993) , 从 而 使 内 生 菌 表现 出 一 系列 如 促进 植物 生长 、 提 高 植物 对 病虫害 的 抗 性 等 生物 学 作用 。 鉴于 植物 内 生 菌 在 医药 、 农 林业 等 领域 的 诱 人 的 应 用 前 景 , 越 来 越 多 的 研究 人 员 开 始 关注 并 研究 这 一 新 的 微生物 资源 , 并 且 目 前 的 研究 已 经 从 内 生 菌 的 分 离 、 多 样 性 、 应 用 , 以 及 内 生 菌 与 宿主 植物 的 相互 关系 等 多 个 方面 展开 。 本 文 综述 了 植物 内 生 放 线 菌 研究 的 最 新 进展 。 2. 植物 内 生 菌 的 定义 自 100 多 年 前 , 人 们 发 现 植物 中 存在 有 内 生 菌 以 来 , 对 内 生 菌 的 定义 一 直 有 较 大 的 争议 。 不 植物 内 生 放 线 菌 研究 进展 61 同 的 研究 者 由 于 研究 的 侧重 点 不 同 , 对 内 生 菌 定义 的 理解 也 有 很 大 差别 。 但 大 多 都 认可 内 生 菌 是 能 生活 于 健康 植物 组 织 内 部 , 而 不 引起 任何 明显 症状 的 微生物 (Chanway, 1996), Bacon 等 作出 了 一 个 较 具 总 结 性 , 并 被 普遍 接受 的 定义 , 植 物 内 生 菌 (endophytes) 是 指 在 生活 史 的 一 定 阶 段 或 全 部 阶段 生活 于 健康 植物 组 织 内 部 或 细胞 间隙 , 不 引起 植物 产生 明显 病症 的 微生物 (Bacon & White, 2000; Li el al., ,2001) 。 为 便于 研究 , Hallmann 等 (1997) 根据 植物 与 内 生 菌 的 相互 关 系 认 为 植物 内 生 菌 应 满足 两 个 要 求 : 中 可 从 表面 消毒 的 植物 组 织 或 植物 组 织 内 部 分 离 到 ; QA 植物 造成 可 见 的 伤害 。 因 此 植物 内 生 菌 应 包括 一 切 生 活 在 植物 体内 的 腐生 、 寄 生 和 共生 真菌 、 细 菌 与 放 线 菌 等 , 也 包括 那些 潜伏 在 宿主 体内 的 病原 微生物 , 是 一 个 生态 学 概念 , 而 非 分 类 学 单 位 。Rosenblueth 和 Martinez-Romero (2006) 还 提出 了 “ 真 ” 内 生 菌 的 说 法 , 认 为 “ 真 ” 内 生 菌 应 具备 几 个 条 件 : 一 是 可 从 表面 消毒 的 植物 组 织 分 离 得 到 ; 二 是 应 具备 可 见 的 显 微 学 证 据 证 明 其 的 确 生 活 于 植物 组 织 内 ; 三 是 应 具备 重新 感染 已 消毒 幼苗 的 能 力 。 这 个 定义 较为 严格 , 避 免 了 一 些 混乱 , 但 由 于 显 微 学 证 据 难以 获得 , 为 便于 研究 本 文 还 是 采用 Hallmann 所 作 的 定义 。 3. 植物 内 生 放 线 菌 的 分 离 3.1 宿主 植物 的 选择 由 于 植物 的 种 类 极为 丰富 , 在 植物 内 生 放 线 菌 的 研究 中 , 要 提高 获得 新 物种 、 新 基因 和 新 的 生物 活性 物质 的 几率 , 植 物 的 选择 非常 重要 。 相 对 于 土壤 等 其 他 环境 来 说 , 植 物 内 生 菌 是 一 个 相 对 未 知 且 多 样 性 相当 丰富 的 领域 , 而 且 内 生 菌 所 产生 的 活性 化 合 物 可 以 对 宿主 植物 起 到 保护 作用 。 为 了 获得 内 生 菌 , 我 们 首先 选择 有 兴趣 的 植物 , 主 要 根据 植物 的 生物 学 作用 、 年 龄 、 地 理 分 布 特点 、 民 族 用 药 历史 或 者 独特 的 生存 环境 的 原则 。Strobel 等 (2004) 认为 应 该 从 以 下 几 个 方 面 来 优先 选择 研究 内 生 菌 的 植物 : 中 生物 多 样 性 丰富 地 区 的 植物 , 如 生长 在 热带 或 亚热带 地 区 的 植物 种 类 要 比 生 长 在 干旱 和 寒冷 地 区 的 植物 种 类 丰富 , 其 内 生 菌 的 多 样 性 也 相对 要 高 ; @ 本 土 植 物 , 拥 有 较 长 的 生长 时 期 , 或 者 生长 在 某 个 较为 古老 的 地 带 , 如 Gondwanaland, 其 内 生 菌 产生 活 性 物质 的 几率 要 更 高 ; 图 生长 在 独特 甚至 极端 环境 下 并 拥有 自身 独特 的 生存 机 制 的 植物 ; 四 具有 民族 、 土 著 用 药 历史 的 植物 , 以 及 药 用 化 学 成 分 已 经 被 详细 研究 过 的 植物 , 其 内 生 菌 有 可 能 产生 和 和 宿主 植物 相同 或 类 似 或 者 比 植物 活性 更 强 的 活性 化 合 物 。 目 前 为 止 , 对 于 热带 雨林 植物 内 生 菌 的 研究 还 很 少 , 正 在 渐渐 消失 的 热带 雨林 蕴藏 着 丰富 的 内 生 菌 资源 , 值 得 去 开发 研究 。Strobel (2003) 还 认为 生长 在 潮湿 、 温 暖和 独特 的 气候 环境 下 的 本 土 植物 是 研究 内 生 菌 的 首选 。 例 如 位 于 中 美洲 委内瑞拉 的 热带 雨林 、 澳 大 利 亚 的 季风 区 域 、 亚 洲 的 金三角 地 区 、 巴 布 亚 新 几内亚 的 丘 陵 和 海岸 地 带 、 马 达 加 斯 加 群岛 和 亚 马 孙 河 流 区 域 , 它 们 都 是 世界 上 生物 多 样 性 最 为 丰富 的 地 区 (Mittermeier,1999) , 都 有 着 充足 的 降雨 量 , 植 物种 类 丰富 , 而 且 有 着 许多 本 土 植物 , 其 内 生 菌 资源 就 非常 值得 研究 。 因 此 , 植 物 的 选取 在 获得 和 研究 内 生 菌 的 整个 过 程 中 是 非常 重要 的 一 步 。 3.2 内 生 放 线 菌 的 分 离 方法 内 生 菌 的 研究 中 , 主 要 根据 研究 目的 和 经 验 采 集 植物 的 不 同 部 位 。 植 物 样品 采 集 后 , 修 剪 成 长 短 适宜 的 组 织 块 , 使 用 乙醇 掠 拭 样 品 表面 或 用 无 水 乙醇 短 时 间 (根据 组 织 块 的 大 小 而 定 ) 浸 泡 ,, 灼 烧 , 使 表面 干燥 后 , 放 人 无 菌 塑 料 袋 中 , 封 口 , 并 保存 于 低温 盒 中 带 回 实验 室 。 也 可 以 把 经 乙醇 初步 表面 消毒 后 的 样品 保存 于 磷酸 缓冲 液 中 (Kuklinsky-Sobral et al. ,2005 ) 。 采 样 后 使 用 乙醇 简单 消毒 并 干燥 的 目的 是 为 了 尽 可 能 避免 外 源 微生物 通过 植物 组 织 的 伤口 侵入 到 植物 组 织 62 生态 科学 进展 (BOHR) 部 , 同 时 也 是 为 了 抑制 腐生 菌 生长 。 样 品 接种 前 通常 应 保存 在 4 交 。 尽 量 缩短 从 采样 到 接种 的 时 间 , 可 减少 组 织 表 面 腐生 菌 对 内 生 菌 的 影响 。 内 生 菌 的 分 离 中 , 表 面 消毒 是 一 个 关键 性 的 步 又。 进行 表面 消毒 前 , 样 品 的 清洗 极为 重要 , 样品 表面 残留 的 土壤 等 是 导致 表面 消毒 不 彻底 的 原因 之 一 , 可 使 用 流水 冲洗 和 超声 波 清 洗 。 多 数 研究 人 员 使 用 Tween 20、 无 菌 水 、 乙 醇和 次 氯 酸 钠 进行 表面 消毒 。 乙 醇 的 浓度 在 99% ~70% 之 间 , 而 次 氯 酸 钠 的 有 效 氯 含量 通常 为 10% ~1% 之 间 , 各 人 使 用 的 浓度 有 所 差异 。 而 用 乙醇 和 次 毛 酸 钠 处 理 的 时 间 也 随 使 用 试剂 的 浓度 和 处 理 的 植物 样品 不 同 而 异 。 除 次 毛 酸 钠 外 , 也 可 以 使 用 升 东 和 甲醛 作为 表面 消毒 剂 。 升 汞 是 剧 毒物 质 , 虽 然 杀菌 力 极 强 , 但 对 组 织 有 刺激 性 , 在 常温 下 即 可 蒸发 形成 未 蒸气 , 易 引起 人 慢性 示 中 毒 。 甲 醛 也 为 较 高 毒性 的 物质 , 具 有 强烈 的 致癌 和 促 癌 作用 。 虽 然 次 氯 酸 钠 放出 的 游离 氧 也 可 引起 中 毒 , 但 毒性 相对 升 汞 和 甲醛 较 低 。 此 外 , 也 可 以 使 用 双氧水 和 高 锰 酸 钾 作 为 消毒 剂 (Zhang et al. ,2006 ) 。 表面 消毒 后 的 样品 通常 使 用 无 菌 的 刀 切 成 边 长 约 为 5 mm 的 正方 形 小 块 放 人 培养 基 平板 , 也 可 放 人 无 菌 的 研 钵 或 研磨 仪 中 的 碎 成 糊 状 后 , 涂 于 培养 基 上 。 还 可 把 表面 消毒 后 的 样品 接种 于 相 应 的 液体 培养 基 , 摇 瓶 培养 24 h 后 , 取 培养 液 涂 布 于 平板 上 。 因为 要 验证 分 离 物 是 真正 的 内 生 菌 而 不 是 外 源 菌 的 程序 繁琐 上 且 比较 困难 , 因 此 , 表 面 消 毒 效 果 的 检验 是 一 种 间接 的 检验 方法 , 是 非常 关键 的 步 又。 表面 消毒 效果 的 检查 方法 主要 有 两 类 : 一 类 是 将 表面 消毒 后 最 后 一 遍 清洗 的 无 菌 水 按 0. 1 mL 了 严 涂 布 于 分 离 培养 基 , 或 是 把 表面 消毒 后 的 样品 置 于 培养 基 表 面 擦拭 几 下 后 , 移 走样 品 。28 % 下 培养 2 周 后 观察 , 如 无 菌落 长 出 , 表 明 表 面 消毒 彻底 , 已 消除 了 样品 表面 的 附 生 菌 。 也 可 把 表面 消毒 后 的 样品 置 于 无 菌 水 中 , 振 功 1 min 后 , 取 0.3 mL 悬 液 涂 布 于 分 离 培养 基 上 ,28 % 培养 数 天 后 , 观 察 是 否 有 菌 生 长 。 第 三 类 是 把 内 生 放 线 菌 和 内 生 假 单 孢 菌 的 孢子 悬浮 液 , 经 过 表面 消毒 程序 处 理 后 , 涂 布 于 平 血 , 培 养 一 定时 间 后 , 和 未 经 处 理 的 孢子 悬浮 液 涂 布 的 平 严 比较 , 并 观察 两 类 平 血 上 菌落 的 生长 情况 。 如 经 处 理 的 孢子 悬浮 液 涂 布 的 平 秋 无 菌 生长 , 则 表明 表面 消毒 彻底 。 或 是 把 内 生 放 线 菌 涂 于 经 过 表面 消毒 的 植物 种 子 表面 , 待 干燥 后 , 再 把 种 子 用 无 菌 水 洗涤 后 经 表面 消毒 处 理 , 消 毒 后 的 种 子 置 于 培养 基 表面 滚动 几 下 后 移 走 , 培 养 一 段 时 间 后 , 如 无 菌落 长 出 , 表 明 表 面 消 毒 彻 底 〈Coombs & Franco, 2003 ) 。 在 内 生 放 线 菌 的 分 离 中 , 放 线 菌 的 生长 较为 缓慢 , 通 常 一 到 一 个 半月 的 时 间 在 植物 表面 才 有 菌落 长 出 (Kunoh,2002) , 因 此 要 获得 尽 可 能 多 的 放 线 菌 , 既 要 尽量 抑制 真菌 和 细菌 的 生长 , 同时 又 要 尽 可 能 避免 影响 内 生 放 线 菌 的 生长 。 因 此 样品 的 预 处理 、 选 择 性 分 离 培 养 基 的 设计 和 抑 制剂 的 使 用 都 极为 重要 。 一 些 贫 营养 的 培养 基 和 土壤 放 线 菌 分 离 中 所 使 用 的 部 分 经 典 培养 基 在 内 生 放 线 菌 的 分 离 中 都 取得 了 较 好 的 效果 (Tan et al. , 2006; Taechowisan et al. , 2003; Cao et al. , 2005; Coombs & Franco,2003 ) 。 研 究 也 表明 , 目 前 分 离 得 到 的 内 生 放 线 菌 远 比 植物 组 织 内 实际 存在 的 类 群 少 (Conn & Franco,2004) , 因 此 内 生 菌 分 离 方法 的 进一步 改进 非常 重要 。 4. 植物 内 生 放 线 菌 的 多 样 性 地 球 上 有 近 30 万 种 植物 , 从 寒带 、 温 带 到 亚热带 、 热 带 的 各 个 不 同 的 气候 带 , 从 平原 到 丘 陵 、 高 山 、 湖 泊 等 各 种 不 同 的 地 理 环 境 都 有 植物 分 布 。 因 此 陆 生 高 等 植物 为 微生物 提供 了 一 个 无 论 在 时 间 还 是 空间 上 都 极为 复杂 多 样 的 生态 栖息 地 。 而 植物 的 组 织 类 型 、 植 物 的 来 源 、 年 龄 、 植 物 所 处 的 环境 以 及 季节 等 因素 都 有 可 能 影响 内 生 菌 的 种 群 类 型 、 组 成 及 数量 。 从 人 们 已 研究 的 植 植物 内 生 放 线 菌 研究 进展 63 物 看 , 尚 未 发 现 不 含 内 生 菌 的 植物 , 因 此 推测 地 球 上 每 一 种 植物 中 都 有 一 种 或 多 种 相应 的 内 生 瑚 生活 , 但 迄今 为 止 , 只 有 少数 植物 的 内 生 菌 被 较为 系统 地 研究 过 , 因 此 从 生活 于 不 同 生 境 和 生态 系统 的 大 量 植物 中 发 现 新 的 有 用 内 生 菌 种 的 几率 较 高 。 已 有 的 研究 表明 , 内 生 菌 代表 了 一 个 极为 巨大 而 多 样 的 基因 库 和 微生物 新 物种 的 丰富 来 源 。 过 去 对 内 生 菌 的 研究 主要 集中 在 内 生 真 菌 和 细菌 上 , 而 对 内 生 放 线 菌 则 没有 系统 的 研究 , 仅 有 少数 的 报道 。 最 早 被 发 现 的 内 生 放 线 菌 是 能 在 非 豆 科 植 物 根部 形成 根瘤 并 具有 固氮 能 力 的 弗 兰 克 氏 菌 属 (Fronkiao) 。 对 于 弗兰克 氏 菌 已 经 有 了 较 多 和 深入 的 研究 , 本 文 主 要 介绍 非 弗 兰 殉 氏 菌 内 生 放 线 菌 多 样 性 的 研究 。 植物 内 生 放 线 菌 多 样 性 的 研究 方法 与 其 他 自然 环境 微生物 多 样 性 研究 方法 基本 一 致 , 主 要 分 为 两 大 类 : 其 一 为 传统 研究 方法 , 即 从 植物 样品 中 分 离 获得 微生物 的 纯 培 养 物 , 通 过 对 纯 培 养 物 的 表 型 特征 、 生 理 生 化 特性 以 及 基因 型 特征 进行 分 类 鉴别 , 并 了 解 该 环境 中 微生物 的 分 布 与 特 点 ; 其 二 为 不 依赖 于 培养 的 研究 方法 , 它 不 要 求 纯 培 养 物 的 获得 , 而 是 直接 通过 检测 来 自 植 物 样 品 中 的 生物 大 分 子 , 尤 其 是 DNA 来 研究 植物 中 微生物 的 多 样 性 。 目前 人 们 已 经 从 棉花 、 玉 米 、 水 稻 、 小 麦 、 马 铃 鞋 、 豆 类 和 谷类 等 多 种 草本 和 木 本 植物 中 分 离 到 Streptomyces, Arthrobacter, Cellulomonas, Clavibacter, Corynebacterium, Curtobacterium, Microbac- terium, Micrococcus, Rhodococcus, Brevibacterium 等 属 的 放 线 菌 (Bacon & White, 2000). mH Bl 分 离 到 的 丝 状 内 生 放 线 菌 绝 大 多 数 属 于 链 霉菌 属 。 从 生长 于 泰国 清 迈 的 36 种 植物 中 分 离 到 330 株 内 生 放 线 菌 , 绝 大 多 数 属于 Streptomyces, Microbispora, Nocardia 和 Micromonospora 等 属 (Tae- chowisan et al. ,2003 ) 。 从 生长 于 中 国 的 香蕉 中 分 离 到 131 株 内 生 放 线 菌 , 分 别 属于 Streptomy- ces, Streptoverticillium 和 Streptosporangium (Cao et al. ,2005) 。 从 生长 于 澳大利亚 的 小 麦 中 分 离 到 的 内 生 放 线 菌 分 别 属 于 Streptomyces, Microbispora, Micromonospora 和 Nocardiodes (Coombs & Franco,2003) 。Sardi 等 (1992) 从 28 种 植物 的 根 中 分 离 到 499 RAE THA, 06M 以 上 是 链 霉 菌 , 其 余 分 属于 Streptoverticillium, Nocardia, Micromonospora 和 Streptosporangium, Caruso 等 (2000) 从 生长 于 意大利 的 木 本 和 草本 植物 中 分 离 到 Actinomadura, Actinoplanes, Kitasatospora, Micromonospora, Nocardioforme 和 Streptomyces 这 几 个 属 的 放 线 菌 。 我 们 从 生长 在 云南 西双版纳 热 带 雨 林 中 的 多 种 药 用 植物 中 分 离 到 2700 多 株 内 生 放 线 菌 , 共 分 布 于 23 个 属 中 , 显 示 热 带 雨 林 植 物 内 生 放 线 菌 多 样 性 极其 丰富 , 其 中 链 霉 菌 为 优势 属 , 占 到 87% 以 上 , 这 和 国外 学 者 研究 结果 一 致 。 但 是 可 培养 的 内 生 放 线 菌 的 多 样 性 很 大 程度 上 还 要 取决 于 放 线 菌 的 分 离 方法 。 相对 于 土壤 和 根 际 环境 来 说 , 植 物 内 生 环 境 是 研究 得 较 少 的 新 环境 , 且 内 生 放 线 菌 受 多 种 环 境 因素 的 影响 , 可 能 蕴藏 着 大 量 的 新 物种 。 从 日 本 猫 尾 木 (7Typjha latifotia) +. BUR REE 分 离 到 11 RKRAZABFHMAA, HAAR (Kineosporia) , 除 其 中 一 个 种 为 该 属 仅 有 的 一 个 种 外 , 另 外 四 个 种 均 为 该 属 的 新 种 (Kudo et al. ,1998) 。Yoon 等 (2004) 从 韩国 香瓜 中 分 离 到 两 株 两 面 神 菌 属 的 新 种 。 古 强 等 (2006) 还 从 木 蝴 蝶 植 物 的 根部 分 离 到 一 株 假 诺 卡 氏 菌 属 的 新 种 。 本 课题 组 也 从 西双版纳 热带 雨林 的 药 用 植物 中 分 离 到 糖 霉菌 属 、 假 诺 卡 氏 菌 属 、 微 球 菌 属 和 糖 多 孢 菌 属 的 多 个 新 物种 和 潜在 新 物种 〈 陈 华 红 等 , 未 发 表 资 料 ) 。 近年 来 应 用 不 依赖 于 培养 的 基于 16S rRNA 基因 的 相关 技术 ,证实 了 在 植物 体内 还 存在 大 量 难以 培养 的 放 线 菌 类 群 。Sessitsch 等 (2002) 通过 16S rRNA 基因 测序 、 变 性 梯度 凝 胶 电 泳 (DGGE) 技术 分 析 了 三 种 马 铃 昔 内 生 放 线 菌 的 种 群 多 样 性 , 发 现 马 铃 昔 内 存在 大 量 链 霉 菌 , 并 推测 这 些 链 霉菌 具有 防治 马铃薯 辣 疮 病 的 潜在 性 。Conn 和 Franca (2004) 使 用 16S rRNA-TRFLP 技术 研究 了 来 自 三 种 不 同 土壤 的 小 麦 根 内 生 放 线 菌 (Actinobacteria) 多 样 性 。 发 现 不 同 土壤 类 型 64 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 中 生长 的 小 麦 根 内 生 放 线 菌 多 样 性 是 有 差别 的 , 含 有 较 多 有 机 物 的 土壤 会 导致 小 麦 根 内 生 放 线 菌 _ 多 样 性 提高 , 并 提高 在 植物 体内 定 殖 水 平 。 用 分 子 生 物 学 方法 检测 的 放 线 菌 种 类 也 多 于 传统 的 培 养 方法 。Tian 等 〈2007) 通过 16S rRNA-RFLP 分 析 研 究 了 水 稻 茎 和 根 中 的 内 生 放 线 菌 的 丰 度 与 多 样 性 , 和 纯 培 养 方法 比较 发 现 内 生 放 线 菌 中 链 霉 菌 出 现 频率 最 高 , 为 水 稳 植 株 中 的 优势 放 线 菌 属 。 通 过 不 依赖 于 培养 的 方法 研究 发 现 水 稻 中 内 生 放 线 菌 的 种 类 非常 丰富 , 分 布 于 14 个 属 中 , 远 远 超 过 了 传统 的 分 离 培养 方法 所 能 够 涉及 的 放 线 菌 的 范围 。 这 些 研 究 结 果 表 明 , 基 于 16S rDNA 的 分 析 技 术 克 服 了 传统 的 纯 培 养 方法 的 不 足 , 为 我 们 进一步 客观 地 认识 植物 内 生 放 线 菌 多 样 性 提供 了 有 效 的 手段 , 将 有 助 于 我 们 更 好 地 了 解 植物 内 部 微生物 的 全 貌 , 也 有 助 于 对 植物 与 内 生 微 生物 之 间 相 互 关 系 的 研究 。 5. 植物 内 生 放 线 菌 与 宿主 植物 关系 的 研究 内 生 菌 与 宿主 植物 的 相互 关系 相当 复杂 , 二 者 在 长 期 的 协同 进化 中 具有 了 独特 的 遗传 与 代 谢 , 彼 此 构成 了 稳定 的 生态 关系 。 一 方面 , 植 物 为 内 生 菌 提供 生活 的 营养 需求 。 另 一 方面 , 不 同 的 内 生 菌 又 可 能 通过 一 定 机 制 影响 宿主 植物 的 次 生 代 谢 , 促 使 宿主 植物 产生 新 的 次 生 代谢 产物 或 , 增强 产生 某 些 次 生 代 谢 产 物 的 能 力 , 而 且 还 影响 植物 的 物质 代谢 、 调 节 生 理 活 性 物质 《生物 碱 、 WAS) 的 产生 , 从 而 改变 植物 的 生理 特性 , 使 宿主 植物 获得 生理 上 的 优势 , 从 而 更 有 利于 适 应 环境 。 很 多 植物 内 生 菌 还 可 帮助 宿主 获得 更 多 营养 , 并 提高 宿主 对 草食 动物 和 寄生 虫 等 的 抵抗 力 及 对 干旱 等 不 良 环境 因素 的 适应 力 。 影 响 二 者 相互 关系 的 因素 较 多 , 宿 主 植物 本 身受 气候 、 土 壤 等 外 界 的 生物 与 非 生物 的 因素 影响 , 内 生 菌 也 受到 植物 类 型 、 生 理 状 态 、 土 壤 等 多 种 因素 的 影 , 响 , 其 生理 状态 可 在 互生 、 共 生 , 独 立 生活 和 植物 病原 菌 之 间 变 化 , 营 养 方式 也 会 在 寄生 、 临 时 性 或 兼 性 的 腐生 间 转 变 。 总 之 , 植 物 与 内 生 菌 二 者 的 关系 呈 复 杂 多 变 的 状态 。 5.1 内 生 放 线 菌 对 宿主 植物 的 侵 染 与 定 殖 虽然 Rosenblueth 和 Martinez-Romero (2006) 强调 了 真正 的 内 生 菌 要 有 内 生 菌 在 植物 体内 征 殖 的 直接 证 据 , 到 目前 为 止 , 对 于 放 线 菌 在 植物 体内 定 殖 研究 的 报道 还 不 多 。 扫 描 电 镜 和 绿色 欧 HEA (GFP) 标记 系统 的 出 现 对 内 生 菌 在 植物 体内 的 定 殖 研究 提供 了 有 力 的 工具 , 另 外 , 免 疫 学 检测 和 设计 特定 的 朝 核 苷 探 针 也 可 以 用 来 研究 内 生 菌 在 植物 体内 的 定 殖 (Hartmann et al. , 2000) 。 该 研究 不 但 可 以 发 现 内 生 菌 在 植物 不 同 发 育 时 期 植物 体内 定 殖 的 部 位 , 而 且 可 以 知道 内 生 菌 对 宿主 植物 以 及 植物 特定 部 位 的 选择 是 否 存在 一 定 的 专 一 性 。 目前 放 线 菌 在 植物 体内 定 殖 的 研究 国内 还 很 少 , 主 要 是 真菌 和 细菌 , 中 国 农业 大 学 曾 对 棉花 内 生 链 霉菌 进行 探索 研究 过 , 用 扫描 电镜 照片 证 实 了 在 棉花 根 皮层 中 存在 内 生 链 霉菌 〈 刘 淑 芬 , 1996 ) 。 同 样 用 扫描 电镜 还 观察 到 内 生 放 线 菌 在 水 稻 植 株 体 内 的 定 殖 ( 田 新 莉 等 ,2004) 。 国 外 的 研究 报道 多 一 些 ,Coombs 和 Franco (2003) 用 GFP 标记 了 一 株 从 小 麦 中 分 离 到 的 链 霉菌 EN27 , 通 过 荧光 显微镜 每 24 小 时 观测 其 在 小 麦 种 子 中 的 定 殖 情况 (图 1)。 他 们 发 现 随 着 时 间 的 推移 , 被 标记 的 内 生 菌 能 在 发 芽 的 小 麦 种 子 的 胚芽 、 胚 乳 以 及 刚 生 出 的 幼 根 中 被 观测 到 , 证 明 了 内 生 菌 在 植物 发 育 的 早期 就 能 定 殖 在 植物 体内 , 而 且 定 殖 后 的 内 生 菌 在 植物 体内 并 非 静 止 , 而 是 能 在 植物 体内 不 同 部 位 移动 。Okazaki (2003) 通过 光学 显微镜 和 扫描 电镜 直接 观测 到 了 植物 表皮 细胞 上 出 现 的 内 生 小 双 孢 菌 的 孢 赛 。Minamiyama 等 (2003) 通过 扫描 电镜 证 明 Streptomyces — galbus 在 杜 鹏 花 组 培 幼苗 培养 基 表 面 大 量 分 布 , 在 植物 叶 表 有 菌 丝 生 长 , 然 后 通过 气孔 进入 叶 内 , 部 大 量 繁殖 。Suzuki 等 (2005) 又 研究 了 Streptomyces galbus 侵 染 杜 鹏 花 组 培 幼苗 叶 的 方式 , 证 植物 内 生 放 线 菌 研究 进展 65 实 了 菌 丝 侵 染 宿主 植物 是 通过 气孔 开口 而 不 是 其 他 地 方 。 研 究 发 现 , 在 植物 叶 内 部 生长 的 菌 丝 分 布 在 细胞 间隙 中 而 不 是 植物 表皮 和 叶肉 细胞 内 。 更 为 有 趣 的 是 , 通 过 扫描 电镜 观察 还 发 现 大 量 的 菌 丝 从 侵 染 到 定 殖 与 密集 而 黏液 状 的 物质 有 关 , 而 单个 菌 丝 没 有 这 种 现象 , 推 测 这 些 物质 是 大 量 菌 丝 从 气孔 开口 处 侵 当 , 黏 着 到 植物 细胞 表面 以 及 进入 植物 细胞 间隙 所 必需 的 。 这 个 有 意思 的 发 现 不 禁 让 我 们 想 知道 这 种 物质 是 如 何 形成 的 , 是 什么 引发 其 形成 。 内 生 放 线 菌 侵 染 定 殖 和 宿主 植物 的 过 程 还 有 待 于 深入 研究 。 1 GFP 标记 的 内 生 链 霉菌 EN27 在 小 麦 胚乳 种 子 中 的 定 殖 (Coombs & Franco,2003 ) Fig.1 | Microcolonies of Streptomyces sp. strain EN27 expressing GFP in the endosperm of wheat 5.2 内 生 放 线 菌 对 宿主 植物 生长 发 育 的 影响 内 生 放 线 菌 对 植物 生长 发 育 的 影响 更 多 的 是 促进 作用 , 促 进 植物 生长 发 育 主要 表现 在 以 下 几 方面 : 一 方面 , 内 生 放 线 菌 影响 植物 体内 的 物质 代谢 , 提 高 植物 对 碳 、 所 等 资源 的 利用 效率 ; 另 一 方面 , 内 生 放 线 菌 可 以 产生 生长 素 等 激素 类 物质 , 对 于 植株 株 高 、 干 重 、 根 荃 重 量 的 提高 以 及 植株 生长 势 的 增强 等 均 有 明显 的 促进 作用 。 分 离 自 Pieridium aquilinum 的 植物 内 生 菌 Streptomyces hygroscopicus TP-A045 可 产生 作用 与 匣 壮 素 类 似 的 pteridic acids A 和 B, 可 促进 植物 生长 (Iga- rashi et al. ,2002 ) 。 从 野生 杜 骼 中 分 离 到 的 Streptomyces sp. MBR-52 可 分 沁 某 种 促进 生长 的 激素 , 可 促进 组 培 幼 苗 生根 ,缩短 其 环境 适应 期 , 减 少 组 培 幼苗 感染 疾病 的 风险 〈(Igarashi et al. , 2006 ) 。 研究 发 现 , 某 些 内 生 放 线 菌 对 植物 生长 还 有 抑制 作用 。 有 些 内 生 放 线 菌 可 以 侵入 蔷 葵 科 植 物 的 根 毛 , 并 破坏 皮层 组 织 , 引 发 根 毛 死亡 , 这 种 侵害 被 认为 是 引发 蔷 蕉 科 植物 某 些 种 根部 病害 的 WA (Otto & Winkler,1998 ) 。 从 植物 狗 筋 草 中 分 离 到 的 一 株 指 孢 囊 菌 属 的 内 生 放 线 菌 SANK 61299, 可 以 产生 streptol 和 两 种 植物 生长 抑制 剂 , 对 植物 莞 根 的 萌发 有 抑制 作用 (0Okazaki, 2003 ) 。Furumai 等 (2003) 和 Igarashi 等 (2003) 从 分 离 自 档 叶 树 根 部 的 放 线 菌 Streptomyces jygroscopicws 的 发 酵 液 中 分 离 到 一 个 新 的 植物 花粉 管 生 长 抑制 剂 clethramycin , 通 过 对 日 本 梨 树 的 栽培 试验 发 现 ,clethramycin 抑制 花粉 管 生 长 , 其 抑制 机 理 与 激酶 抑制 剂 staurosporine 类 似 , 对 控 制 花粉 萌发 的 MAP 激酶 具有 抑制 作用 。 5.3 提高 宿主 植物 对 生物 胁迫 或 非 生 物 胁迫 的 抵抗 力 生物 胁迫 的 抗 性 主要 包括 阻 抑 昆 贝 和 食 草 动物 的 采 食 、 抵 抗 病虫害 等 , 非 生物 胁迫 的 抗 性 主 要 包括 干旱 和 高 温 耐 性 。 内 生 放 线 菌 生活 在 植物 体内 部 , 一 方面 从 宿主 植物 得 到 需求 的 营养 和 保 护 , 另 一 方面 自身 可 以 产生 抗生素 和 水 解 酶 , 保 护 宿主 植物 免 受 病虫害 的 影响 , 提 高 植物 对 生物 胁迫 的 抵抗 力 。Igarashi 等 (2002) 从 多 种 植物 的 根 、 葵 、 叶 部 位 分 离 得 到 398 株 内 生 放 线 菌 , 66 生态 科学 进展 (BOK) 发 现 近 20% 的 菌株 发 酵 液 提 取 物 对 植物 病原 真菌 和 细菌 有 抑制 作用 。 从 一 株 野 生 的 烈 香 杜 鹏 中 分 离 到 的 链 霉 菌 R-3 , 可 产生 actinomycin X2 和 fungichromin 两 种 抗生素 , 对 杜 鹏 花 属 植物 的 两 种 主要 的 病原 真菌 Phytophtihora cinnamomi 和 Pestalotiopsis sydowiana 具有 抑制 性 , 对 革 兰 氏 阳 性 细 菌 、 酵 母 菌 和 丝 状 真菌 也 具有 广泛 的 抗菌 性 (Shimizu et al. ,2000; Shimizu et al. , 2004), 内 生 放 线 菌 还 可 提高 植物 的 抗 逆 性 。 从 植物 Pteridium aquilinum 中 分 离 的 内 生 链 霉菌 Sirepto- myces padanus AOK-30 感染 的 山 月 桂 组 培 幼 苗 , 细 胞 渗透 压 增 加 , 对 于 旱 的 耐 受 性 明显 提高 (Hasegawa et al. ,2004) 。 内 生 放 线 菌 S. padanus 可 使 山 月 桂 组 培 幼苗 获得 对 高 盐 浓度 的 耐 受 性 (Meguro et al. ,2006 ) 。 5.4 ”植物 - 内 生 放 线 菌 的 分 子 水 平 相互 作用 植物 与 内 生 菌 相互 关系 分 子 水 平 的 研究 是 个 诱 人 的 领域 , 美 国 植物 病理 学 会 1987 年 专门 创 刊 了 植物 与 微生物 相互 作用 研究 领域 的 杂志 Molecular Plant-Microbe Interactions (MPMI) , 每 年 都 发 表 大 量 这 方面 的 文章 , 相 对 于 非 内 生 菌 和 植物 间 相 互 作 用 分 子 机 制 的 研究 , 目 前 对 内 生 菌 和 宿 主 植物 间 分 子 相互 作 用 的 研究 还 很 少 , 仅 有 的 报道 也 是 内 生 细 菌 和 真菌 的 研究 。 植物 内 生 菌 侵入 宿主 植物 后 , 在 植物 体内 定 殖 , 在 特定 的 环境 和 生理 条 件 下 , 促 使 植物 细胞 , 相关 次 生 代谢 基因 的 表达 , 尤 其 是 植物 抗 着 有关 的 基因 , 增 强 这 些 基因 表达 的 速度 和 强度 , 进 而 改变 细胞 相关 酶 的 活力 , 增 强 植物 对 外 界 胁迫 的 抵抗 能 力 。de Matos Nogueira 等 (2001) 报道 了 甘蔗 植物 在 固氮 内 生 细 菌 一 一 重 氮 营 养 葡 糖 酸 酷 杆菌 〈Cluconacetopacter diazotrophicus) #12. %A 草 螺 菌 ( Herbaspirillum rubrisubalbicans) 定 殖 后 的 基因 表达 情况 , 通 过 差异 显示 技术 , 对 植物 cDNA 序列 的 分 析 发 现 植物 在 内 生 菌 定 殖 后 发 生 与 氮 源 吸收 、 碳 代谢 、 植 物 生长 以 及 植物 对 胁 追 防御 的 相关 基因 的 特异 性 表达 。Bailey 等 (2006) 研究 了 可 可 树 幼 苗 在 具有 生 防 作用 的 几 株 木 霉 “ 在 体内 定 殖 后 植物 以 及 内 生 真 菌 相关 基 因 的 特异 性 表达 情况 , 通 过 差异 显示 技术 对 获得 的 ESTs 序列 的 分 析 发 现 宿 主 植物 一 些 对 环境 胁迫 的 相关 基因 得 到 了 表达 , 而 内 生 真 菌 在 共生 状态 下 也 有 多 种 水 解 酶 和 氧化 酶 相关 的 基因 表达 , 通 过 定量 PCR 还 对 相关 的 ESTs 序列 进行 了 表达 量 上 的 差 异 分 析 。 目 前 还 没有 内 生 放 线 菌 这 方面 的 研究 报道 , 但 通过 差异 显示 分 析 相 关 基 因 的 表达 策略 同 样 适合 于 内 生 放 线 菌 定 殖 后 宿主 植物 基因 表达 的 研究 。 另 外 , 基 因 芯 片 技术 为 大 量 分 析 基 因 特 异 性 表达 提供 了 便利 , 通 过 该 技术 对 一 株 具 有 促进 植物 生长 作用 的 内 生 获 光 假 单 孢 菌 FPT9601-TS 在 宿主 植物 鼠 耳 芥 中 的 定 殖 研 究 后 发 现 , 与 对 照 植 物 相 比 有 95 个 和 105 个 基因 的 表达 量 明 显 增 加 和 下 降 (Wang et al. ,2005 ) 。 内 生 菌 为 了 进入 植物 组 织 内 定 殖 并 且 生 存 , 同 时 和 一 些 病 原 菌 竞争 , 也 会 发 生 相 关 基 因 的 表 达 , 产 生 某 些 特定 的 物质 , 在 这 一 过 程 中 也 会 有 相关 基因 的 特异 性 表达 。 然 而 由 于 研究 方法 的 限 制 , 这 方面 的 工作 现在 几乎 没有 。 研 究 不 同 生 境 下 基因 表达 的 体内 表达 技术 (IVET) ( Rediers et al., 2005) 或 许可 以 用 在 内 生 菌 在 宿主 植物 内 定 殖 基因 表达 的 研究 上 。 目 前 , 随 着 越 来 越 多 的 , 微生物 全 基因 组 测序 的 完成 , 将 对 今后 更 深入 地 认识 内 生 菌 与 宿主 植物 的 分 子 相 互 作 用 提供 巨大 , 的 帮助 。 大 量 的 研究 工作 表明 , 细 菌 之 间 普 遍 存在 着 信息 的 相互 交流 , 即 “和 群体 感应 系统 (quorum sensing,QS)”。 细 菌 可 以 根据 特定 信号 分 子 的 浓度 来 检测 周围 环境 中 自身 或 其 他 细菌 的 数量 的 变化 , 并 启动 相关 基因 的 表达 来 适应 环境 的 各 种 变化 (Swift et al. ,1996) 。 细 菌 的 QS 系统 可 以 调节 一 些 植物 病原 细菌 的 生理 功能 , 包 括 产 生 抗生素 、 毒 力 因子 以 及 降解 植物 细胞 壁 的 水 解 酶 等 (Von Bodman et al. ,2003 ) 。 然 而 植物 也 能 感受 到 细菌 的 OS 系统 信号 分 子 , 并 且 可 以 控制 调节 细菌 的 反应 行为 (Bauer & Mathesius,2004) 。 目 前 发 现 一 些 真菌 中 也 存在 着 群体 感应 系统 ( 全 植物 内 生 放 线 菌 研究 进展 67 曼 等 ,2007) 。 因 此 , 植 物 内 生 菌 在 宿主 植物 体内 是 否 也 会 产生 QS 信和 号 分 子 ? 内 生 菌 之 间 以 及 内 生 菌 和 植物 间 通 过 信号 分 子 是 如 何 进行 交流 的 呢 ? 植物 向 土壤 中 分 泌 的 化 学 物质 能 诱导 微生物 发 生 特 定 的 行为 并 产生 QS 信号 分 子 , 而 微生物 受 植物 影响 后 也 会 对 植物 产生 信 息 反馈 作用 (Bais et ac!. ,2004) , 通 常 内 生 菌 可 能 来 源 于 植物 根 际 , 因 此 植物 内 生 菌 之 间 可 能 会 和 一 些 已 经 知道 的 病原 细菌 产生 相同 的 信号 分 子 , 并 和 宿主 植物 进行 交流 。 就 放 线 菌 而 言 , 目 前 发 现 的 QS 信号 分 子 还 不 多 , 植 物 结合 的 链 霉 菌 之 间 的 QS 信号 分 子 gamma-bu- tyrolactones 在 调节 链 霉菌 和 植物 相互 交流 中 发 挥 了 作用 (Danhorn & Fuqua,2007 ) 。 植 物体 内 分 离 到 的 大 量 占 优势 地 位 的 链 霉 菌 是 否 也 通过 此 QS 信和 号 分 子 彼 此 并 与 宿主 植物 交流 还 有 待 深入 研究 。 6. 植物 内 生 放 线 菌 的 应 用 在 植物 与 内 生 菌 长 期 的 协同 进化 中 , 内 生 菌 的 遗传 与 代谢 都 由 于 与 植物 的 相互 作用 而 与 外 界 环境 微生物 不 同 。 由 于 植物 与 内 生 菌 间 相 互 基因 交换 的 结果 (Germaine et al. ,2004) , 使 内 生 菌 具有 产生 某 些 与 宿主 植物 相同 或 相似 化 合 物 的 能 力 。 因 此 内 生 菌 在 医药 、 农 业 、 林 业 、 化 工 等 行 业 具 有 广泛 的 应 用 前 景 〈 见 图 2) 。 6.1 在 医药 生产 中 的 应 用 植物 内 生 菌 是 生物 活性 物质 的 一 个 重要 来 源 , 如 从 某 些 具 抗 癌 作 用 的 植物 中 分 离 出 的 一 些 内 生 菌 能 代谢 具有 抗 肿 瘤 活性 的 物质 , 最 典型 的 例子 就 是 从 红豆 杉 中 分 离 出 能 产生 紫杉醇 〈taxol) 的 内 生 菌 。 其 他 学 者 也 从 一 些 植物 中 分 离 到 多 种 内 生 菌 能 产生 具有 不 同 作用 机 理 的 抗 癌 新 物质 。 植物 内 生 菌 还 能 产生 多 种 具有 不 同 抗菌 活性 的 物质 , 对 植物 、 动 物 和 人 病原 菌 有 抑制 活性 。 内 生 菌 产生 的 抗生素 类 物质 抗菌 效果 更 高 (Li et ol. ,2001) 。 为 此 , 内 生 菌 成 为 寻找 新 的 生物 活性 物 质 的 重要 来 源 。 先 前 的 研究 主要 集中 在 内 生 真菌 上 , 目 前 对 内 生 放 线 菌 的 研究 也 取得 了 一 十 进展 。 现 已 发 现 内 生 放 线 菌 可 产生 多 种 具有 抗 病毒 、 抗 菌 活性 的 新 抗生素 。 最 早 被 发 现 的 内 生 链 霉 菌 分 离 自 Zojim perenne , 能 产生 具有 弱 抗 性 的 甲 基 白 诺 氏 菌 素 (methylalbonoursin) (Guerny & Mantle,2004) 。 从 生长 于 德国 耶 拿 的 4nzus glutinosa 中 分 离 到 一 株 链 霉菌 (DSM 11575) 可 产生 一 种 新 的 蔡 醒 抗生素 alnumycin, 对 革 兰 氏 阳 性 菌 具 有 抑制 性 , 而 对 革 兰 氏 阴 性 菌 没 有 活性 (Bieber et al. , 1998), Pullen 等 (2002) 从 卫 矛 中 分 离 到 一 株 链 霉菌 ( Streptomyces sampsonii ) 能 产生 一 种 新 抗生素 , 对 一 系列 抗 药性 细菌 和 分 枝 杆 菌 有 很 强 的 抑制 作用 。Castillo (2002) 从 生长 在 澳大利亚 北部 的 药 用 植物 蛇 功 植株 中 分 离 到 的 一 株 内 生 菌 Streptomyces NRRL30562 产生 的 缩 氨 酸 物质 munumbicins A,B,C,D 对 葡萄 球菌 的 青霉素 抗 药 菌株 有 抑制 作用 , 对 能 抗 多 种 药物 的 分 枝 结核 杆菌 抗 药 菌株 和 引起 人 类 闪 疾 的 洗 原虫 也 有 抑制 作用 , 具 有 较 高 的 应 用 前 景 。 从 生长 于 澳大利亚 北部 的 一 株 蕨 叶 银 桦 属 植物 Grevillea pteridifolia 中 分 离 到 一 株 内 生 链 霉菌 NRRL 30566 , 可 产生 一 种 新 抗生素 kakadumycins A, 对 革 兰 氏 阳 性 菌 具有 广泛 的 抗菌 性 , 对 引起 闪 疾 的 疙 原虫 也 具有 抗 性 , 可 抑制 RNA 的 合成 。 其 作用 与 棘 霉 素 相 似 , 但 其 活性 比 之 更 强 (Castillo et al. ,2003 ) 。 从 生长 于 秘鲁 的 道 莱 蕉 中 分 离 到 一 株 链 霉菌 , 可 产生 新 的 多 肽 类 抗生素 corona- mycin, 对 真菌 Pyihiaceous、 人 类 病原 真菌 Cryptococcus neoformans 和 痊 原 虫 Plasmodium falciparum 具有 抑制 性 (Ezra et al. ,2004 ) 。Taechowisan 等 (2005) 从 一 种 姜 科 植物 根 中 分 离 到 的 内 生 链 % i CMUAc130 中 分 离 的 活性 化 合 物 显 示 了 很 强 的 抑制 病原 真菌 作用 , 对 引起 香 共 植 物 谈 冶 病 68 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 和 小 麦 植物 枯萎 病 的 病原 真菌 刺 盘 孢 和 尖 久 孢 菌 都 有 很 好 的 抑制 作用 。 云 南美 登 木 共 生 放 线 菌 菌 株 可 产生 具有 抗菌 活性 的 葵 丙 素 类 化 合 物 (和 鲁 春 华 和 沈 月 毛 ,2005 ) 。 从 欧洲 赤松 中 分 离 到 的 内 生 菌 约 有 25% 对 金黄 色 葡 萄 球菌 具有 抑 菌 活性 (Sheridan, 2006) 。 内 生 放 线 菌 还 可 产生 多 种 具有 细胞 毒性 的 抗 肿瘤 化 合 物 。 沈 月 毛 等 (2000) 从 云南 美 登 末 和 滑 桃 中 分 离 到 一 些 内 生 放 线 菌 , 并 对 其 进行 了 次 生 代 谢 产物 的 研究 , 其 中 一 些 菌株 可 产生 新 的 抗生素 和 抗 肿瘤 化 合 物 。 云 南美 登 木 的 内 生 菌 Streptomyces sp. CS 可 产生 具有 抗 肿瘤 、 抗 白血病 和 抗生素 活性 的 新 多 羟基 环 已 烷 衍 生物 (和 鲁 春 华 等 ,2004 ) 。 一 株 内 生 的 Streptomyces laceyi MS53 可 产生 对 人 乳癌 细胞 具有 细胞 毒性 的 salaceyins A 和 B (Kim et al ,2006)。 内 生 的 Streptomyces — hygroscopicus TP-A0451 可 产生 对 多 种 人 类 肿瘤 细胞 具有 细胞 毒性 的 pterocidin (Igarashi et al. , 2006 ) 。 从 一 株 内 生 小 单 抱 菌 新 种 中 分 离 到 的 两 个 新 的 草 柄 类 化 合 物 lupinacidins A Al B, XH AA 胞 26 -L5 具有 抑制 作用 而 对 植物 细胞 没有 毒害 (Igarashi et al. ,2007 ) 。 内 生 放 线 菌 还 应 用 于 中 草药 的 生产 。 特异 性 的 植物 内 生 放 线 苗 促进 中 药 内 有 效 成 分 的 生成 或 积累 , 并 可 促进 药 用 植物 的 生长 , 提 高 其 对 干旱 、 高 温 等 生物 胁迫 的 抵抗 力 和 对 病虫害 的 抗 性 , 避免 被 食 草 动物 采 食 (RR= AMBRE, 2007). 6.2 在 农林 业 中 的 应 用 出 于 环境 保护 的 考虑 , 近 年 来 在 农林 业 生 产 中 , 已 逐步 减少 对 许多 合成 农药 的 使 用 , 使 用 微 生物 来 控制 农林 业 害 虫 和 病原 体 , 提 高 经 济 作物 的 抗 逆 性 是 一 种 较为 安全 有 效 的 方法 。 同 时 , 新 天 然 产物 和 新 物种 的 不 断 发 现 也 为 新 的 更 为 安全 的 农用 化 学 品 的 开发 提供 了 更 多 机 会 。 内 生 放 线 菌 可 通过 产生 抗 真菌 代谢 物 和 几 丁 质 酶 等 裂解 酶 来 抑制 土壤 来 源 的 植物 病原 微生物 的 生长 , 并 可 通过 产生 植物 生长 调节 剂 促 进 植物 的 生长 (El-Tarabilya & Sivasithamparam ,2006 ) 。 一 些 农 作物 内 生 菌 可 产生 抗生素 并 促进 宿主 的 防御 体系 发 挥 作用 。 研 究 表明 , 内 生 菌 产生 的 抗菌 剂 、 杀 虫 剂 和 植物 生长 调节 剂 可 有 效 地 防治 宿主 病害 , 提 高 植物 产品 的 产量 和 品质 , 在 生物 防治 上 发 挥 重要 的 作用 。 而 与 通常 使 用 根 际 微 生物 进行 植物 病害 生物 防治 相 比 , 内 生 放 线 菌 由 于 定居 在 植物 体 内 , 避 免 了 同根 际 众 多 微生物 的 竞争 , 更 具有 竞争 优势 。 Matsuura (1998) 从 生长 于 巴西 热带 地 区 的 克 豆 中 分 离 到 31 株 、5 个 属 的 内 生 放 线 菌 ,20% 的 菌株 对 病原 细菌 有 抑制 作用 。Araujo 等 从 生长 在 巴西 北部 的 玉米 叶 和 根 中 分 离 到 53 株 内 生 放 线 菌 , 活 性 筛选 显示 有 近 43% 的 菌株 对 病原 细菌 和 酵母 有 抑制 作用 。 从 山 月 桂 中 分 离 到 的 内 生 放 线 菌 Streptomyces sp. AOK - 30 对 杜 鹏 花 科 植物 的 各 种 病原 真菌 和 酵母 菌 具 有 较为 广泛 的 抑制 活 性 , 且 可 使 组 培 幼苗 抵抗 盘 多 毛 孢 属 病 而 不 引起 任何 消极 反应 (Nishimura et al. ,2002) 。 从 生 长 于 泰国 清 迈 的 植物 中 分 离 到 的 Streptomyces sp. , 有 3 株 对 Colletotrichum musae 有 很 强 的 抑制 性 , 有 5 株 对 Fusarium oxysporum 有 较 强 的 抑制 性 , 有 两 株 对 两 种 植物 病原 菌 均 有 较 强 的 抗 性 ( Tae- chowisan et al. ,2005 ) Coombs 等 (2004) 从 小 麦 中 分 离 到 38 株 内 生 放 线 菌 , 分 别 属于 Strepto- myces, Microbispora, Micromonospora, , 和 Nocardioides , 其 中 大 部 分 对 小 麦 病原 菌 Gaeumanriomycek graminis var. tritici 表现 出 抑制 活性 。 从 生长 于 墨西哥 的 Casuarina equisetifolia 的 根 中 分 离 到 一 Thermomonosporaceae 和 一 个 Micromonosporaceae ff Atk, AN{A A] WF ZR A OO, oh A 能 具有 固氮 活性 (Valdés et al. ,2005 ) .从 南美 巴 塔 哥 尼 亚 地 区 假山 毛 样 等 植物 中 分 离 到 6 株 链 霉菌 〈(C1 - C4) , 对 马铃薯 疫 霉 绯 腐 病 菌 、 核 盘 菌 、 香 蕉 黑 条 叶 斑 病菌 等 多 种 植物 病原 真菌 均 有 明显 的 抑制 作用 (Castillo et al. ,2007) 。 田 新 莉 等 (2004) 对 水 稻 内 生 放 线 菌 进行 了 研究 , 发 现 分 离 到 的 内 生 放 线 菌 有 50% 对 水 稻 的 某 些 病原 菌 具 有 持 抗 活性 。Cao 等 (2005) 从 香蕉 根部 分 离 到 的 一 株 Streptomyces sp. S96 HMR DUERMO RAR AMS, RMR. ——7x—___a__ewegeoQn“nm eae 植物 内 生 放 线 菌 研究 进展 69 | 俊明 等 (2007) 从 健康 番茄 植株 体内 分 离 到 一 株 编号 为 ts - 6 的 放 线 菌 , 该 菌株 对 番茄 灰 霉 病 A. PRR. MAW SAA RANTLE A. 一 些 内 生 放 线 菌 产生 的 具有 独特 生物 活性 的 物质 , 可 应 用 于 生物 环保 、 食 品 等 方面 。Stam- ford (2002) 从 薯 蒜 块茎 中 分 离 到 的 内 生 菌 Nocardiopsis sp 可 产生 具 耐 热 性 的 w -淀粉 酶 , 从 玉米 叶 中 分 离 到 的 一 株 内 生 放 线 菌 Strptosporangium sp. 产生 的 葡萄 糖 演 粉 酶 在 70 忌 表 现 出 100% 酶 活 。 研 究 发 现 , 内 生 菌 可 使 宿主 植物 彻底 降解 甲 茶 , 从 而 减少 对 环境 的 危害 (Barac et al. ,2004) 〈 图 2) 。 ANS SS 抗生素 、 抗 病毒 、 抗 癌 、| | 植物 生长 OF #0), SER. — 杀 虫 、 抗 氧化 类 活性 产物 | | 促进 / 制 激 ae een I aN : Ea _- SUR. (50 mem. mi ‘a momar ’ = OA ara 可 培养 及 不 可 培养 菌株 图 2 不 同 内 生 菌 相互 作用 及 其 应 用 研究 示意 图 (Ryan et al. ,2008 ) Fig. 2 Schematic diagram of different endophytes interactions and their applications he - me" } ‘ igs ws d ent! 7 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 77 ~92 基因 表达 谱 和 基 因 心 片 在 生态 毒 理 学 中 的 应 用 与 生态 毒 理 基因 组 学 研究 进展 刘 立 娜 RAB” (云南 大 学 生命 科学 学 院 暨 云南 生物 资源 保护 与 利用 国家 重点 实验 室 培 育 基 地 , 昆 明 650091) Advances in Applications of Gene Expression Profiling and Microarrays in Ecotoxicology and Ecotoxicogenomics Liu Li-na Duan Chang-qun * ( Laboratory for Conservation and Utilization of Bio-Resource & School of Life Science, Yunnan University, Kunming 650091, China) fi 要 基因 表达 谱 方 法 通过 分 析 生 物体 内 基因 表达 格局 的 变化 , 可 以 在 分 子 水 平 上 认识 生 物 适 应 环境 的 过 程 和 机 理 , 基 因 芯 片 技术 的 应 用 则 提供 了 更 加 全 面 和 准确 的 基因 表达 谱 的 数据 结 果 。 作 为 研究 有 毒物 质 作 用 的 生态 机 制 、 生 物 适 应 污染 环境 的 对 策 及 响应 动态 的 生态 毒 理学 , 基 因 表 达 谱 和 基因 芯片 技术 的 应 用 将 能 更 加 纵深 地 提高 有 关 生 物 应 对 污染 环境 的 生态 机 制 的 认识 和 本 解 。 本 文 述评 了 基因 表达 谱 及 其 研究 方法 〈 差 异 显示 技术 、 代 表 性 示 差 分 析 、 抑 制 性 消减 杂 交 、 表 达 序 列 标签 、 基 因 表 达 连 续 分 析 ) 的 原理 、 优 缺点 及 应 用 ; 基因 芯片 和 应 用 操作 ; 以 及 生态 毒 理学 中 用 基因 芯片 技术 的 基因 表达 谱 在 生物 对 污染 胁迫 的 分 子 生 态 响 应 机 制 , 污 染 物 的 作 用 方式 , 发 现 关键 功能 基因 等 方面 的 近期 重要 资料 数据 ; 对 生态 毒 理 基 因 组 学 的 提出 和 发 展 进行 总 结 , 并 对 这 种 技术 发 展 动态 进行 了 展望 。 关键 词 ”基因 表达 ; 基因 芯片 ; 环境 污染 ; 分 子 生 态 响 应 机 制 ; 生态 毒 理 基 因 组 学 Abstract Gene expression profiling may provide us with a better understanding of the processes and mechanisms about organisms’responses to environmental contaminations at the molecular level by analy- zing changes of the gene expression pattern. Ecotoxicology studies the ecological mechanisms of toxicolo- 基金 项 目 : 国家 自然 科学 基金 项 目 (30760049, 30640022), fl a 973 项 目 (2003CB14510305), AA MH 世纪 优秀 人 才 支持 计划 (NTET-4-0914) 及 高 等 学 校 博士 学 科 点 专项 科研 基金 (20040673002) 资助 。 * “通讯 作者 : chqduan@ ynu. edu. cn 78 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) gy, the ecological strategies and the dynamic responses of organisms adaptation to environmental contami- nations. The applications of gene expression profiling and gene chips in ecotoxicology will help compre- hend deeply the ecological mechanisms about organisms’ responses to environmental contaminations. We review the usefulness of gene expression profiling and the principle, advantages and current limitations of the technologies that include mRNA differential display-PCR, cDNA-representational difference analysis, suppressive subtractive hybridization PCR, expressed sequence tags and serial analysis of gene expres- sion. Further more, we introduce importantly the operations of gene chips and analyze the recently vital applications in several ways, for example the molecular ecological responses of organisms to pollutions, the discovery of the specifically functional genes, and the improvement of exotoxicogenomics. Finally, the problems of this technology are discussed and the development is prospected in this paper. Key words gene expression; microarrays; environmental pollution stress; molecular ecological response mechanism; ecotoxicogenomics 基因 组 学 和 和 蛋白质 组 学 的 发 展 , 使 人 们 对 生命 活动 的 微观 过 程 有 了 全 新 和 全 景 式 的 认识 。 其 , 中 人 类 更 关注 的 是 蛋白 质 的 合成 , 以 及 相关 过 程 中 基因 表达 模式 的 适应 性 调整 问题 ( Sonenberg, 2002) 。 而 目前 生态 毒 理 学 家 需要 解决 的 主要 问题 就 是 认识 有 毒物 质 在 生物 体 中 的 作用 机 制 , 探 讨 生 物 对 有 害 物 质 的 响应 途径 。 基 因 组 学 的 研究 告诉 我 们 , 基 因 表 达 模 式 的 适应 性 调整 是 生物 各 种 响应 的 基础 。 基 因 表 达 谱 提供 了 污染 条 件 下 生化 响应 途径 以 及 基因 表达 量 增 加 的 信息 , 阐 明了 生物 的 代谢 调控 网 络 系统 和 生物 对 生物 、 非 生物 胁迫 反应 的 信号 转 导 途径 , 并 从 中 揭示 有 毒物 质 可 能 的 作用 机 制 (Snell et al. ,2003 ) 。 随 着 基因 组 学 的 发 展 , 基 因 芯 片 技术 应 运 而 生 。 应 用 表 达 芯 片 技术 获得 的 基因 表达 谱 结果 更 加 精确 , 而 且 具 有 高 通 量 , 灵 敏 度 高 , 快 速 , 使 用 实验 材料 少 , 相 对 节省 实验 经 费 的 优点 。 基 因 芯 片 技术 及 其 相关 方法 可 以 用 于 分 析 基 因 表达 量 的 变化 , 认 识 不 同 污染 物 及 不 同 浓度 的 作用 方式 、 污 染 物 之 间 的 相互 作用 , 理 解 生 物 的 响应 机 制 , 发 现 新 功 能 基因 , 鉴 定 污染 物种 类 , 筛 选 不 同 响应 范式 的 作物 种 质 。 有 鉴于 此 , 本 文 试图 述评 基因 表达 谱 和 基因 芯片 在 生态 毒 理 学 中 的 应 用 状况 , 为 污染 生态 学 的 发 展 , 尤 其 是 新 兴 的 生态 毒 理 基 因 组 学 的 引入 提供 基础 资料 。 1. 基因 表达 谱 和 基因 芯片 1.1 基因 表达 谱 及 其 研究 方法 基因 表达 谱 是 指 细胞 中 所 有 基因 表达 的 格局 , 它 能 对 来 源 于 不 同 个 体 、 组 织 、 细 胞 周期 、 发 育 阶段 、 分 化 阶段 、 生 理 病 理 、 刺 激 条 件 下 的 基因 表达 情况 进行 对 比分 析 , 从 而 对 基因 和 群 在 个 体 、 组 织 、 发 育 、 分 化 、 疾 病 、 刺 激 的 特异 性 变化 特征 和 规律 进行 描述 , 可 以 进一步 前 明基 因 的 相互 协同 、 抑 制 、 互 为 因果 等 关系 。 通 过 对 基因 表达 谱 的 分 析 可 以 研究 整体 水 平 上 的 代谢 机 制 , 认识 基因 相互 作用 的 网 络 关 系 , 发 现 重 要 功能 基因 。 生 态 学 是 研究 有 机 体 与 其 周围 环境 相互 关系 的 科学 〈 孙 颂 泳 等 ,2003) , 它 的 研究 内 容 包括 在 个 体 、 种 群 、 群 落 、 生 态 系统 等 宏观 层次 上 和 分 子 、 细 胞 等 微观 水 平 上 探讨 生物 与 环境 之 间 的 相互 关系 。 从 生态 学 角度 开展 基因 表达 谱 的 研究 可 以 揭示 环境 中 生物 体 之 间 以 及 生物 与 其 生存 环境 之 间 复 杂 的 响应 格局 及 其 遗传 机 制 (Kammen- ga et al. , 2007), , 加 深 在 生态 本 质 上 理解 生物 与 环境 之 间 的 相互 作用 。 研究 基因 表达 谱 变 化 特征 的 方法 主要 有 : 差异 显示 技术 (mRNA differential display-PCR, HARKABPPRARHEERSHES PHRMA FER SBAAA SHAR 79 3 DD-PCR) 、 代 表 性 示 差 分 析 (cDNA-representational difference analysis-PCR, RDA-PCR) 、 抑 制 消 | 减 杂 交 (suppressive subtractive hybridization, SSH). 、 表 达 序 列 标签 (expressed sequence tags, EST) 、 基 因 表 达 连 续 分 析 (serial analysis of gene expression, SAGE) LIRA iH (gene chips, microarrays ) 。 : (1) mRNA 差异 显示 技术 (DD-PCR): 1992 44, 32H) Dena-Farber 癌症 研究 所 的 两 位 科学 家 Liang 和 Pardee 建立 了 一 种 用 于 分 离 和 克隆 哺乳 动物 正常 与 异常 细胞 之 间 差 异 表 达 基 因 的 PCR 方 法 〈(Liang and Pardee,1992 ) , 应 用 此 法 可 以 了 解 不 同 细胞 或 同类 细胞 在 不 同 发 育 阶段 、 不 同 生 理 状态 下 的 基因 表达 情况 , 为 研究 生命 活动 过 程 提供 重要 信息 。 该 方法 的 基本 原理 是 : 真 核 细胞 的 mRNA 含有 poly (A) 末端 ,在 poly (A) 前 面 的 2 个 碱 基 有 12 种 可 能 的 组 合 : 前 面 第 一 个 (M) 有 G、C、T 三 种 可 能 , 第 二 位 碱 基 (N) 有 G、C、T、A 四 种 可 能 , 因 此 3'" 端 引物 为 0ligo-dTMN (M、N 分 别 代 表 G、C、T、A 四 种 碱 基 的 一 种 , 其 中 M AGED A), , 共 12 种 引 物 。 当 用 任何 一 种 oligo - dT,,MN 对 mRNA 进行 反 转 录 , 即 可 得 到 1/12 的 cDNA, AAR cDNA 最 大 程度 的 PCR 扩 增 ,5 “ 端 引 物 设计 成 一 组 随机 引物 , 随 机 地 结合 在 来 自 mRNA 的 cDNA 上 。 由 于 结合 是 随机 的 , 因 此 片段 的 大 小 也 是 不 同 的 , 这 样 正 常 与 异常 细胞 间 存 在 差异 表达 的 cDNA 片段 可 以 通过 DNA 测序 凝 胶 电 泳 显 示 出 来 , 经 过 Northen 杂交 分 析 确 证 后 , 这 些 差别 显示 的 cDNA 可 以 作为 探 针 , 用 于 进一步 分 离 cDNA 及 基因 组 克隆 , 达 到 最 终 分 离 基因 的 目的 , 理 论 上 可 以 获得 几乎 所 有 mRNA 的 特异 扩 增 片段 (AE, 2005), mRNA 差异 显示 技术 (DD-PCR) 可 以 比较 多 种 细胞 类 型 RHMSTES; 同时 检测 基因 的 上 调和 下 调 表达 ; 样品 RNA 用 量 少 ; 灵敏 度 较 高 , 可 以 检测 组 织 细 胞 中 丰 度 较 低 的 mRNA; 实 验 周 期 得, 便于 重复 等 优点 。 王 亚 玲 运用 DD-PCR 分 析 植 物 病 原 菌 诱导 基因 表达 时 , 分 离 到 一 个 受 病原 菌 侵 染 诱 导 的 水 稻 cDNA 片段 。 该 片段 包含 7 个 P450CYP724 基因 的 基因 簇 保守 部 分 〈 王 亚 玲 等 ,2003 ) Macaluso 等 应 用 此 技术 研究 了 病原 体 Rickettsia 侵 染 和 非 侵 染 扁 乱 ( Dermacentor variabilis) 的 基因 表达 差 异 , 更 清楚 地 认识 了 与 病原 菌 侵 染 响应 相关 的 遗传 因子 (Macaluso et al. ,2003 ) Neelima 和 Rao 通过 DD RT-PCR 的 方法 检测 了 毛 喉 素 诱 导体 外 BeWo 细胞 分 化 后 的 基因 表达 谱 变化 (Neeli- ma and Rao,2007 ) 。 但 是 这 种 方法 存在 PCR 竞争 的 问题 , 不 能 检测 由 划 细 胞 合成 的 全 部 cDNA; 它 的 应 用 还 受到 凝 胶 电泳 分 子 量 的 限制 , 同 时 假 阳 性 较 高 〈 黄 留 玉 ,2005 ) 。 (2) 代表 性 示 差 分 析 技术 (RDA-PCR): 代表 性 示 差 分 析 的 基本 原理 是 用 4 个 碱 基 的 内 切 酶 BO MIKA cDNA, WRK KA cDNA 57 cDNA 杂交 3 次 , 通 过 多 次 变换 cDNA 两 端 接头 , 再 用 PCR 指数 扩 增 出 双 链 的 特异 目的 基因 ( 刘 文 荣 等 ,2006 ) 。 它 是 在 Lisitsyn 等 的 基因 组 DNA 示 差 分 析 技 术 基 础 上 经 过 Hubank 等 改进 而 成 的 方法 (Lisitsyn et al. , 1993; Hubank etal. ,1994) 。 其 特点 是 将 PCR 技术 与 差 减 杂交 技术 相 结合 , 通 过 PCR 作用 选择 性 扩 增 目的 片 段 , 具 有 更 高 的 富 集 效率 , 可 以 扩 增 到 的 cDNA 代表 着 全 基因 组 的 信息 , 且 假 阳性 低 〈 董 霞 等 , 2006 ) Andersson 等 应 用 RDA 技术 筛选 了 差异 表达 基因 (Andersson et al. ,2003 ) 。Zoldos 等 应 用 RDA-PCR 技术 比较 了 亲缘 关系 近 的 橡树 树种 之 间 基 因 表 达 谱 的 差异 (Zoldos et al. ,2001 ) 。 Woyke 等 应 用 mRNA 代表 性 示 差 分 析 与 RT-PCR 技术 相 结 合 发 现 , 病 原 体 (Cryptococcus neofor- mans) 的 细胞 转录 组 基因 中 有 接近 60% 的 基因 在 PHE (i AWA) 胁迫 下 表达 发 生 了 变化 (Woyke et al. ,2004) 。 但 是 此 种 技术 存在 富 集 片段 短 , 检 出 低 丰 度 mRNA 受 限 的 缺点 。 (3) 抑制 消减 杂交 技术 (SSH): 此 技术 是 1996 年 由 Diatchenko 等 在 差异 显示 PCR 法 的 基 80 生态 科学 进展 (BO) 础 上 建立 起 的 抑制 性 扣除 杂交 技术 , 它 是 一 种 比较 和 分 离 不 同 组 织 间 或 同一 细胞 系 、 同 一 组 织 在 不 同 条 件 下 差别 表达 基因 的 方法 (Diatchenko et al. ,1996 ) 。 消 减 抑制 杂交 中 两 个 关键 技术 是 消 时 、 减 杂交 和 抑制 PCR。 该 方法 运用 了 二 级 动力 学 原理 , 即 丰 度 高 的 单 链 DNA 在 退火 时 产生 同 源 杂 交 的 速度 快 于 丰 度 低 的 单 链 DNA, 从 而 使 原来 在 丰 度 上 有 差别 的 单 链 DNA 相对 含量 达到 基本 二 国 致 。 而 抑制 PCR 则 是 利用 链 内 退火 优 于 链 间 退 火 的 特点 , 使 非 目 的 片段 两 端 反 向 重复 序列 在 退 火 时 产生 类 似 发 夹 的 互补 结构 , 无 法 作为 模板 与 引物 配对 , 从 而 选择 性 地 抑制 了 非 目 的 基因 片段 的 扩 增 。 这 样 既 利用 了 消减 杂交 技术 的 消减 富 集 , 又 利用 了 抑制 PCR 技术 进行 了 高 效率 的 动 为 Yee 〈 黄 留 玉 ,2005 ) 。 其 具有 特异 性 强 , 假 阳性 低 , 灵 敏 度 高 , 程 序 相 对 简单 , 操 作 方 便 等 特点 。 一 次 反应 可 以 同时 分 离 上 百 个 差异 表达 基因 , 是 一 种 高 效 的 筛选 方法 。 周 津 等 将 SSH 技术 和 Northern 杂交 技术 相 结合 成 功 地 分 离 了 食道 癌 中 的 8 个 差异 表达 基因 ( 周 津 等 ,2001) Zinser 等 为 了 研究 小 麦 对 UV-B 的 具体 响应 , 应 用 SSH 技术 分 离 被 诱导 表达 的 基因 , 发 现 了 13 个 UV-B 诱导 上 调 表 达 基 因 (Zinser et al. ,2007) Nobile 等 应 用 此 技术 研究 下 Cercosporidium personatum 侵 染 条 件 下 不 同 基因 型 花生 基因 表达 谱 的 变化 (Nobile et al. , 2008), 虽然 该 方法 具有 上 述 优点 , 应 用 较 广 , 但 是 不 可 否认 它 也 存在 某 些 不 足 , 主 要 表现 为 要 求 的 起 始 , 材料 多 , 不 能 同时 进行 多 个 材料 的 比较 , 得 到 差异 表达 片段 还 需要 扩 增 其 全 长 序列 。 以 上 三 种 方法 都 是 建立 在 PCR 基础 上 , 实 验 者 对 自己 感 兴趣 的 基因 片段 进行 筛选 , 克 隆 , 测序 或 者 应 用 其 他 方法 如 Northern 杂交 、 荧 光 定 量 PCR、 半 定量 PCR 等 对 所 选 基因 进行 分 析 , 个 人 主观 性 较 大 , 而 且 不 能 检测 到 低 丰 度 的 基因 。 (4) 表达 序列 标签 技术 CEST): 此 技术 在 1991 年 首次 被 Adams 等 人 提出 〈Adams et al. , 1991), EST 是 长 约 150 ~500bp 的 基因 表达 序列 片段 ,EST 技术 是 将 mRNA 反 转 录 成 cDNA 文库 后 , 大 规模 随机 挑选 cDNA 克隆 , 对 其 5' 或 3 ' 端 进行 一 步 法 测序 , 所 获 序列 与 基因 数据 库 已 知 序 列 比 较 , 从 而 获得 对 生物 体 生 长 发 育 、 繁 殖 分 化 、 遗 传 变异 、 误 老死 亡 等 一 系列 生命 过 程 认识 的 技术 〈 于 凤 池 ,2005 ) 。 EST 技术 基本 步骤 为 : 中 构建 cDNA 文库 ;四 随机 挑选 cDNA 克隆 ; @ 每 个 克隆 从 5 或 3" 端 进行 一 次 测序 ; 图 与 同 种 或 异种 生物 已 知 的 核酸 和 蛋白 质数 据 库 进行 比较 分 析 ; OFFA Re 记 新 基因 及 未 知 基因 〈 陈 其 军 等 ,2001 ) 。 由 于 该 技术 具有 简便 、 人 快速 、 节 省 费用 、 效 率 高 的 优点 , 为 寻找 新 基因 和 未 知 基 因 提供 了 -_- 种 高 效 的 工具 , 被 广泛 用 于 基因 表达 谱 的 研究 之 中 。 例 如 , 人 们 发 现 Mesembryanthemum crystalli- num 可 以 在 盐 胁迫 或 缺 水 的 条 件 下 由 C; 型 光合 作用 植物 转变 为 CAM 型 植物 ,CAM 途径 可 以 在 缺 水 胁迫 条 件 下 通过 改变 C0, 的 吸收 途径 更 有 效 地 固定 C, 从 而 减少 蒸腾 作用 丧失 的 水 分 。Kores eda 等 应 用 EST 技术 研究 了 盐 胁迫 和 水 分 充足 条 件 下 , 该 植物 叶片 组 织 基 因 表 达 谱 的 变化 , 更 清 楚 地 揭示 了 CAM 途径 和 其 他 盐 胁 迫 响应 的 分 子 遗 传 基础 和 调控 机 制 (Kore-eda et al. , 2004), Keilin 等 利用 此 技术 通过 分 析 葡 萄 休眠 芽 的 基因 表达 谱 变化 , 发 现 与 氧 胁迫 ,Ca “信号 转 导 , C 代谢 的 厌 氧 模式 相关 的 基因 在 葡萄 休眠 芽 解 除 休 眠 的 调节 和 完成 过 程 中 发 挥 着 重要 的 作用 (Keilin et al. ,2007) 。 但 是 基因 表达 谱 中 的 EST 技术 不 能 检测 到 低 丰 度 的 基因 。 (5) 基因 表达 连续 分 析 (SAGE ) : 这 是 由 Velculescu 等 1995 年 最 先 建 立 的 技术 〈(Velculescu et al. ,1995 ) 。 主 要 基于 两 个 原理 : 一 是 在 转录 物 特定 位 点 上 一 段 9 ~10 bp RAR ARR 此 转录 物 的 特异 性 。 理 论 上 随机 排列 的 9 bp 片段 可 区 分 4 种 转录 物 。 二 是 将 多 个 短 序列 标签 串 连 在 一 个 克隆 中 , 通 过 测序 以 连续 的 方式 同时 分 析 多 个 标签 及 其 代表 的 转录 子 , 明 显 提高 了 分 析 效率 ( 史 春 梦 等 ,2001 ) 。 这 种 方法 主要 的 优点 在 于 一 次 可 以 对 大 量 的 转录 产物 进行 定量 定性 分 基因 表达 谱 和 基因 芯片 在 生态 毒 理 学 中 的 应 用 与 生态 毒 理 基因 组 学 研究 进展 81 析 , 找 到 新 的 基因 , 同 时 该 方法 可 用 来 分 离 在 不 同 发 育 阶 段 和 生理 状态 下 差别 表达 的 基因 , 检 测 不 同 细胞 间 已 知 基因 表达 的 具体 差异 , 建 立 较 全 面 的 基因 表达 谱 , 系 统 分 析 基 因 表 达 差 异 , 对 低 丰 度 表达 的 基因 有 较 好 的 检测 效果 。 所 以 SAGE 技术 被 大 量 应 用 于 生物 生命 周期 的 不 同 阶段 、 不 同年 龄 阶段 的 基因 表达 谱 变化 (Williams et al. ,2007; Popesco et al. ,2007) , 以 及 生物 在 冻害 和 病毒 侵 染 等 胁迫 条 件 下 基因 表达 谱 变化 (Jung et al. ,2003; Fregene et al. ,2004) 的 研究 中 。 但 是 基因 表达 连续 分 析 的 工作 量 非常 大 , 有 大 量 的 测序 和 计算 机 分 析 任务 , 费 用 昂贵 , 而 且 假 阳 性 高 〈 刘 文 荣 等 ,2006 ) 。 尽管 上 述 方法 都 能 获得 部 分 基因 的 差异 表达 模式 〈 见 表 1) , 但 不 能 获得 全 部 基因 的 基因 表 达 谱 信息 。 相 比 而 言 , 基 因 芯 片 技 术 具 有 高 通 量 , 相 对 节约 经 费 , 避 免 使 用 大 量 实验 材料 等 优 点 , 灵 人 敏 度 相对 更 高 , 因 此 现在 对 基因 表达 谱 的 研究 应 用 最 广泛 的 是 基因 芯片 技术 。 1.2 基因 芯片 技术 ”基因 芯片 技术 是 将 大 量 核酸 片段 以 预先 设计 的 方式 固定 在 载 玻 片 、 尼 龙 膜 、 玻 璃 等 载体 上 组 成 密集 分 子 排 列 , 通 过 与 标记 样品 进行 杂交 , 检 测 杂 交 信 和 号 的 强 弱 , 从 而 判断 样品 中 靶 分 子 的 数 MAM (EES, 2005; Wang,2000) 。 基 因 芯 片 技术 给 基因 功能 研究 提供 了 一 个 新 的 契机 , 它 自 1989 年 由 Southern 提出 后 , 即 受到 多 方 的 重视 和 广泛 的 利用 , 被 评 为 21 世纪 最 有 发 展 前 途 的 20 项 高 新 科技 之 一 。 基因 芯片 发 展 到 现在 , 技 术 已 经 相当 完善 。 采 取 光 刻 合 成 探 针 , 精 确 度 更 高 , 重 复 性 更 好 。 最 先 研 究 完 善 的 基因 芯片 是 基因 组 较 小 , 分 子 数 据 资 料 较为 完整 的 物种 , 如 酵母 等 。 基 因 世 片 的 分 类 方式 较 多 , 根 据 储 存 的 生物 信息 类 别 , 可 以 分 为 朝 核 苷 酸 芯 片 和 cDNA 微 阵列 。 按 照 用 途 基 , 因 忌 片 可 以 分 为 : 测序 芯片 , 表 达 必 片 和 诊断 芯片 。 根 据 芯 片 的 制备 方式 可 以 将 其 分 为 两 大 类 : 原 位 合成 芯片 和 DNA 片段 排列 在 固 相 载体 上 的 芯片 。 用 于 基因 表达 谱 研究 的 芯片 属于 表达 芯片 , 大 多 数 为 cDNA 基因 组 表达 谱 芯 片 。 基因 芯片 技术 的 应 用 根据 其 制备 方式 主要 有 两 种 , 其 一 是 点 样 法 。 应 用 各 种 方法 筛选 大 量 差 寞 表 达 基 因 , 通 过 回收 , 测 序 确定 基因 , 再 将 这 些 标 记 基 因 固 定 在 支持 物 上 与 样品 DNA 进行 杂 交 , 从 而 得 到 基因 表达 谱 的 变化 。 刘 桂 丰 等 根据 已 经 构建 的 星星 草 cDNA 文库 制备 了 基因 芯片 用 于 研究 NaHCO; 胁 迫 下 星星 草 基 因 表 达 谱 的 变化 〈 刘 桂 丰 等 ,2005; 杨 传 平 等 ,2005) ; 毛 伟 华 等 通过 在 基因 库 中 筛选 某 些 代谢 相关 的 基因 , 引 用 RT-PCR 扩 增 cDNA 片段 , 通 过 克隆 、 测 序 , 制作 黄瓜 的 cDNA 基因 芯片 , 从 而 研究 了 黄瓜 在 缺 镁 胁迫 下 基因 的 差异 表达 ( 毛 伟 华 等 ,2006 ) 。 基因 必 片 技术 也 可 以 根据 以 前 报道 过 的 基因 , 提 取 RNA 合成 荧光 标记 的 cDNA 探 针 , 然 后 固定 在 特定 支持 物 上 , 与 样本 杂交 , 从 而 得 到 基因 表达 谱 的 信息 。 应 用 这 种 方法 田 哲 贤 等 比较 了 根瘤 FEY fen AGI Ga AY nifA 突变 菌株 和 野生 菌株 的 基因 表达 谱 ( 田 哲 贤 等 ,2006 ) ; Hernandez 等 利用 已 报道 过 的 植物 EST 序列 , 以 尼龙 渗透 膜 为 载体 合成 cDNA 芯片 , 通 过 杂交 发 现代 表 不 同 功 能 类 别 的 126 个 基因 在 对 了 的 响应 中 , 基 因 表 达 具 有 明显 的 差异 , 其 中 62%% 的 基因 是 由 于 缺 P 所 导 LA) (Hernandez et al, 2007) 。 73 — FETS HS FH FD ER 2 HE 8 Fa ld SCS Ts TE BTS A BE BUA BT fi EK 术 , 主 要 集中 在 与 人 类 疾病 相关 的 基因 芯片 和 微生物 芯片 上 , 在 植物 方面 已 经 商品 化 的 芯片 包括 拟 南 芥 、 小 麦 、 玉 米 等 。 商 品 化 基因 芯片 的 基本 制作 过 程 及 其 在 基因 表达 研究 中 的 大 致 操作 过 程 如 图 1 所 示 (Aharoni and Vorst, 2001; B 图 略 作 补 充 ) 。 很 多 学 者 利用 基因 芯片 对 胁迫 条 件 下 拟 南 芥 、 果 蝇 等 生物 在 转录 水 平 上 基因 表达 谱 的 变化 进行 了 研究 (Chen et al. , 2003; Kovalchuk et al. , 2005; Girardot et al. , 2004) , 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 82 "HARE hk 本 有 ° HE RLY AG Ra Bl * EW 4 HH Be MWS EM EW Ve Me Ye A A MR BE ‘rh BBY de Te «3, (39VS ) g00c “7 woosedog = I A A ET OK SEEM HR BG ERK SE hh oy LOX AA 1h £5 15 H ‘Looe ‘Pe SueITIA LA A A RO GE EE OY dq 6 HH I Ki OMEN WG EH HE MF 1007 ‘fe ak Ye SY RAE RAY 45 Fh EE Ly HY EY Iu fig H 4q OL ~ 6 BT OPH AE BY Ge ° UREN SEE BA FE GHG Be FEE DY [ul LSA G8 LOOT ‘ “7? 12 UI[IeX ek — Sf) BE Fe ee PO AY GG EB EE — i | (IST ) 00Z “ “79 3 bpe-Gioy Bed SHE EE EE EY YG Bg poh PE Me) Oe DE sD hd fe EG € ade = te Soot * RK BAFEGH =e) Sale Oe A kB GH NO SE A dS GS A 1 Set EEE MG fig A SHE 1661 ‘72 asuepy fi fil BY AW VW HF LSA 1 * oe) BD A mt € Ue) set PE BS 3 SG SE VN GH ie TY © FRAC TRE A (SAL ke Se ef — FB °PaE AE GH Ft HY BAN SHE GL AE SY of OA ek 3 DY YY WA MRSS Be SAE Ye ad OY BD i Al mace) YUH MARAT RH SME WA OR Be HO AE OW AO RLY EM 9661 ‘Tee Vex 8007“ 7? 79 GON HEA EMER EG OR A KEY AIK Hod OF — HEE HO SKE VNG Bey Oyuoyorerq 1 FE eb as Looe * 7P ?axiIesuZ KAYE OR ea A Se SN IE T WAKE AG SS S007 ‘Ea “& tk AY Dh BY GH Ye Hil 2a)“ HE Eh ee OF Ud (Ay tf te 2 a Ae Bt EY CF BE AL id GRO ° EGY AS GH OK Bee oe, re Si) TH bit AR SE Od BY at “Ae REM MVNO HAM £661 VIG 9007 * #5 36 XC [iK GHW Ze HSE VNU Fc HAM Ske ay eh | RE eae VNC? mS VNG? 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Probes synthesize on glass substrate of microarray. B. The operation steps of the study about gene expression profiling by microarrays 2. BA RKGPRAGH ALAS PHA 2.1 基因 表达 谱 与 生态 毒 理学 的 结合 生态 毒 理 学 是 研究 有 毒 有 害 物质 对 种 群 、 群 落 和 生态 系统 产生 的 生态 学 和 毒 理学 影响 及 污染 物 在 环境 中 命运 的 科学 〈 秦 占 芬 和 徐 晓 白 ,2006) 。 生 物 在 逆境 条 件 下 通过 基因 表达 模式 的 调整 来 适应 环境 的 改变 。Shinozaki 等 认为 大 量 的 基因 与 非 生物 胁 迫 响应 有 关 , 这 些 基 因 不 仅 被 认为 有 直接 保护 细胞 、 抵 抗 环境 胁迫 的 功能 , 还 与 非 生物 胁迫 下 基因 表达 的 调节 和 信和 号 转 导 有 关 (Shi- nozaki et al. ,1997) 。 逆 境 条 件 引起 生物 生长 性 状 的 响应 往往 是 多 基因 共同 作用 的 结果 (RE 群 ,1995) , 所 以 有 必要 对 逆境 条 件 下 生物 的 基因 表达 谱 变化 进行 研究 , 从 而 可 以 了 解 到 全 部 已 知 基因 在 逆境 条 件 下 的 表达 差异 , 真 正 理解 生物 的 响应 方式 。1999 年 利用 基因 芯片 技术 研究 的 基因 表达 谱 变化 被 提出 用 于 毒 理学 的 研究 之 中 , 主 要 可 以 用 于 以 下 方面 : @D 通 过 基因 表达 的 网 络 系统 , 确 定 环境 污染 物 的 可 能 作用 机 制 ; @ 通 过 已 经 确定 机 理 的 有 毒物 质 与 未 知 毒物 之 间 分 子 特 84 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 征 的 关系 , 确 定 未 知 毒物 的 作用 模式 ; @@ 作 为 化 学 污染 生物 标记 , 估 计 毒 物 诱导 的 基因 表达 ; 图 在 受到 具体 污染 物 污染 的 物种 中 , 确 定 基因 表达 的 重复 模式 ; 名 利用 物种 之 间 的 作用 推断 该 毒 上 物 对 另 一 物种 的 作用 ; @@ 确 定 复杂 化 合 物 的 生物 学 效应 ; 四 比较 急性 污染 和 慢性 污染 的 效应 关 A; @ 确 定 遗 传 多 态 现象 ; 四 估计 在 污染 物 胁迫 条 件 下 改良 敏感 个 体 中 遗传 多 态 性 的 重要 性 ; - @ 通 过 基因 表达 谱 的 变化 揭示 自然 种 群 的 胁迫 响应 和 在 环境 中 起 重要 作用 的 生态 因子 〈(Afshari et al. ,1999; Neumann et al. ,2002) 。 总 的 来 说 , 基 因 世 片 技术 的 不 断 发 展 以 及 人 们 对 基因 表达 信息 变化 的 了 解 需求 使 其 在 生态 毒 理 学 中 得 到 广泛 的 应 用 。 2.2 基因 表达 谱 与 生物 对 不 同 污染 物 的 响应 机 制 生存 在 逆境 环境 下 的 生物 在 细胞 水 平 上 感应 到 胁迫 后 开始 启动 响应 , 刺 激 信号 转 导 途 径 , 引 起 基因 表达 模式 的 改变 , 进 而 导致 代谢 、 生 理 上 的 响应 。 据 估计 , 高 等 生物 中 大 约 有 10 个 基 重 因 , 但 在 每 一 个 细胞 中 只 有 约 15% 在 表达 , 正 是 这 种 基因 表达 水 平 及 模式 的 变化 控制 着 生物 体 ” 的 整个 生命 过 程 及 其 代谢 变化 。 所 以 生物 对 胁迫 的 响应 是 一 个 非常 复杂 的 过 程 , 不 同 的 胁迫 会 引 起 不 同 基因 表达 模式 的 变化 。 生 物 对 不 同 污染 物 的 响应 机 制 也 因此 而 有 所 不 同 。Chen 等 研究 发 现在 五 种 胁迫 条 件 〈 氧 胁迫 、 锅 胁迫 、 热 刺激 、 渗 透 胁迫 和 DNA 损伤 ) 下 裂 殖 酵母 Schizosac- — charomyces prombe 在 转录 水 平 上 具有 不 同 的 响应 方式 (Chen et al. ,2003 ) Reichert 和 Menzel iff 过 基因 芯片 研究 土壤 线虫 Caenorhabditis elegans 在 五 种 化 合 物 污 染 48 +5 小 时 后 的 基因 表达 谱 变 化 发 现 诱导 表达 的 基因 只 有 26 个 在 两 种 以 上 胁迫 条 件 下 同时 表达 , 其 余 各 不 相同 , 并 通过 不 同 途径 相关 基因 分 析 证 明了 生态 毒 理 学 中 生物 基因 表达 模式 的 改变 是 对 不 同 污 染 物 啊 应 的 结果 (Reichert and Menzel,2005 ) 。Girardot 等 研究 果 蝇 在 除草 剂 、 过 氧化 氢 引 起 的 氧 胁 迫 以 及 衣 霉 素 导致 的 内 质 网 胁迫 下 基因 表达 谱 的 变化 , 发 现在 相同 的 影响 效应 条 件 下 基因 组 的 变化 高 度 依赖 于 旺 胁迫 物质 的 本 身 特 性 , 如 在 除草 剂 mol/L 条 件 下 有 7% 的 基因 表达 发 生变 化 ,而 HLO,LA 0.7% (Girardot et al. , 2004), Kovalchuk 等 研究 拟 南 芥 在 重金 属 锅 和 铅 污 染 条 件 下 植株 大 小 , 根 长 , 金 属 含量 以 及 基因 表达 谱 变 化 ,结果 表明 植物 对 两 种 重金 属 具 有 相同 的 响应 机 制 3 (Kovalchuk et al. , 2005) 。 虽 然 生物 对 同一 类 污染 的 响应 机 制 大 致 相同 , 但 是 研究 显示 不 同 的 基 因 对 不 同 的 重金 属 响应 存在 差距 。 重 金属 污染 下 拟 南 芥 基因 表达 调节 在 数量 上 存在 差异 , 所 以 旺 Cd 的 遗传 毒性 大 于 Pb 的 毒性 (Kovalchuk et al. ,2005 ) 。 Caulobacter crescentus 对 重金 属 锅 、 铬 、 铀 最 主要 的 响应 方式 都 是 抗 氧化 胁迫 , 但 基因 表达 种 类 和 量 上 存在 差异 , 如 SodA 在 重金 属 锅 、 铬 、 铀 胁迫 条 件 下 表达 上 升 的 量 存在 差异 ; 而 SodB 仅 在 Cd 污染 条 件 下 上 升 表 达 2 倍 ; SodC HE 正常 情况 下 表达 与 重金 属 污染 条 件 下 表达 相同 (Hu et al. ,2005 ) 。 2.3 生物 的 种 类 、 基 因 型 差异 与 胁迫 环境 的 基因 表达 谱 差 异 不 同 生物 的 性 别 及 同一 生物 的 不 同 细胞 、 不 同 基 因 型 由 于 外 部 形态 及 内 部 结构 不 一 致 , 基 因 选择 性 表达 的 基础 也 不 同 , 导 致 生物 对 胁迫 环境 的 响应 方式 存在 差异 。 (1) 基因 表达 受到 生物 的 不 同性 别 的 影响 ,Williams 等 利用 表达 谱 芯 片 研究 欧洲 上 肉 性 和 雄性 比目鱼 对 污水 的 胁迫 响应 机 制 (Williams et al. ,2003 ) , 结 果 表 明 在 污染 和 非 污染 条 件 下 雄性 比 目 鱼 中 有 11 个 基因 表达 发 生变 化 , 在 雌性 中 可 能 由 于 个 体 差异 等 原因 而 无 显著 差异 。 (2) 同一 生物 的 不 同 组 织 器 官 对 胁迫 响应 不 同 。Rosen 等 应 用 基因 芯片 研究 小 鼠 胎儿 在 PFOA 胁迫 下 肝 胜 和 肺 的 基因 表达 谱 变化 , 发 现 与 脂肪 酸 分 解 代谢 相关 的 基因 在 两 种 器 官 中 的 表 达 均 被 改变 , 但 是 小 鼠 胎 儿 肝 脏 中 基因 表达 发 生 更 剧烈 的 变化 , 与 脂 质 运 输 , 生 酮 作用 , 糖 伐 谢 , 脂 代谢 , 胆 固 醇 生物 合成 ,类固醇 代谢 , 磷 脂 代 谢 等 生物 化 学 途径 相关 的 基因 表达 均 被 调节 (Rosen et al. ,2007 ) 。 不 同 器 官 对 不 同 污染 浓度 的 响应 也 存在 差异 , 如 葵 、 三 氯 乙 烽 、 甲 基 来 基因 表达 谱 和 基因 芯片 在 生态 毒 理 学 中 的 应 用 与 生态 毒 理 基因 组 学 研究 进展 85 三 种 复合 污染 在 老鼠 肝脏 中 仅 有 最 低 可 见 不 利 效应 浓度 水 平 的 基因 表达 改变 , 而 在 肾脏 中 的 基因 表达 改变 同时 也 发 生 在 低 于 最 低 可 见 不 利 效应 浓度 水 平 ( Hendriksen et al. ,2007 ) 。 (3) 即使 是 同一 部 位 的 不 同 细胞 类 型 对 胁迫 表达 的 啊 应 也 有 所 不 同 。 在 0.1 L/L 0; 胁 人 迫 下 , 老 鼠 齿 槽 上 皮 细 胞 type Il Ail type I -like 细胞 基因 表达 谱 的 变化 显示 前 者 在 24 h 处 理 后 mRNA 变化 大 于 4 h, 影 响 细 胞 代谢 、 适 应 和 修复 过 程 ; 后 者 在 4 h 时 基因 表达 变化 量 较 大 , 影 响 早 期 胁迫 响应 。 且 前 者 表达 更 多 的 抗 氧化 物 基 因 , 对 氧 胁 迫 具 有 更 高 的 抗 性 (Wang et al. ,2006 ) 。 Swindell 等 通过 拟 南 芥 在 九 种 胁迫 条 件 下 基因 表达 谱 的 变化 发 现 植 物 对 不 同 胁迫 的 啊 应 受到 需 官 类 型 的 影响 〈(Swindell,2006) 。 在 5 pmol/L 和 50 pmol/L Cd 胁迫 下 拟 南 芥 根 中 分 别 有 5% 和 10% 的 基因 表达 发 生变 化 , 而 叶 中 表达 变化 的 基因 量 则 为 3% 和 3.9% ; 同一 浓度 Cd 污染 下 拟 南 芥 不 同 部 位 根 和 叶 基 因 差 异 表 达 的 数量 也 不 同 , 高 浓度 SO mol/L Cd 处 理 30 h 根 中 2 000 个 基 因 表 达 受 到 调节 , 而 在 叶 中 仅 有 768 个 基因 被 调节 表达 (Herbette et al. ,2006 ) 。 (4) 不 同 基 因 型 的 生物 对 胁迫 的 响应 存在 差异 。 绿 色 bpl 基因 型 和 紫色 BP] 基因 型 玉米 被 用 于 无 紫外 线 UV-B 光照 的 响应 分 析 , 通 过 芯片 杂交 分 析 数 据 显 示 绿 色 bpl 基因 在 经 过 清除 UV-B 的 光照 射 后 , 延 长 因子 lo 和 核糖 体 蛋 白 OM 基因 下 降 ,MRP33 和 MPR47 基因 上 调 表达 4 倍 以 上 , 而 紫色 BP 基因 型 玉米 对 这 种 胁迫 条 件 的 响应 基因 表达 变化 不 明显 (Casati et al. ,2003 ) 。 在 Nry 损 伤 型 (Nrf2 一 ) 和 野生 型 (Nrf2 ) 的 小 鼠 肺 脏 对 氧 胁 迫 响应 的 研究 中 发 现 基 因 表 达 谱 存 在 差异 。 表 达 被 改变 的 基因 数量 (包括 抗 氧 化 酶 和 免疫 细胞 受 体 相 关 的 基因 ) 在 野生 型 小 鼠 中 比 Nrf2 型 中 多 。 而 且 氧 胁迫 诱导 的 上 调 基 因 , 如 抗 氧 化 和 防卫 基因 (Txnrd], Ex, Cp-2) 和 其 他 新 基因 (Pkce-a, Tef-3, Ppar-c) 的 表达 在 野生 型 中 也 显著 高 于 Nxy 损伤 的 小 鼠 中 ~ (Cho et al. , 2005) ; 2.4 基因 表达 谱 对 胁迫 的 响应 受 时 间 尺 度 的 调节 胁迫 的 响应 时 间 是 生态 毒 理 学 长 期 关注 的 一 个 因子 , 不 同 的 响应 物质 在 不 同时 间 内 发 挥 的 作 用 存在 差异 (Hisashi,2001) 。 任 何 化 学 物质 的 毒性 特征 都 依赖 于 污染 物 的 作用 方式 、 剂 量 和 作 用 时 间 , 生 物 基 因 表 达 模 式 也 受到 这 些 变量 的 影响 (Neumann et a/. ,2002) 。 老 鼠 的 肺脏 经 过 2h, 8h 和 18h 除 草 剂 胁迫 后 , 基 因 表 达 谱 最 大 的 变化 发 生 在 2h 胁迫 条 件 下 , 表 明 在 转录 水 平 上 肺脏 对 除草 剂 的 响应 是 快速 的 《Mainwaring et al. , 2006), Yoneda 等 应 用 基因 芯片 技术 检测 到 在 不 同时 间 阶 段 的 氧化 胁迫 条 件 下 , 人 类 支气管 上 皮 细 胞 的 基因 表达 具有 明显 的 时 间 调 节 特 征 。 在 了 0, 或 烟 胁迫 1h 后 抗 凋 亡 相 关 基 因 的 表达 被 诱导 (Yoneda et al. ,2001 ) 。 研究 表明 植物 对 不 同类 型 胁迫 的 基因 表达 响应 受 时 间 尺 度 的 强烈 影响 (Swindell,2006) 。 不 同时 间 Cd 处 理 条 件 下 拟 南 芥 基因 表达 数据 显示 在 不 同 的 时 间 点 上 很 少 有 基因 相同 , 在 3 个 时 间 点 上 ,5 pmol/L Cd 处 理 根 中 基因 表达 变化 量 是 1 092 个 , 其 中 48 个 (4.3%) 相同 , 暗 示 Cd 处 理 的 不 同时 间 段 植物 有 短暂 性 的 响应 差异 , 而 不 同 浓度 处 理 条 件 下 表达 差异 基因 相同 的 可 以 达到 36% , 显 示 植 物 对 Cd 的 响应 的 基因 表达 调节 作用 主要 是 时 间 效 应 , 而 不 是 剂量 效应 (Herbette et al. , 2006) 。 2.55 通过 基因 表达 谱 的 变化 可 以 判断 不 同 污 染 物 的 作用 方式 生物 在 对 胁迫 环境 的 响应 过 程 中 , 污 染 物 本 身 的 性 质 是 重要 的 影响 因子 。 不 同 的 污染 物 对 生 物 的 损害 方式 是 不 同 的 , 有 些 能 够 直接 对 生物 产生 毒害 作用 , 而 有 些 则 是 通过 破坏 细胞 膜 的 完整 性 等 间接 对 生物 产生 毒害 。 基 因 表 达 谱 有 助 于 鉴定 有 毒物 质 的 可 能 毒 理学 作用 机 制 (Tully et al. , 2006) . Kovalchuk 等 研究 了 在 重金 属 Pb 和 Cd 污染 条 件 下 基因 表达 , 变 化 结果 推断 出 Pb 和 Cd 对 植 86 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 物 可 能 具有 相同 的 作用 方式 ,但 是 Cd 比 Pb 具有 更 大 的 遗传 毒性 (Kovalchuk et al. ,2005)。 Hendriksen 等 发 现 老 鼠 肝 胜 和 肾脏 的 很 多 基因 在 葵 、 三 氯 乙烯 、 甲 基 来 三 种 或 两 种 复合 污染 下 被 诱导 表达 , 而 在 单一 污染 条 件 下 则 无 变化 , 如 肝脏 中 1d2 ,Nr2 廊 ,Tmjspa,Ccengl ,Mdm2 和 Nfkb1 , 由 此 推测 复合 污染 响应 比 单一 污染 响应 具有 更 大 的 遗传 胁迫 响应 机 制 (Hendriksen et al. , 2007) 。 通 过 1 - 甲 基 -4- 葵 基 吡 啶 盐 (MPP*) 胁迫 下 神经 细胞 MN9D 的 基因 表达 谱 变化 , Wang 等 发 现 多 种 途径 与 MPP 诱导 的 毒性 效应 有 关 , 包 括 程序 性 细胞 死亡 , 氧 胁迫 , 金 属 结合 , 细胞 代谢 和 信和 号 转 导 途径 ; 推测 MPP -诱导 的 毒性 效应 与 PD 发 病 机 理 具有 共同 的 分 子 机 制 ( Wang et al. , 2007). 2.6 更 多 与 胁迫 相关 的 新 基因 被 发 现 基因 芯片 技术 与 其 他 方法 相 比 , 可 以 得 到 大 量 数据 , 通 过 基因 表达 变化 更 容易 发 现 与 胁迫 相 关 的 功能 基因 。Wang 等 应 用 cDNA 芯片 监测 了 被 高 盐 胁 迫 后 玉米 根 中 转录 组 的 行为 变化 特征 , 发 现 NaCl 胁迫 下 与 盐 激 反应 相关 的 新 基因 (Wang et al. ,2003 ) 。Casati 等 通过 基因 表达 分 析 发 现在 紫外 辐射 响应 中 未 经 证 实 的 功能 基因 (Casati et al. ,2003 ) 。 在 研究 不 同 基 因 型 小 鼠 对 氧 胁 迫 的 响应 中 ,Cho 等 发 现 与 胁迫 响应 相关 的 新 基因 , 如 Pke-a, Tef-3, Ppar-c 等 (Cho et al. , 2005) 。 虽然 生态 毒 理 学 中 生物 对 胁迫 环境 基因 表达 谱 变 化 的 影响 被 研究 得 较 多 , 但 是 在 自然 条 件 下 应 用 基因 表达 谱 的 研究 极 少 , 大 多 数 都 是 在 限定 的 环境 下 进行 的 研究 。 原 因 是 个 体 水 平 的 差异 、 技术 水 平 的 差异 、 分 类 水 平 的 差异 〈Kammenga et al. ,2007) , 以 及 广泛 的 生物 多 样 性 和 各 种 复 杂 的 环境 因子 都 会 影响 基因 的 表达 , 而 且 对 数据 的 分 析 具 有 一 定 的 困难 。 目 前 只 有 自然 生态 系 统 Tinto River (Spain) 两 个 样 点 中 的 铁 氧 化 细菌 Zeptospirillum ferrooxidans 基因 表达 谱 的 变化 被 研究 (Victor et al. ,2007 ) 。 两 个 样 点 存在 pH、 温度 、 盐 分 、 含 氧 量 、 金 属 含量 及 矿质 元 素 含 “ 量 等 众多 胁迫 条 件 差 异 , 通 过 对 氧 胁 迫 、 盐 胁迫 响应 等 途径 基因 表达 的 变化 分 析 , 证 明了 基因 芯 片 在 环境 样品 中 研究 基因 表达 谱 的 可 利用 性 。 2.7 生态 毒 理 基因 组 学 的 提出 与 发 展 Neumann 等 认为 毒 理 基 因 组 学 的 产生 影响 了 毒 理 学 的 几 个 领域 包括 生态 毒 理 学 , 将 毒 理 基因 组 学 的 技术 用 于 评估 污染 物 对 生态 系统 健康 的 影响 , 从 而 产生 新 的 学 科 一 一 生态 毒 理 基因 组 学 (Neumann et al. , 2002); 2004 年 Snape 等 根据 以 人 类 为 研究 对 象 的 毒 理 基因 组 学 的 定义 提出 生 态 毒 理 基因 组 学 的 定义 : 在 环境 污染 物 胁迫 响应 中 , 对 具有 重要 作用 的 非 目标 生物 体 中 的 基因 和 A AIAN DEFE (Snape et al. ,2004) 。 随 着 分 子 生物 学 技术 的 不 断 发 展 , 尤 其 是 基因 芯片 技 术 的 应 用 , 生 态 毒 理 基因 组 学 技术 得 到 了 广泛 的 应 用 。 可 以 用 于 生物 对 污染 物 响应 途径 和 基因 在 不 同 污染 条 件 下 的 表达 变化 的 研究 之 中 。 污 染 物 对 生物 体 影响 研究 的 传统 方法 是 对 整个 生物 体 响 应 的 测定 , 如 死亡 率 、 生 物 量 等 , 但 是 这 些 方法 对 生物 应 对 污染 物 胁迫 的 响应 机 理 的 理解 提供 的 信息 很 少 , 生 态 毒 理 基 因 组 学 为 更 好 地 理解 化 学 污染 物 在 不 同 生 物种 中 的 分 子 生 态 机 制 提供 了 强 有 力 的 工具 。 结 合 基因 组 学 、 生 理学 和 生态 学 的 方法 研究 生物 对 环境 胁迫 的 响应 可 以 帮助 我 们 更 好 地 理解 生理 学 上 的 多 态 性 , 生 物 如 何 占据 较 大 的 生存 空间 范围 , 拥 有 较 宽 的 生态 幅度 , 以 及 生 态 系统 中 生物 之 间 的 相互 作用 (图 2)。 基因 表达 谱 和 基因 芯片 在 生态 毒 理学 中 的 应 用 与 生态 毒 理 基 因 组 学 研究 进展 87 环境 污染 胁迫 群落 结构 基因 一 基因 一 一 ma ~—) 生物 体 ( 与 一 = 的 — 和 功能 不 同 的 作用 功能 on™ wa 图 2 基因 组 学 、 生 理学 与 生态 学 在 环境 污染 胁迫 响应 中 的 结合 应 用 Fig.2 The integration of genomics, physiology and ecology in the study of the organisms’ response to environmental contaminations. J 3. 问题 与 展望 3.1 存在 问题 在 生态 毒 理学 中 , 应 用 基因 攻 片 研究 基因 表达 谱 的 变化 除了 受 基 因 芯 片 本 身 具 有 未 知 新 基因 和 未 鉴定 基因 影响 外 , 还 受到 以 下 几 方 面 的 限制 : (1) 基因 芯片 技术 本 身 的 限制 , 如 芯片 制作 过 程 中 出 现 的 偶然 误差 以 及 繁杂 的 样品 制作 中 的 错误 。 (2) 基因 芯片 由 于 含有 大 量 的 基因 信息 , 这 些 信息 的 获得 付出 了 艰苦 的 劳动 , 所 以 价格 比 较 昂贵 。 (3) 生态 毒 理 学 研究 中 受到 很 多 因素 的 影响 , 如 自然 条 件 下 众多 的 环境 因子 , 种 群 的 年 龄 、 性 别 、 遗 传 多 态 性 和 生物 个 体 间 的 差异 等 , 使 基因 表达 水 平 具有 多 变 的 特点 。 (4) 物种 限制 , 物 种 在 基因 表达 水 平 上 数据 的 缺乏 , 致 使 基因 芯片 的 种 类 有 限 , 所 以 在 研 究 中 , 物 种 的 选择 受到 了 限制 (Lettieri, 2006) 。 (5) 基因 人 必 片 的 发 展 迅速 , 精 确 性 、 重 复 性 等 在 不 断 的 提高 , 使 以 前 应 用 此 技术 的 数据 结 有 果 和 现在 所 获得 的 结果 相 比 较 存 在 不 可 信 。 (6) 基因 芯片 提供 的 大 量 数 据 存 在 分 析 上 的 困难 , 对 实验 数据 进行 基因 表达 量 上 升 、 下 降 的 数量 变化 统计 及 归 类 并 不 能 清楚 地 理解 基因 在 胁迫 环境 下 发 挥 的 重要 作用 。 虽然 应 用 基因 芯片 研究 基因 表达 谱 的 变化 存在 本 文 所 述 的 众多 限制 , 但 是 由 于 传统 基因 表达 的 研究 方法 已 远 远 满足 不 了 人 们 了 解 基 因 组 水 平 表 达 模 式 的 需要 , 限 制 了 对 生物 在 胁迫 环境 下 适 应 机 制 的 全 面 理解 , 而 基因 芯片 技术 研究 的 基因 表达 谱 变化 正 是 一 种 高 通 量 、 快 速 的 方法 , 为 研 究 基 因 表 达 提 供 了 一 个 强 有 力 的 工具 , 所 以 在 生态 毒 理 学 领域 中 应 用 这 一 技术 研究 基因 表达 谱 将 BED 3.2 展望 Fl i 2 AS DAR EE AS BS POE A EAE MT Ts ey Pe, ER AS AY A 发 展 , 实 验 设 计 的 不 断 完 善 以 及 基因 表达 水 平 上 数据 的 不 断 积 累 , 在 生态 毒 理 学 中 , 未 来 应 用 基 因 芯片 技术 研究 基因 表达 谱 变化 将 可 能 应 用 于 以 下 几 个 方面 。 (1) 污染 物 之 间 的 相互 作用 : 目前 大 多 数 研 究 集中 在 单一 污染 条 件 下 基因 表达 谱 的 变化 88 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) (Seki et al. ,2001; Herbette et al. ,2006) 或 几 种 污染 之 间 的 基因 表达 变化 相关 分 析 (Seki et . al. ,2002; Chen et al., 2003) 上 。 但 是 各 种 污染 物 对 生物 的 污染 不 可 能 是 独立 存在 , 互 不 干扰 的 , 在 自然 条 件 下 仅 一 种 胁迫 的 条 件 是 不 可 能 存在 的 。 通 过 基因 表达 研究 几 种 污染 同时 存在 时 基 因 表 达 谱 变化 , 揭 示 污 染 物 相互 作用 下 基因 表达 模式 的 改变 , 有 利于 理解 污染 物 之 间 的 相互 作用 。 (2) 污染 物 的 剂量 效应 关系 : 任何 化 学 物质 的 毒性 特征 都 依赖 于 其 本 身 的 作用 途径 、 剂 量 和 作用 持续 时 间 , 基 因 表 达 模 式 的 改变 也 受 这 些 变量 的 影响 (Neumann el al. ,2002 ) Herbette 等 2006 年 的 研究 数据 显示 植物 对 Cd 响应 的 基因 表达 调节 作用 是 时 间 效 应 , 而 不 是 剂量 效应 。 这 是 基因 表达 谱 研究 数据 分 析 的 一 个 新 方式 , 为 基因 表达 响应 研究 提供 了 一 种 新 视野 , 实 验 结 论 是 在 5 pmol/L 和 50 mol/L Cd 两 个 处 理 条 件 适 用 的 。 一 些 学 者 研究 植物 对 不 同 N 水 平 响 应 的 基因 表达 谱 的 变化 , 发 现 适 度 N 胁迫 下 只 有 小 部 分 基因 表达 发 生 显著 性 变化 , 而 严重 N 胁迫 条 件 下 则 有 大 量 与 生物 过 程 相 关 的 基因 表达 发 生变 化 (Bi et al. ,2007 ) 。Girardot 等 通过 对 不 同类 型 之 间 基 因 表 达 的 相关 性 比较 发 现 同一 污染 的 不 同 浓 度 之 间 比 不 同 污染 之 间 具 有 更 高 的 相关 性 , 推 测 转录 水 平 基 因 变 化 可 能 依赖 于 剂量 关系 (Cirardot et al. , 2004) 。 对 于 基因 表达 模式 的 剂量 效应 关系 研究 应 该 按照 Hamadeh 和 Afshari 摘 述 的 剂量 响应 关系 的 模式 ( Hamadeh and Afshari, 2004 ) 进行 实验 设计 , 可 以 更 明确 地 理解 剂量 效应 关系 , 剂 量 在 基因 表达 上 的 确定 , 尤 其 是 效应 浓度 、 半 致 死 浓度 等 的 确定 对 于 污染 治理 , 生 物 适 应 具有 重要 的 作用 。 (3) 小 剂量 长 期 污染 的 基因 表达 谱 变化 : 可 能 由 于 小 剂量 污染 研究 需要 持续 较 长 的 时 间 才 能 发 现 受 害 症状 , 所 以 这 方面 的 研究 相对 较 少 , 有 毒物 质 的 具体 毒害 机 制 和 作用 方式 尚未 十 分 清 楚 。 目 前 文献 中 基因 表达 谱 的 研究 都 是 在 污染 浓度 高 , 持 续 时 间 短 〈 大 多 数 以 小 时 计算 , 极 少 数 以 星期 为 单位 ) 的 条 件 下 开展 的 , 没 有 发 现 对 小 剂量 长 期 污染 条 件 下 基因 表达 谱 的 研究 。 了 | 解 小 剂量 长 期 污染 下 生物 基因 表达 模式 的 改变 , 有 助 于 理解 自然 环境 中 生物 的 适应 方式 , 以 及 慢 “ 性 污染 与 急性 污染 之 间 的 差异 。 (4) 确定 众多 环境 因子 中 主要 污染 物 的 种 类 : 一 些 学 者 认为 可 以 通过 重金 属 污染 条 件 下 某 些 特 异性 表达 基因 来 检测 重金 属 污染 类 型 以 及 污染 程度 。 如 通过 转基因 大 麦 对 重金 属 胁迫 的 响 应 一 一 CUS 基因 表达 增强 的 长 期 研究 , 认 为 转基因 植物 可 以 用 一 种 生物 标记 来 检测 重金 属 污染 (Monciardini et al. ,1998 ) , 提 出 了 用 基因 表达 指示 污染 物 的 新 方法 。 日 本 学 者 Azumi KHL Ciona — cDNA ith HE TBT 污染 条 件 下 有 200 多 个 与 胁迫 响应 、 解 毒 、 氧 化 还 原 反应 、 生 物 合 成 和 分 解 代 谢 有 关 的 基因 被 强烈 诱导 表达 , 提 出 cDNA 芯片 可 以 便利 地 分 析 TBT 污染 条 件 下 全 部 基因 的 表达 情况 , 从 而 推测 生物 暴露 于 何 种 污染 物 以 及 污染 的 程度 (Azumi et al. ,2004 ) 。 胁 迫 环 境 下 有 多 种 基因 表达 发 生变 化 , 生 物 学 过 程 被 不 同 的 基因 表达 模式 所 调节 (Diatchenko et al. ,1996) 。 所 以 需要 进一步 了 解 各 种 污染 物 条件 下 基因 表达 模式 , 制 作 含 有 特定 基因 表达 模式 的 基因 芯片 , 大 量 显示 基因 表达 的 差异 , 从 而 更 精确 地 判断 、 指 示 环 境 中 的 污染 物种 类 。 参考 文献 | 陈 其 军 , 王 学 臣 , 刘 强 . 植物 逆境 胁迫 耐 受 性 功能 基因 组 研究 进展 [J] . 生物 化 学 与 生物 物理 进展 ,2001,28 上 (6) : 797-801. 董 假 , 李 文正 , 刘 世 桂 .抑制 消减 杂交 技术 及 其 在 植物 基因 表达 研究 中 的 应 用 [J] . 植物 生理 学 通讯 ,2006, 42 (3): 515-522. | ee ee ee (eee lll 基因 表达 谱 和 基因 芯片 在 生态 毒 理 学 中 的 应 用 与 生态 毒 理 基因 组 学 研究 进展 89 段 昌 群 , 植物 对 环境 污染 的 适应 与 植物 的 微 进化 (J) . 生态 学 杂志 ,1995,14 (5) : 43-50. 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CDF (cation diffuse facilitater ) 、YSL (yellow stripe-like ) 、ABC (ATP-binding cassette), NRAMP (natural resistance associated macrophageproteins ) 、CAX (cation exchange) . COPT (copper transporter) 的 结构 功能 特征 、 定 人 位、 表达、 调控 进行 了 归纳 分 析 , 并 对 今后 的 研究 进行 了 展望 。 关键 词 重金属 ; 转运 蛋白 ; 植物 修复 ; 植物 抗 性 Abstract Transporter proteins play an important role in the process of the absorption, transport, distribution and accumulation of heavy metals. They are key elements for metal homeostasis, so the study of plant heavy metal transport proteins and their genes becomes a hot topic in the research field of 基金 项 目 : 国家 自然 科学 基金 项 目 (30760049,30640022 ) , 国 家 973 项 目 (2003CB14510305 ) , 教 育 部 新 世纪 优秀 人 才 支持 计划 资助 ”(NCET-04-0914) 及 高 等 学 校 博士 学 科 点 专项 科研 基金 (20040673002) 资助 。 * “通讯 作者 : chqduan@ ynu. edu. cn 94 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) pollution ecology. However, the molecular mechanisms of plant heavy metal transport are not quite clear. From the aspects of root mobilization, root absorption, xylem transport, unloading and tissue distribution, advance in the mechanism of heavy metal uptake in plant has been reviewed in the present paper. The structure and functional characteristics, location and expression regulation of heavy metal transport proteins and their genes in plants were presented, such as, ZIP (zinc regulated protein/iron regulated protein) , HMA (heavy metal ATPases) , CDF (cation diffuse facilitater) , YSL ( yellow stripe-like) , ABC (ATP-binding cassette) , NRAMP (natural resistance associated macrophagepro- | teins) , CAX (cation exchange) , COPT (copper transporter) , and the outlook of the future study was discussed. Key words Heavy metals; transporter; phytoremediation; toxical resistance i = . Bw Di 高 等 植物 的 矿质 营养 对 农业 和 人 类 的 健康 非常 重要 , 然 而 许多 基本 问题 仍然 不 清楚 , 特 别 是 种 类 多 、 作 用 复杂 的 重金 属 的 吸收 、 转 运 机 制 。 植 物 如 何 确保 所 有 的 组 织 得 到 适当 的 有 益 重 金属 的 补给 , 同 时 又 要 避免 达到 有 毒 水 平 的 累积 ; 以 及 在 重金 属 污染 环境 的 生物 修复 中 , 我 们 需要 找 到 理想 的 超 积累 植物 ; 而 在 污染 环境 的 农业 生产 中 , 我 们 则 呼唤 获得 拒 吸 收 有 害 重 金属 的 清洁 种 质 。 这 些 长 期 以 来 都 是 生态 学 , 尤 其 是 污染 生态 学 领域 存在 的 重要 问题 。 随 着 分 子 生 物 学 技术 的 发 展 , 人 们 在 很 多 方面 取得 了 新 的 认识 , 并 在 相关 领域 的 研究 越 来 越 成 熟 (Lorraine et al. , 2000 ) 。 植物 对 有 害 元 素 的 吸收 和 转运 是 植物 营养 学 、 植 物 污 染 生态 学 等 多 个 学 科 关 注 的 焦点 问题 之 一 。 有 些 重 金属 是 植物 所 必需 的 微量 营养 元 素 (如 Zn, Ni, Cu, Fe 等 ) , 对 于 维持 植物 正常 新 陈 代谢 很 重要 , 它 们 的 作用 可 能 是 特定 酶 的 辅酶 或 激活 剂 , 或 稳定 有 机 分 子 。 但 是 , 如 果 这 些 必 需 重金 属 浓度 过 高 , 以 及 非 必需 重金 属 (如 Cd、Pb、Cr、Hg、As 等 ) 被 植物 吸收 , 植 物 的 很 多 生理 活动 会 受到 干扰 〈 张 国平 等 ,2003 ; Frederic et al. ,2004 ) 。 这 些 金属 阳离子 在 植物 体内 的 分 配 与 不 同 转运 体 家 族 有 关 , 转 运 蛋 白 在 重金 属 体 内 平衡 中 起 重要 作用 (Lorraine et al. ,2000)。 — 根据 转运 蛋白 的 转运 机 制 和 它们 的 生理 学 功能 , 利 用 生物 化 学 和 分 子 生 物 学 技术 将 会 使 我 们 加 深 对 转运 蛋白 的 理解 , 并 可 能 以 此 租 选 或 培育 出 超 积累 植 物种 质 和 在 受 污染 土壤 生长 的 可 食 部 位 重 金属 含量 未 超标 的 农作物 。 现 在 , 用 于 土壤 和 水 污染 的 植物 修复 引起 了 人 类 广泛 兴趣 , 重 金属 转 运 的 研究 备 受 关注 ( Stephan et al. ,2002 ) 。 本 文 就 近年 来 国际 上 对 植物 特别 是 模式 植物 重金 属 转运 蛋白 及 其 基因 研究 进展 作 一 述评 , 为 相关 研究 提供 资料 和 背景 知识 平台 。 2. 植物 吸收 转运 重金 属 的 过 程 植物 对 重金 属 的 吸收 很 大 程度 上 依赖 于 重金 属 在 土壤 中 的 生物 有 效 性 OK AAS, BT ACH 态 ) , 然 而 , 具 生物 有 效 性 的 重金 属 仅 占 土 壤 重金 属 总 量 的 很 小 一 部 分 , 植 物 为 了 满足 自身 对 重金 属 的 需要 , 必 须 有 活化 土壤 中 非 有 效 态 重金 属 的 能 力 〈( 孙 琴 等 ,2005 ) 。 植 物 根系 可 以 通 过 活化 根 际 土壤 中 的 重金 属 而 增加 吸收 能 力 : 如 根系 分 泌 质 子 酸化 根 际 环境 、 分 泌 特 殊 有 机 | 植物 重金 属 转运 蛋白 及 其 基因 的 研究 进展 95 Y. DRSREADF 《如 植物 高 铁 载体 、 植 物 丈 合剂 等 ) 等 促进 土壤 重金 属 溶解 (WES, 2005 ) 。 水 溶 金 属 离子 经 质 体 流 途 径 、 扩 散 途径 到 达 根 表面 , 然 后 通过 交换 吸附 在 根 细 胞 表面 。 吸 附 在 根 表面 或 根 毛皮 层 上 的 金属 离子 首先 被 细胞 壁 、 质 膜 吸 附 , 然 后 通过 质 外 体 或 共 质 体 途 径 进 入 根 细 胞 内 累积 , 但 是 由 于 内 皮层 上 有 凯 氏 带 , 离 子 不 能 通过 , 只 有 转 人 共 质 体 后 才能 进入 木质 部 导管 。 在 金属 跨 过 根 细 胞 膜 进 入 根 细 胞 共 质 体 或 金属 跨 过 木质 部 薄 壁 细胞 的 质 膜 装载 进入 木质 部 导管 时 由 专 一 转运 蛋白 或 通道 蛋白 调控 。 人 金属 离子 进入 根 细 胞 质 后 , 可 以 以 游离 金属 离子 形态 存 在 , 但 细胞 质 中 游离 金属 离子 过 多 , 会 对 细胞 产生 毒害 作用 , 干 扰 细 胞 的 正常 代谢 , 因 而 细胞 质 “中 金属 可 能 与 细胞 质 中 的 有 机 酸 、 氨 基 酸 、 多 胺 和 无 机 物 等 结合 , 通 过 液 泡 膜 上 的 转运 体 或 通道 蛋白 转 人 液 泡 中 。 植 物 〈 尤 其 是 超 积 累 植物 ) 的 液 泡 膜 上 , 可 能 存在 一 些 特 殊 的 转运 体 , 能 把 暂时 贮存 在 液 泡 中 的 金属 装载 到 木质 部 导管 中 。 根 细胞 内 的 金属 离子 横 穿 根 的 中 柱 , 被 送 和 导管, 装载 人 导管 后 随 蒸腾 拉力 向 地 上 部 移动 , 分 配 到 其 他 组 织 和 器 官 中 。 目 前 对 于 金属 离子 在 木质 部 的 装载 过 程 还 不 十 分 明确 , 金属 离子 在 木 质 部 的 装载 可 能 通过 阳离子 - 质子 反 转 运 体 来 完成 。 在 超 积累 植物 中 , 可 能 存在 更 多 的 离子 转运 体 或 通道 蛋白 , 从 而 促进 重金 属 向 木质 部 装载 。 重 金属 在 超 积累 植物 的 木质 部 导管 中 的 运输 速率 很 高 , 在 木质 部 存在 大 量 的 有 机 酸 和 氨基 酸 , 它 们 能 够 与 金属 离子 结合 , 这 种 复合 物 是 重金 属 离 手 在 木质 部 运输 的 主要 形式 : 璧 如 在 木质 部 ,Fe 主要 是 以 柠檬 酸 铁 的 形式 存在 ,Zn 主要 是 与 柠 檬 酸 或 苹果 酸 结合 , 当 然 也 有 许多 是 以 离子 形态 存在 的 , 如 Ca, Mg, Mn ( 李 文 学 等 ,2003 ) 。 在 超 富 集 植 物 中 研究 较 多 的 为 组 氨 酸 , 在 植物 (Alyssum montanum L, 庭 工 属 的 一 种 ) 中 , 组 氮 酸 与 Ni 结合 使 Ni 装载 人 木质 部 的 转运 率 增加 50% , 另 外 一 些 超 积累 植物 也 有 类 似 现象 (Ste- phan et al. ,2002 ) 。 通过 木质 部 导管 运输 , 重 金属 到 达 叶 的 质 外 体 , 然 后 被 叶 细 胞 吸收 。 转 运 体 调 节 金 属 离 子 进 入 共 质 体 , 经 由 质 外 体 或 共 质 体 途 径 在 叶 内 分 配 , 金 属 离子 交换 发 生 在 植物 内 部 的 每 个 细胞 , 以 维持 每 个 细胞 器 中 特定 的 生理 学 的 浓度 范围 和 确保 蛋白 质 之 间 必 需 金属 的 传输 , 一 些 转运 蛋白 参与 了 这 个 过 程 (Stephan et al., ,2002 ) 。 过 多 的 必需 重金 属 , 连 同 非 必需 重金 属 在 叶 液 泡 中 被 隔离 。 不 同 的 叶 细胞 浓度 不 同 , 分 配方 式 因 植 物 和 元 素 种 类 而 改变 (Stephan et al., 2002), SlM0, AEA BIG RS (Thlaspi caerulescens) 叶 中 , 表 皮 细 胞 比 叶 肉 细 胞 高 5.0 ~ 6.5 倍 , 此 外 , 叶 毛 (trichomes) 在 金属 的 贮存 和 解毒 中 起 重要 作用 (Kiipper et al. ,1999 ) 。 据 报 道 , 在 植物 芥菜 (Brassica juncea) 中 ,皮毛 Cd 积聚 占 叶 积累 总 量 的 40 允 多 (Stephan et al. , 2002), 在 植物 对 重金 属 的 吸收 过 程 中 ,包括 如 下 关键 环节 : ORME; @) 人 金属 离子 进入 根 细 胞 和 木质 部 ; @@ 木 质 部 运输 ; 四 地 上 部 分 组 织 和 器 官 的 分 布 、 贮 存 、 交 换 和 排出 〈 见 图 1) 。 除 了 根 际 活 化 外 , 其 他 过 程 都 与 一 些 转运 蛋白 相关 , 研 究 转运 蛋白 及 其 对 应 的 基因 在 这 几 个 过 程 的 功 能 , 以 及 它们 的 结构 特点 , 对 于 植物 修复 和 无 公害 农作物 生产 具有 重要 的 科学 意义 。 96 生态 科学 进展 (BO) (e) 分 配 和 隔离 (d) MARMARA Ai (c) 木质 部 转运 ee wee 4K 可 土壤 胶 粒 Fre PRI esa 阴离子 通道 / eae Al 植物 重金 属 积累 的 分 子 机 制 〈 引 自 Stephan et al. ,2002 ) Fig. 1 Molecular mechanisms of metal accumulation by plants (a) 金属 离子 被 整合 剂 的 分 刻 物 和 根 际 圈 的 酸化 作用 活化 。(b) KE ie JR BM VR RE ES i Be Ae AS AS Pd OR HH 统 调节 。 在 细胞 内 , 金 属 被 整合 , 多 余 的 金属 被 转运 到 液 泡 隔 离 。(c) 通过 木质 部 重金 属 被 从 根 转运 到 芽 , 大 部 分 经 由 根 的 共 质 体 到 达 木 质 部 , 非 共 质 体 通道 可 能 在 根 顶 端 出 现 。 在 木质 部 内 , 金 属 以 水 合 离子 或 金属 整合 物 的 形式 存在 。(d) 到 达 叶 的 质 外 体 之 后 , 金 属 有 差异 地 被 不 同类 型 叶 细 胞 吸收 , 经 过 胞 间 连 丝 在 细胞 间 移 动 , 贮 存 似 乎 优先 在 叶 毛 中 出 现 。(e) 不 同 转运 体 再 次 促进 金 属 进入 叶 细 胞 之 内 。 细 胞 内 金属 的 分 配 被 金属 伴侣 蛋白 〈metallochaperones) 和 位 于 质 膜 的 不 同 转运 体 调节 。 符 号 : M,metal (金属 ) 植物 重金 属 转运 蛋白 及 其 基因 的 研究 进展 97 3. 植物 重金 属 转运 相关 有 蛋白 及 其 基因 如 前 文 所 述 , 土 壤 中 的 重金 属 离子 被 植物 根系 细胞 吸收 , 或 转运 到 特定 细胞 器 〈 如 液 泡 ) , 或 转运 到 输 导 组 织 向 地 上 部 运输 , 再 转运 到 特定 器 官 、 组 织 或 细胞 器 , 每 一 个 过 程 都 需要 一 些 特 定 的 转运 体 来 完成 (Mingorance et al. ,2007) 。 目 前 ,在 植物 中 发 现 转运 蛋白 家 族 有 HMA, CDF、ZIP、YSL、ABC、NRAMP、CAX、COPT 等 , 这 些 转运 蛋白 家 族 具 有 不 同 的 结构 特征 , 它 们 通过 不 同 的 基质 特性 、 表 达 式 样 和 细胞 定位 变化 来 控制 金属 在 植物 体内 的 移动 。 另 外 , 因 为 植 物 基 因 表 达 不 仅 具 有 组 织 特异 性 和 发 育 阶 段 的 特异 性 , 而 且 也 受到 环境 因素 的 影响 , 单 个 细胞 中 表达 的 基因 仅 占 总 数 的 15% , 不 同 的 基因 随时 间 、 空 间 而 有 选择 地 表达 , 这 些 家 族 基因 的 表达 差异 决定 这 些 转运 蛋白 家 族 功 能 。 因 此 , 这 些 转运 蛋白 家 族 的 不 同 特性 及 其 对 应 基因 家 族 成 员 的 有 有 无、 含量 大 小 、 基 因 表 达 变 化 等 使 植物 对 有 害 元 素 吸 收 积累 具有 不 同 特性 。 3.1 金属 外 排 蛋白 (metal efflux proteins) 3.1.1 HMA 家 族 P-type ATPase 是 一 种 通过 水 解 ATP 进行 跨 膜 运 输 的 转运 蛋白 , 根 据 其 转运 底 物 特异 性 可 以 4) 5 尖 : 即 Ca’* - ATPase, H* - ATPase, P,, — type ATPase (转运 K*), P,, -type ATPase, typeIV ATPases (似乎 转运 磷脂 体 phospholipids) , 其 中 Pe。 —type ATPase 是 与 多 种 重金 属 离子 如 Cd 、Ccu “和 Zn “等 跨 膜 运 输 有 关 的 转运 器 , 它 也 被 称 作 重 金属 ATP 酶 (HMA, heavy metal ATPases; CPx-type ATPases) (Lorraine et al. , 2000; Axelsen and Palmgren, 2001; Williams and Mills, 2005). P,, —type ATPase 有 和 其 他 P - type ATPase 转运 蛋白 不 同 的 结构 特征 , 在 ATP 与 细胞 质 结 合 的 环 中 ,Pee - ATPases 包含 6 ~8 个 跨 膜 片段 转运 信号 序列 〈 见 图 2) , 这 些 序列 区 分 为 至 少 四 个 具有 金属 选择 性 转运 的 Pe - ATPases 小 群 : 对 Cu 的 Pm-1, 对 Zn 的 Pe-2, 对 Cu 的 P-3, 对 Co 的 P-4。 在 闪烁 古 生 球 菌 (Archaeoglobus fulgidus) 的 Cu* - ATPase 研 究 中 , 在 不 变 跨 膜 域 , 发 现 半 胱 氨 酸 Cys 的 突变 在 H6 , 天 冬 酰胺 Asn Al BAM Tyr 突变 在 H7, 以 及 甲 硫 氨 酸 Met 和 丝氨酸 Ser 突变 在 H8, 而 且 显示 它们 的 侧 链 可 能 在 转运 期 间 调 探 金属 转运 并 且 是 构成 这 些 转运 蛋白 的 一 个 主要 成 分 (Jose and Arguello,2007) 。 大 多 数 P-type ATPase 包括 一 个 磷酸 化 域 、 一 个 细胞 质 结 合 主要 域 、 一 个 核 苷 酸 结合 域 、 一 个 侧 链 域 和 一 个 8 环 , 但 许多 P,, -typeATPase 还 有 一 个 排列 不 同 的 细胞 质 金 属 结合 域 (cytoplasmic metal binding domains ) (Jose and Arguello,2007) , 虽 然 它们 的 结构 不 同 , 但 所 有 的 N-MBD (CN 末端 金属 结合 域 ) 和 C-MBD (〈C 末端 金属 结合 域 ) 可 能 控制 酶 的 更 新 , 却 对 金属 与 跨 膜 转 和 运 位 点 无 影响 (Jose and Arguello, 2007) (〈 见 图 2)。 另 外 还 包括 一 个 起 转运 作用 的 CPx 域 (cysteine-proline-histidine or cysteine-proline-serine motif, CPx motif) 和 氨基 或 羧基 末端 金属 结合 域 (Elizabeth et al. ,2006 ) 。 在 拟 南 芥 中 有 8 4 P,, -— type ATPase 转运 重金 属 (HMA1L ~ HMA8) (Baxter et al. ,2003 ) , 其 中 4 个 家 族 成 员 (HMA1 ~ HMA4) 与 Cd ,Ccu ,Pb ,Co 跨 膜 转 运 有 关 ,HMA5S ~ HMA8 # Cu/Ag 单价 阳离子 的 转运 蛋白 (Williams and Mills, 2005; Cobbett et al. , 2003), 7H 母 中 HMA2 和 HMA4 的 金属 转运 研究 提供 了 它们 有 酶 的 功能 和 运输 能 力 的 证 据 ( Eren and Argoello,2004 ) 。 在 野生 型 酵母 和 金属 敏感 型 酵母 中 HMA4 的 不 同 表达 证 明 HMA4 转运 Zn,Cd 和 Pb (Verret et al. ,2005 ) 。 放 射 性 同位 素 示 踪 的 ”Cd 和 ”Zn 吸收 转运 实验 显示 : 含有 HMA4 醇 母 菌 株 与 无 HMA4 对 照 菌株 相 比 ,Cd、Zn 的 累积 增加 , 这 与 HMA4 在 金属 转运 中 的 作用 一 致 , 对 于 HMA3 也 有 类 似 结果 (Gravot et al. ,2004) 。 在 酵母 中 一 个 HMA4 保守 的 DKTGT 域 D 98 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 磷酸 化 作用 位 点 的 突变 抑制 了 金属 转运 能 力 , 表 明 HMA4 决定 金属 转运 并 非 丈 合 作用 (Verret et al. ,2005) 。 拟 南 芥 AtHMA2 和 AtHMA4 从 根 转运 重金 属 到 芽 (Kramer, 2005) (WAS). HMA7 在 转运 Cu 至 高 尔 基 体 上 的 激素 受 体 是 很 重要 的 (Hirayama et al., 1999; Woeste and Kieber, 2000), fit, HMAS 被 视 为 一 个 诱导 根 吸 收 Cu 的 基因 (Andres-Colas et al. , 2006) 。 合 域 atop SRB 图 2 拟 南 芥 的 两 种 P - typeATPase 结构 比较 (5/4 Lorraine et al. , 2000) Fig.2 A structural model comparing two types of P - type ATPase from Arabidopsis thaliana 图 A 是 Ca2* - ATPase, fl B SE P,, - type ATPase (PAAI) WW 9 oe FED Tr 1 EH PD HB as CMA 家 族 成 员 的 功能 。 虽 然 没 有 野生 型 的 表 型 与 土生 HMA2., HMA3 或 HMA4 个 别 突变 体 表 型 相似 ( Hussain et al. ,2004) , 但 是 当 生 长 在 高 Zn 或 Cd 浓度 环境 时 HMA4 植物 显示 对 Zn 和 Cd AER, HMA2, HMA4 W383 45 KL BB RR) ANB 子 , 但 可 以 通过 高 Zn HMR (1 或 3 mmol/L) 的 处 理 改变 这 种 表 型 , 但 不 是 Co BK Cu ( Hussain et al. ,2004 ) 。 双 突变 体 〈 不 是 单 突 变 体 ) 植物 表 型 研究 表明 这 些 基因 功能 丰富 , 并 发 现 这 些 基因 | Ti rears | 植物 重金 属 转运 蛋白 及 其 基因 的 研究 进展 99 在 Zn 动态 平衡 的 缺点 :- 当 生长 在 10 mmol/L Zn (Zn HH) 之 下 ,HMA2、HMA4 植物 的 Zn 积累 水 平 比 野生 型 植物 低 2~4 倍 ,但 当 缺 Zn 情况 下 , 双 突变 体 植 物 Zn 含量 是 野生 型 植物 的 2 售 (Hussain et al. ,2004) 。 同 样 , 在 HMA4 功能 损失 的 突变 体 植物 叶 中 Zn 和 Cd 含量 减少 (Hus- sain et al. ,2004) ,35SHMA4 植物 (HMA4 过 量 表达 ) 在 叶 中 Zn 和 Cd 累积 水 平 提高 Verret et al., 2004), HMA2, HMA4 植物 表 型 , 连 同 补 充 的 HMA4 过 量 表 达 数 据 一 起 , 说 明 HMA2 和 HMA4 在 Zn 从 根 到 芽 的 转运 过 程 中 起 作用 。 三 个 Pa - ATPases 参与 了 叶绿体 的 Cu 转运 。HMA1 和 HMA6 在 质 膜 上 转运 Cu 到 细胞 质 (Seigneurin-Berny et al. ,2005; Abdel-Ghany et al., 2005) ( 见 图 3)。 虽 然 HMA1L 家 族 有 运转 Zn,Cd,Pb,Co 的 转运 体 , 但 在 酵母 中 只 发 现 HMAL 有 转运 Cu 和 Zn 的 证 据 , 和 野生 植物 相 比 ,HMAI 植物 增加 对 强 光 的 敏感 而 且 减 少 了 叶绿体 中 Cu 的 含量 (Seigneurin-Berny et al. , 2005). HMA1 和 HMA6 没有 其 他 多 余 的 功能 , 在 叶绿体 中 HMA1 或 HMA6 功能 损失 的 突变 体 累 积 大 约 野 生 植 物 一 半 的 Cu (Seigneurin-Berny et al. , 2005; Abdel-Ghany et al. , 2005), BAW 变 体 还 没有 被 分 析 , 但 叶绿体 Cu 累积 功能 完全 损失 被 认为 可 能 在 HMAL、HMA6 植物 存在 。 HMA8 (PAA2) 位 于 类 圳 体 膜 上 , 具 有 转运 Cu SRRAA HM WHE (Abdel-Chany et al., 2005 ) , 通 过 HMA8 植物 叶绿体 片断 元 素 分 析 发 现 与 整个 叶绿体 相 比 较 类 宫 体 中 Cu 含量 大 大 减 少 , 这 与 HMAS8 的 定位 一 致 , 也 说 明 这 一 蛋白 负责 转运 Cu 进入 类 宫 体 内 腔 〈Abdel-Chany et al. , 2005) ( 见 图 3) 。 图 3 拟 南 芥 细 胞 内 金属 转运 ( 引 自 Elizabeth et al. , 2006) Fig.3 Intracellular metal transport in Arabidopsis thaliana 金属 被 转运 到 细胞 内 的 细胞 器 和 细胞 内 的 细胞 器 金属 再 转运 被 认为 在 细胞 内 离子 动态 平衡 中 很 重要 。 通 过 具体 的 转运 方 向 箭头 , 在 一 个 普通 的 细胞 内 概述 了 位 于 细胞 内 的 金属 转运 体 和 它们 的 转运 底 物 。 在 幼苗 发 育 期 间 ,NRAMP 蛋白 的 NRAMP3 和 NRAMP4 具有 转 出 液 泡 (vacuolar) 中 储存 的 Fe 的 功能 。CDF RRMA MTP1 存在 于 根 和 叶 中 , 它 转运 Zn 进入 液 泡 。 与 Cu 体内 平衡 有 关 的 四 个 Pe - ATPases 已 在 细胞 内 被 定位 。HMA6 (PAA1) 和 HMAI 定位 于 质 体 膜 上 (plastid envelope), HMA8 (PAA2) 在 类 圳 体 (thylakoid) 薄膜 上 , 而 且 HMA7 (RAN1) 位 于 高 尔 基 体 (Golgi body) 负责 Cu MRA. m2 CDF AK 金属 转运 体 CDF (cation diffuse facilitater) 家 族 普遍 存在 于 真 核 生 物 界 , 它 包含 6 个 跨 膜 域 , 在 跨 膜 域 4 和 5 之 间 有 一 个 富 含 组 氨 酸 的 易 变 环 ,C 末端 和 N 末端 的 氨基 酸 均 位 于 细胞 膜 外 , 编 100 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 码 从 细胞 质 转 出 重金 属 的 反 转 运 体 (Gaither and Eide, 2001) 〈 见 图 4A)。 在 拟 南 芥 第 一 个 被 发 ” SLAY CDF 基因 是 锌 转运 基因 蛋白 Z477 , 后 来 把 它 重 新 命名 为 抗 金 属 蛋白 (MTP1) (Delhaize et al., ,2003 ) 。 在 植物 中 MTP1 的 过 量 表达 能 抵抗 Zn HA, fA ASR MTP] 基因 突变 体 的 Zn 敏 感 表 型 也 说 明 MTP1 在 Zn 体内 动态 平衡 中 起 作用 (Kobae et al. , 2004; Desbrosses-Fonrcuge et al. ,2005) 。 拟 南 芥 AtMTP] 的 短暂 表达 一 一 拟 南 芥 的 原生 质 体 绿 色 荧 光 和 蛋白 (green fluorescent protein, GFP) ( Kobae et al. , 2004; Desbrosses-Fonrcuge et al. ,2005 ) , 稳 定 线 分 析 和 生物 化 学 研究 指出 AtMTP1 位 于 叶 和 根 细 胞 的 液 泡 膜 上 , 在 液 泡 Zn 累积 上 起 作用 (Kobae et al. ,2004; Desbrosses-Fonrcuge et al. ,2005) ( 见 图 3) 。 含 MTP] 基因 少 的 植物 在 各 种 不 同 组 织 中 累积 比较 少 的 Zn 的 的 证 据 指 出 : 9. 藏 Zn 的 缺陷 影响 Zn AY We BK 4p Af ©( Desbrosses-Fonrcuge et al. , 2005), 胞 外 胞 外 胞 内 组 氨 酸 富 含 域 4 ZIP 和 CDF 人 金属 离子 转运 体 家 族 跨 膜 结 构 ( 引 自 David and Eide, 2006) Fig.4 The predicted membrane topologies of the ZIP and CDF families of metal ion transporters 跨 膜 域 用 数字 1 ,2… 标 注 了 解 超 积累 植物 转运 重金 属 的 分 子 机 制 对 于 植物 修复 很 有 意义 。 多 种 金属 转运 体 家 族 的 调节 | 是 一 些 超 积累 植物 能 够 增加 转运 金属 到 地 上 部 分 组 织 的 一 种 方法 , 这 是 超 积累 植物 的 一 一 个 特征 。 Zn/Cd 超 积累 植物 拟 南 芥 比 其 他 非 超 积累 植物 能 安全 地 累积 100 AAA Zn, WA 现 Zn RAR HP MTP1 和 根 中 氨基 酸 尼克 酰胺 (NA) 合成 酶 基因 表达 的 增加 有 关 ( Becher et al. , 2004), Mt 3H. RAFF (Arabidopsis halleri) 包含 三 个 独立 隔离 的 和 不 同调 控 的 MTP1 基因 , 在 超 积累 植物 阿拉 伯 芥 和 非 超 积累 植 物 琴 叶 拟 南 芥 (Arabidopsis lyrata) 的 回 交 杂 种 中 , 两 个 与 抗 Zn 有 关 的 MTP! 分 离 (Drager et al. ,2004 ) 。 对 于 叶 芽 拟 南 芥 转运 体 AhMTP1 ~3 转运 Zn 的 功能 证 据 , 由 Zn 敏感 显 性 植物 ZRC1 和 COT] 功能 互补 提供 , 即 一 种 缺乏 液 泡 CDF 家 族 成 员 ZRC1 (zine resistance conferring! transporterl ZRC1) 和 外 转运 体 COTI (cobalt transporterl , COT1) 的 Zn 超 敏 感 菌株 (Drager et al. ,2004) 。 像 AtMTP1、AhMTP1 ~ 3 也 位 于 液 泡 薄膜 上 , 位 于 拟 南 芥 原生 质 体 的 AhMTP1 ~ 3 也 通过 绿色 荧光 蛋白 (green fluorescent protein, GFP) 的 短 暂 表 达 显 示 (Drager et al. , 2004), 植物 重金 属 转运 蛋白 及 其 基因 的 研究 进展 101 另外 , 为 了 抑制 金属 胁迫 , 一 种 NiXZn BR Riek RRA HERA (Thlaspi goesingense ) 也 依赖 于 CDF 转运 体 的 过 量 表 达 (Persans et a/. ,2001) 。 当 TgMTP1b ( 抗 金 属 蛋 白 ) 在 ZRC1、 COT1 植物 中 表达 时 ,ZRC1、COTI 植物 中 Zn 的 含量 减少 到 了 原来 的 50% (Kim et al. , 2004), 通过 改变 ZRC1、COT1 植物 的 TgMTP1b 复制 编码 , 发 现 TeMTP1b 的 表达 程度 与 Zn 排出 率 成 正 HK (Kim et al. ,2004) , 这 一 结果 表明 TgMTP1b 不 具有 对 高 Zn 的 抗 性 。 然 而 , 长 期 的 和 短期 的 吸收 转运 研究 证 明 TgMTP1b 在 Zn 的 转运 、 排 出 中 扮演 了 重要 的 角色 。 这 个 证 据 , 连 同 TgMTP1b 在 质 膜 的 定位 及 位 于 拟 南 芥 原生 质 体 的 GFP 表达 , 表 明 在 超 积累 植物 野生 芥末 ( Thlaspi goesin- gense) 中 MTP1 在 质 膜 中 对 Zn 的 转运 起 一 定 的 作用 (Kim et al. , 2004), 最 近 还 发 现 : FieF 作为 CDF 的 一 个 最 大 亚 族 的 成 员 , 其 转运 铁 的 功能 已 被 鉴别 和 描述 (Gregor, 2007). 3.2 金属 吸收 蛋白 ( metal uptake proteins) 3.2.1 ZIPRR 在 参与 金属 离子 吸收 的 转运 体 蛋 白 中 , 特 别 引 人 注意 的 是 称 之 为 “ZIP” 的 蛋白 质 (zine regulated protein/iron regulated protein, ZRT/IRT 相关 的 蛋白 质 ) 及 其 相关 基因 , 在 不 同 种 类 的 真 核 生物 中 已 发 现 有 ZIP 基因 存在 。ZIP 蛋白 通常 是 维持 植物 金属 离子 动态 平衡 的 因素 之 一 , 它 们 -一般 具有 8 个 跨 膜 域 (transmembrane domain ,TMD ) , 在 蜂 膜 域 3 和 4 之 间 有 一 个 富 含 组 氨 酸 的 易 变 环 ,C 末端 和 末端 的 氨基 酸 均 位 于 细胞 膜 外 〈 见 图 4B) 。 目 前 超过 100 种 ZIP 蛋白 已 经 在 细菌 、 真 菌 、 动 物 和 植物 中 被 鉴别 (David and Eide, 2004; Guerinot, 2000) 。 ZIP 家 族 至 少 有 86 个 成 员 , 根 据 其 结构 同 源 型 (structural homology) ,ZIP 基因 家 族 可 以 分 为 四 个 亚 家 族 : 即 亚 家 族 工 〈 主 要 存在 于 真菌 和 植物 中 , 如 ZIP6、ZNT1、ZNT2、IRT1 等 ) , 亚 家 族 I (主要 存在 于 哺乳 动物 、 线 虫 和 昆虫 中 , 如 ZIP1 ~3 等 ) gufA 亚 家 族 (与 黏 细菌 Myxo- coccus xanthus 的 gufA 基因 相关 而 命名 , 但 此 家 族 功能 尚未 清楚 ) , 亚 家 族 LIV -1 或 称 为 LZT (与 oestrogen-regulated gene 肉 激 素 调控 基因 相关 而 命名 , 如 ZIP4 和 ZIPS 等 ) (Kathryn et al. , 2003 ) 。 一 些 学 者 以 超 积 累 植物 、 模 式 植物 〈 如 拟 南 芥 ) 和 酵母 为 研究 对 象 , 对 这 些 基 因 家 族 成 员 的 功能 进行 了 研究 。Lopez-Millan & \\ —#} & fe JB th WB A fe ( Medicago truncatula) 分 离 出 编码 Zn “转运 体 的 基因 (2Z1P1) , 在 酵母 中 的 表达 可 以 使 原来 因 缺 Zn 而 生长 受阻 的 酵母 突变 体 恢 复生 长 (Lopez-Millan et al. , 2004) 。 Zn 缺乏 可 以 诱导 ZIP] 和 ZIP3 基因 在 拟 南 芥 根系 中 表达 (Grotz et al., ,1998 ) 。 另 外 Wintz 等 通过 微 阵 列 和 RT-PCR 对 拟 南 芥 的 研究 显示 ZIP2 和 Z1P4 基因 表达 受 缺 铜 诱导 和 在 铜 过 量 下 被 抑制 。Wintz 等 通过 克隆 cDNA 文库 中 的 Z1P2 和 ZIP4 基因 , 在 酵母 中 表达 证 实 了 ZIP2 和 ZIP4 有 转运 铜 的 功能 ( Wintz et al. ,2003 ) ZIPS 在 植物 中 的 研究 未 见 相 关 报 道 , 但 在 哺乳 动物 老鼠 中 的 研究 发 现 ZIPS 具有 排除 体内 过 多 Zn… 的 功能 (Zhixin et al. ,2006 ) 。 与 拟 南 芥 相 比 ,Zno 超 积累 植物 叶 芽 拟 南 芥 (4rabidopsis halleri) 在 根 和 芽 中 Z1P6 转录 水 平 提高 了 23% ~24% , 意 味 着 Zn … 转运 体 ZIP6 是 有 毒 金属 累积 的 因素 之 一 (Becher et al. ,2004) 。 有 研究 者 认为 ZNT1 蛋白 不 仅 是 高 亲和力 的 Zn “转运 体 还 是 低 亲 和 力 的 Cd “转运 体 , 它 在 Cd 的 运输 中 起 着 重要 作用 (Pence et al. ,2000) 。 在 Zn 《Cd 超 积累 植物 i WESZ ( Thlaspi caerulescen L.) 根 中 ,Zn 的 吸收 转运 增加 与 高 的 内 生 TeZNT1 的 表达 有 关 (Pence et al. ,2000 ) 。Takafumi 等 通过 实验 发 现 酵 母 TjZNT1 或 TiZNT2 表达 显示 增加 了 对 Ni 的 抗 性 (Takafumi et al. ,2007) 。 至 于 IRTI1 的 研究 Cohen 等 证 明 缺 铁 诱 导 RT] 在 聋 豆 根 中 的 表 达 ( 见 图 5) ,IRT1 除了 转运 Fe “外 , 同 时 还 促进 Cd “和 Zn 的 转运 (Cohen et al. , 1998), FH 外 Connolly 认为 IRT] 编码 的 膜 蛋 白 IRT1 可 转运 Fe 、 Zn’* 、 Mn 和 Cd (Connolly et al. , ag 102 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 2002 ) 。 i 此 外 , 编 码 ZIP 家 族 成 员 的 六 个 CDNAS Sie i CE SK HA AR A PE SI), TT A cDNAs 的 酵母 突变 体 吸 收 金属 的 功能 进行 了 测试 (Lopez-Millan et al. , 2004), SRAM AB 促进 Zn2* 、Mnz* 、 及 Fe 吸收 以 维持 突变 体 的 生长 , 说 明 每 个 家 族 成 员 都 具有 转运 金属 的 功 fg, ZIP 在 维持 植物 体内 金属 动态 平衡 中 扮演 了 一 个 角色 , 表 达 分 析 证 明 mRNA 的 稳定 水 平 是 对 金属 的 回应 。 例 如 ,HMi:Z1P1 转录 只 在 Zn … 缺乏 的 根 和 叶 中 被 发 现 ,MiZTIP1 的 表达 使 ZRTI、 ZRT2 酵母 能 够 在 低 Zn 基质 上 生长 (Lopez-Millan et al. , 2004), MtZIP1 与 AtZIP1 有 59.6% 的 同 一 性 , 而 且 MtZIP1 似乎 是 一 个 Zn? 转运 体 。 和 3.2.2 ABC 转运 器 ABC (ATP-binding cassette) 转运 蛋白 是 目前 已 知 种 类 最 多 、 功 能 最 广泛 的 蛋 自家 族 , 参与 生物 体内 多 种 物质 的 转运 〈 金 宏 滨 等 ,2007 ) 。1992 年 国际 上 报道 了 第 一 个 植物 ABC 转运 蛋白 ,, 即 从 拟 南 芥 中 克隆 的 AtPGP1 (又 称 为 AtMDR1) 。 此 后 , 研 究 人 员 对 ABC BA RH MK AH 行 了 多 方面 的 研究 。 ABC 转运 蛋白 一 般 都 有 核 苷 酸 结合 域 (nucleotide binding fold, NBF) 和 路 膜 域 (transmem- brane domain ,TMD ) 。 每 个 NBF 包含 3 个 特征 性 基 序 (motif); Walker A 盒 [CX4GK (ST)], © Walker B 盒 [(RK) X3GX3L (hydrophobic)3 ] , 以 及 这 两 个 Walker 盒 之 间 的 C 基 序 [(LIVMFY ) S: (SG)GX3(RKA)(LIVMYA)X(CLIVMF)(AG)] , 其 中 C 基 序 是 ABC 转运 蛋白 的 特征 性 序列 。 由 于 功能 的 差异 ,ABC 转运 蛋白 的 结构 域 组 织 形式 也 多 种 多 样 。 通 常 , 全 分 子 的 ABC 转运 蛋白 包含 2 个 NBF Al2 4+ TMD, 4 个 结构 域 结 合 在 一 起 才能 执行 转运 功能 。 在 大 多 数 已 鉴定 的 真 核 ABC 转运 蛋白 中 ,这 4 个 结构 域 以 正 向 的 TMD1-NBF1-TMD2-NBF2 或 者 反 向 的 NBF1-TMD1-NBF2- — TMD2 组 织 方式 连接 在 一 条 多 肽 分 子 上 , 形 成 “全 分 子 ”ABC 转运 蛋白 。 利 用 其 他 膜 蛋白 研究 中 采用 的 玻 水 性 分 析 方 法 对 ABC 转运 蛋白 的 二 级 结构 进行 研究 , 结 果 提 示 该 结构 中 可 能 存在 一 些 PS AR AY BR he ALK TK PENA. P-gp (P-glycoprotein, RAZ MDR 类 ABC 转运 蛋白 , 是 较 早 发 现 的 ABC 转运 蛋白 之 一 ) 的 生物 化 学 研究 证 实 了 这 种 可 能 性 。 据 预测 P - g SATE (TMD), #7 TMD 跨 膜 6 次 , 其 后 为 核 苷 酸 结合 域 (NBF) , 这 个 模型 已 经 被 许多 实验 所 证 实 ( 金 安 滨 等 ,2007) 。 然而 与 其 他 生物 ABC 转运 蛋白 的 研究 相 比 , 植 物 ABC 转运 蛋白 的 研究 相对 滞后 , 主 要 对 一 些 模 式 生 物 进 行 研究 , 近 来 随 着 模式 生物 基因 组 测序 的 完成 , 人 们 对 植物 基因 组 中 ABC 转运 蛋 白 的 情况 有 了 进一步 的 了 解 , 在 重金 属 转运 方面 的 研究 也 开始 受到 关注 。AtATM3 是 拟 南 芥 中 的 ABC 型 转运 器 , 基 因 表 达 分 析 显 示 , 当 用 Cd 、Pb 处 理 时 , 根 中 AtATM3 表达 上 调 。 研 究 发 。 现 AtATM3 过 量 表达 的 植物 对 Cd 的 抵抗 力 增 强 (Kim et al. ,2006) ; 在 Pb “处理 的 拟 南 芥 中 凡 只 有 AtPDRI2 在 荃 和 根 中 增加 , 表 示 可 能 与 Pb 解毒 有 关 (Kolukisaoglu et al. , 2002); AtPDRI2 过 量 表 达 的 拟 南 芥 对 Pb 的 抵抗 力 增强 ,Pb 含量 也 比较 低 , 因 此 , 认 为 APDR12 对 提高 拟 南 芥 抗 Pb 能 力 起 到 了 作用 (Le et al. ,2005 ) 。 在 拟 南 芥 中 ScYCF] (酵母 锅 基 因 ) 的 过 量 表达 增强 了 植 Xt Pb 和 Cd 的 耐性 (Song et al. , 2003), , 缺 少 ScYCF1 将 导致 植物 对 Cd、As、Hg 敏感 (Guel- . dry et al. ,2003 ) 。 在 拟 南 芥 中 发 现 的 14 个 MRP 蛋白 AtMRP1 ~14, 只 有 AtMRP3 被 证 实 与 Cd 的 解毒 、 转 运 有 关 (Kolukisaoglu et al. , 2002); 在 Cd HO my F , AtMRP3 基因 表达 上 调 , 这 站 现象 显然 与 植物 器 官 中 Cd 的 积累 有 关 (Bovet et al. ,2003 ) 。 3.2.3 YSL 家 族 YSL (yellow stripe-like) 家 族 是 植物 特有 家 族 , 在 YSL 家 族 中 最 好 研究 的 对 象 是 来 自 玉 米 的 植物 重金 属 转 运 蛋 白 及 其 基因 的 研究 进展 103 YSL,YSL 蛋白 被 认为 调节 植物 对 与 植物 铁 载体 (phytosiderophores,PS) Bk A FERRE oe BEAK (NA) 结合 的 金属 的 吸收 、 转 运 ,ZmYSL 蛋白 积聚 在 缺 Fe 植物 的 根 和 叶 中 , 具 有 转运 Fe - PS 的 功能 (Roberts et al. , 2004; Schaayf et al. ,2004) 。 酵 母 转运 研究 指出 ZmYSL 除了 转运 Fe 之 外 可 能 还 转运 其 他 金属 , 包 括 Zn, Ni 和 Cu 等 (Roberts et al. , 2004; Schaayf et al. ,2004) 。 在 植物 中 的 研究 主要 集中 在 水 稻 (Oryza sativa) 和 拟 南 芥 。 在 拟 南 芥 中 AtYSL1 和 AtYSL2 最 近 已 被 详细 研究 : AtYSLI 是 一 个 芽 的 特性 基因 , 在 高 Fe APE MR RK FIM (Le et al., 2005 ) 。YSL2 位 于 内 皮层 (endodermis) 和 中 柱 鞘 (pericycle) , 被 认为 转运 Fe 穿 过 内 皮层 和 中 BRA ARB 〈( 见 图 5)。 在 Fe 充分 情况 下 AtYSL2 转录 产物 增加 (Didonato et al. , 2004; Schaayf et al. , 2005), AtYSL2 转录 水 平 也 回应 Cu 和 Zn 含量 (Didonato et al. , 2004, Schaayf et al., 2005). {H YSL2 单 突 变 体 没 有 明显 的 显 型 : 当 它 生长 在 土壤 上 或 在 各 种 不 同 的 金属 条 件 下 没有 显示 金属 积累 被 改变 (Didonato et al. ,2004) 。 水 稻 基因 组 包含 19 个 公认 的 0sYSLZ 基因 , 在 水 稻 中 OsYSL2 已 被 证 明 转 运 Fe’* -NA 和 Mn -NA, 但 不 转运 Fe’* -PS (Koike et al. , 2004) 。 在 Fe 不 足 的 叶 中 OsYSL2 的 转录 产物 被 诱导 增加 , 而 且 0sYSL2 - CUS 报告 植物 的 分 析 指 出 ,0sYSL2 在 韧 皮 部 中 金属 -NA 的 转运 中 起 作用 (Koike et al. ,2004) ,Fe、 可 能 的 Zn, Mn 和 Cu 在 植物 体内 的 平 衔 明显 依赖 于 YSL。 ALS 拟 南 芥 根 金属 转运 ( 引 自 Elizabeth et al. , 2006) Fig.5 Metal transport in Arabidopsis thaliana root 从 土壤 吸收 Fe 和 Zn, 穿 过 多 层 细 胞 薄膜 , 转 移 到 木质 部 , 转 运 到 地 面 生长 组 织 。 图 示 质 膜 的 转运 体 和 它们 的 转运 底 物 。 在 表皮 (epidermis) 的 IRT1 负责 转运 Fe"* 进入 根 内 。YSL2 位 于 内 皮层 (endodermis) Alf FER (pericycle) , 被 认为 转运 Fe F WAR AP ERA UEA AUER (xylem) 。 两 个 Pe -ATPases,HMA2 和 HMA4 功能 丰富 , 从 根木 质 部 转运 Zn 到 地 面 生 长 组 织 3.2.4 NRAMP 家 族 NRAMP ( natural resistance associated macrophageproteins, ALP HKEMABMEA NRAMP) #—-A PRE RIZEA, NRAMPEARDEEMFILOWARA APR, ba 植物 中 也 发 现 了 其 同 源 序列 并 得 到 克隆 。 水 稻 中 的 3 个 NRAMP 基因 OsNRAMP1, OsNRAMP2 和 OsNRAMP3 以 及 拟 南 芥 中 的 5 个 NRAMP 基因 ACNRAMP1, AtNRAMP2, AtNRAMP3, AtNRAMP4 和 AtNRAMPS 被 相继 殉 隆 (SLA 6). SL) AtNRAMP] 能 修复 铁 转运 蛋白 基因 fer3 /fers 缺陷 型 的 104 态 科 学 进展 (第 四 卷 ) 和 RARS wisenewaawames aeaaesaasaageaise5aawaee did mine mb apie vine wa 证 AR 0 CTE. RS 本 IPGPGFLISIAYIDPGNFE 19 GUAM iss pig oi0) + = > 8h «8 ih tigme. bee ee wale ala) 6 9 y gdid © 90 MGVTKAEAVAATGKVVDD IEALADLRKE PAWKKFLSHIGPGFMVCLAYLDPGNME 55 AtNRAMPL aw eee an。 MPQLENNEPLLINE . . EEEEETAYDETEKVHIVRNEEEDDLEHGVGCGGAPPFSWKKLWLFTGPGFLMSIAFLDPGNLE 77 AtNRAMP3 nc tee eee ee eee MSETDRERPLLASE..ER... .AYEETEKVLIVGIDEEEDADYDDDPGNSPKFSWKKLWLFTGPGFLMSIAFLDPGNLE 73 AtNRAMP2 MENDVKENLEEEEDRLLPPPPPSQS.LPST. .DSESEAAFETNEKILIVDFESPDDPTTGDTP. ..PPFSWRKLWLFTGPGFLMSIAFLDPGNLE 89 站 MRPAFSWRKLWRFTGPGFLMCIAFLDPGNLE 31 AtNRAMP4 MTGSTVSRQENSPKRPNDSNGEFKRLLVPETSQPEEDELHESPPENQILNVEEDRDKTYD. . . .SVPPFSWAKLWKFTGPGFLMSIAFLDPGNIE 91 MONRAMPL = nec c cee ese nves MISDKSPPRLSRPSYGSISSLPGPAPQPAPCRETYLSEKIPIPSADQGT. .FSLRKLWAFTGPGFLMSIAFLDPGNIE 76 * kart * eetk & M1 AtNRBMBPS 和。 0 OsNRAMP3 TDLQAGAQYKYELLWI ILIASCAALI IQSLAARLGVVTGKPPGPSIAEVEY PKATNF ILWILAELAVVACDIPEVIGTAFALNMLFK. .SLCGVV 112 OsNRAMP1 TDLQAGANHKYELLWVILIGLIFALIIQSLSANLGVVTGRHLA . ELCKTEYPVWVKTCLWLLAELAVIASDIPEVIGTGFAFNLLFH. .IPVWTG 147 AtNRAMP1 GDLQAGAVAGY SLLWLLMWATAMGLLVOQLLSARLGVATGRHLA . ELCRDEY PTWARMVLWVMAELALIGSDIQEVIGSAIAIKILSNGILPLWAG 171 AtNRAMP3 SDLQAGAIAGYSLIWLLMWATAIGLLIQLLSARLGVATGRHLA . 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" AISLLGAMVMPENLFLBSELVLSRK 205 OsNRAMP1 VLIAGSSTLLLLGLORYGVRKLEVVVALLVEVMAGCFFEVEMSIVKPPVNEVLOGLFIPRLSGPGATGD. .SIALLGALVMPHNLFLHSALVLSRN 240 AtNRAMP1 VVITALDCFVFLFLENYGIRKLEAVFAVLIATMGVSFAWMFGQAKPSGSELLIGILVPK. . .LSSRTIQKAVGVVGCIIMPHNVFLHSALVOSRE 263 AtNRAMP3 VVITALDWF IFLFLENYGIRKLEAVFAILIATMALAFAWMFGOTKPSGTELLVGALVPK. . .LSSRTIKQAVGIVGCIIMPHNVFLHSALVQSRE 259 AtNRAMP2 VVITASDCFLFLFLENYGVRKLEAVFAVLIATMGLSFAWMEGETKPSGKELMIGILLPR. . .LSSKTIRQAVGVVGCVIMPHNVFLHSALVOSRK 275 OsNRAMP2 VVITAFDCFIFLFLENYGVRKLEAFFGVLIAVMAVSFAIMFGETKPSGKDLLIGLVVPK. . . LSSRTIKQAVGIVGCIIMPHNVFLHSALVESRK 217 AtNRAMP4 VIITSFDCFLISYLEKCGMRKLEGLFAVLIATMALSFAWMENETKPSVEELFIGIIIPK. . .LGSKTIREAVGVVGCVITPHNVELHSALVOSRK 277 MmNRAMP1 RENEE Ep attend 265 + et i) a Oa ae 四 : a Pee REE ST M4 M5 M6 AtNRAMPS _. . PRSASGIKEACRFYLIESG, LALMVAFLINVSVISV............ SGAVCNAPSESP.... . EDRANCEDLDLNKASFLLRNVVGEKWSSK 75 OsNRAMP3 #.EKRSVHGIKEACRFYMIESAFLALTIAFLINISIISV............ MivccspgasP..... EDOMSSSpLDLNKRASELLKNVLGNWSSK 282 OsNRAMP1 §.TPASAKGMKDACRFFLFESG.IALFVALLVNIAIISV............ SGTVCIRWaSP..... EDAVKCSDLTLDSSSFLLRNVLGKSSAT 316 AtNRAMP1 VDKROKYRVQEALNYYTIES. TIALFISFLINLFVTTVFAKGFY ..NTDLANSI....GLVNAGOYLQ........ EKYGGGVF....... PILY 336 AtNRAMP3 VDPKKRFRVKEALKYYSIES. TGALAVSFIINVFVTTVFAKSFY ..GTEIADTI....GLANAGQYLQ........ DKYGGGFF.......PILY 332 AtNRAMP2 IDPKRKSRVQEALNYYLIES.SVALFISFMINLFVTTVFARGFY . .GTEKANNI....GLVNAGQYLQ........EKFGGGLL....... PILY 348 OsNRAMP2 IDTNKKSRVQEAVFYYNIES.ILALVVSFFINICVTTVFAKGFY . .GSEQADGI....GLENAGQYLQ........QKYGTAFF.......PILY 290 AtNRAMP4 §TDPKEINRVQEALNYYTIES. SAALFVSFMINLFVTAVFAKGFY . .GTKQADSI....GLVNAGYYLQ........ EKYGGGVF...... -PILY 350 MmNRAMP1 § VDRTRRVDVREANMYFLIEA. TIALSVSELINLEVMAVE GOAFY QQTNEEAENICASEELONYAKIF PROJSEVSVDIY QGGVILGCLEGPAALY 359 * * ** M7 M8 AtNRAMP5 Hy MeOH ¥ le OSST I TGTYAGOY VMLGFLDIO 330 3) 2 | Sas Se ee 工业 OsNRAMP3 LFAVALLASG OS pe aicse ¢\eie) av ele) pheLRMT PWIRNLLTRSLAILPSLIVSIIGGSSAAGQLII . . IASMILTFEPSFASSSTPKIHKQQDK 375 OsNRAMP1 VYGVALLASGOEiy um veyed Xelop a’ cele) aa) KMKOWLRNLMTRS IAIVPSLIVSIIGGSSGAGRLIV. . IASMILSFELPFALIPLLKFSSSSNK 409 AtNRAMP1 ba eke VNCOSSTI TGTYAGOF IMGGF LN) RALITRSCAIIPTIIVALVFDSSEATLDVLNEWLNVLOSIQIPFALIPLLCLVSKEQI 431 ; ossrT TGTYAGQFIMGGEFL RALITRSCAIIPTMIVALVFDSSDSMLDELNEWLNVLOQSVOIPFAVIPLLCLVSNEQI 427 R RAMI TRSFAIIPTMIVALFFDTEDPTMDILNEALNVLOSIQIPFALIPLITLVSKEQV 385 AtNRAMP4 IWGIGLLAAG CEE pee iere a Xe'e) waving) BheLOMEQWLSAF I TRSFAIVPTMFVAIMFNTSEGSLDVLNEWLNILOSMQIPFAVIPLLTMVSNEHI 445 CoB yireleye eXee) ay ine) 2asLRWSREARVLLTRSCAILPTVLVAVERDLED . - LSGLNDLLNVLQSLLLPFAVLPILTFTSMPAV 452 * 文才 ReKHKER Of Ree ket tk & + M9 M10 PTOI oo on 5 nip Sion iaginity sikwsig 8.0: ip egy SIs ay eo 'S1G\io) din eke @ Se =. vie Sia'm ee, se, 0. 0.8 kt. aiaee Dol ans a die a Cie 114 OsNRAMP3 EGRET: 6 one to OV dete Sie Vie tia.s c wines as ne 0's darae.n 6 SraMRt aS Sie ied ce: Shalit ote acme oo re etic ann 385 OsNRAMP1 MGENKNSIYIVGFSWVLGFVIIGINIYFLSTKLVGWI LNALPTFANVLIGIVLFPLMLLYVVAVIYLTFRKD1VKFVSRRELONGDDTEEAONA 504 AtNRAMP1 MGSFKIGPLYKTIAWLVAALVIMINGYLLLEFFSNEVSGIVY TGFVTLFTASYGAFILYLIARGITF.TPWPFKAESSH.......... Ar 509 AtNRAMP3 MGSFKIQPLVQTISWIVAALVIAINGYLMVDFFSGAATNLILLVPVIIFAIAYVVFVLYLISRGLTY . TPWOLVA.SSHKEPQRDDE........ 512 AtNRAMP2 MGVFKIGPILQRIAWTVAALVMI INGYLLLDFFVSEVDGFLFGVTVCVWTTAYIAFIVYLISHSNFFPSPW. ..SSSSIELPKRVSVSNS..... 530 OsNRAMP2 MGSFVVGPI TKVISWIVTIVFLMLINGYLILSFYATEVRGALVRSSLCVVLAVYLAF IVYLIMQNTSLYSRLRSAMTKST.........-e.0500s 464 AtNRAMP4 MGVFKIGPSLEKLAWTVAVFEVMMINGY LLLDFFMAEVEGFLVGFLVFGGVVGY I SFI IYLVSYRSSQSSSWSSLEMSERVVSTET.......... 530 MmNRAMP1 MQEFANGRMSKAITSCIMALVCAINLYFVISYLPSLPHPAYFG,. LVALFAIGYLGLTAYL. AWTCCIAHGATFLTHSSHKHFLYGLPNEEQGGVQ 545 * + eee M11 M12 po Ee ee A eS Sen ee ee ee ee ee ee 111 和 385 OsNRAMP1 和 Siv AR Citi atpum c@lovm luc Teiece ac ck-cudun op? oj ht at 509 en Le oe i a a ci SCM 512 SE ee eI re ee ea oe ee Oe oe he ee a eemre eT 530 全 生生, 二 Wo rin URiave wien le y ade dtage cB supa e o's bl Tae Reale. oe eee. OL mu. Se a ae 0 ee 464 nn specail: Cla bun cisnsab iar“ 8) a) hes Nk ons calisthenics 530 MmNRAMP1 ER 548 图 6 植物 和 哺乳 动物 NRAMP 蛋白 序列 的 比较 分 析 (51 A Lorraine et al. , 2000) Fig.6 Multiple alignment of plant and mammalian NRAMP protein sequences 序列 下 的 星 号 表示 同一 氨基 酸 , 下 划 线 部 分 表示 跨 膜 域 (M1 ~ M12) , 保 守 的 转运 序列 用 黑色 标注 人 植物 重金 属 转运 蛋白 及 其 基因 的 研究 进展 105 缺 Fe 症状, 并且 在 Fe 缺乏 的 时 候 能 够 超 量 表达 , 可 能 与 Fe 的 吸收 和 体内 平衡 有 关 (Curie et al. ,2000) 。 植 物 中 毒 研 究 发 现 AINRAMP1 有 助 于 酵母 突变 体 对 Fe 的 吸收 ,在 超 表达 的 AtNRAMP1 植 物 中 观察 到 AtINRAMP1 增加 了 植物 对 有 毒 Fe 的 抗 性 (Curie et al. ,2000 ) At NRAMP3 和 AtNRAMP4 具有 转 出 液 泡 (vacuolar) 中 储存 的 Fe WINE (Elizabeth et al. , 2006) ( 见 图 3) 。AtNRAMP3 还 可 能 与 Cd 的 吸收 有 关 。AtNRAMP1 、AtNRAMP2 和 AtNRAMP3 在 酵 母 菌 中 的 单独 表达 证 明 它 们 与 Ma 的 吸收 有 关 。 这 些 转运 体 在 金属 离子 浓度 增加 时 表达 会 受 到 抑制 〈(Thomine et al. ,2000 ) 。 最 近 一 个 AtNRAMP4 同族 体 一 一 TiNRAMP4, 已 从 Ni 超 积累 41 (Thlaspi japonicum, ®@K KRW —-Th) 中 被 克隆 ,TiNRAMP4 可 能 成 为 抗 Ni 的 因素 (Mizuno et al. , 2005), T)NRAMP4 的 表达 增加 了 野生 型 酵母 对 Ni 敏感 性 而 且 导 致 Ni 积累 的 微量 提高 ,表明 TiNRAMP4 蛋白 可 能 转运 Ni 进入 细胞 质 (Mizuno et al., 2005), AW TiNRAMP4 似 乎 不 转运 Zn, Cd 或 Mn,TiNRAMP4 可 能 在 Ni 转运 过 程 中 有 一 特定 的 功能 (Mizuno et al. ,2005 ) 。 3.2.5 CAX (cation exchange) 转运 占 拟 南 芥 中 的 CAX1 为 一 液 泡 H /Ca “转运 体 , 和 CAX3 一 样 , 可 增加 荃 中 Mn Al Zn “的 浓 度 , 降 低 葵 中 Ca’* 和 Mg 的 浓度 (Eide et al. , 1996), CAX2 具有 转运 Ca , Cd?*, Mn’ 的 功 能 , 在 烟草 中 表达 CAX2 , 可 增加 耐 Mn #E (Pence et al. , 2000), AtCAX2 或 AtCAX4 基因 编码 二 价 阳离子 /质子 转运 体 , 在 烟草 中 可 提高 Cd 和 Zn 选择 性 转运 进入 根 液 泡 膜 , 还 能 提高 植物 根 Cd 积累 (Victor et al. ,2007 ) 。 生 长 在 相同 Cd, Zn 和 Mn 毒害 水 平 的 AtCAX2 和 AtCAX4 表 达 效 果 研 究 显 示 : 在 35SAtCAX2 和 FS3AtCAX4 植物 中 , 三 种 金属 较 少 抑制 生长 (更 高 抗 性 ) (Victor et al. ,2007 ) 。 这 与 Cd 抗 性 观察 结果 一 致 ,FS3AtCAX4 植物 当 生 长 在 Cd (3pmol/L) + BERT FS3AtCAX4 的 表达 同样 减少 , 而 且 液 泡 质 子 泄漏 提高 , 这 些 植物 的 根 液 泡 膜 质子 转运 体 活 动 也 保持 提高 (Victor et al. ,2007) 。CAX 转运 体 , 不 像 液 泡 膜 质子 泵 , 不 会 被 高 Cd 影响 , 而 上 且 那些 含有 AtCAX 的 液 泡 膜 弥 补 了 液 泡 膜 质 子 泵 和 质子 泄漏 , 因 此 造成 液 泡 Cd 充分 积累 从 而 提 高 抗 性 。 在 烟草 中 这 些 结果 与 液 泡 CAX2 和 CAX4 转运 体 在 抗 高 毒 水 平 的 Cd、Zn 和 Mn 的 作用 一 致 (Victor et al. ,2007 ) 。 3.2.6 COPT (copper transporter) 家 族 与 Cu 转运 密切 相关 的 COPT (copper transporter) 蛋白 家 族 在 真 核 生 物 中 普遍 存在 , 拟 南 芥 中 COPT 家 族 包 括 五 个 成 员 COPT1 ~ COPTS (Sancenon et al. ,2003 ) 。 这 些 蛋 白质 功能 互补 和 具 有 转运 铜 的 功能 在 酵母 高 亲 和 铜 转运 突变 体 中 已 被 确定 。 用 RT - PCR 分 析 了 拟 南 芥 不 同 组 织 的 COPT1 ~COPTS mRNA 的 具体 表达 模式 , 发 现 虽 然 所 有 的 成 员 都 被 表达 , 但 在 根 、 蔡 、 叶 和 花 中 , 它 们 的 表达 量 不 同 , 而 且 稳 定 的 COPT1 和 COPT2 的 mRNA, 以 及 在 补助 酵母 高 亲 和 铜 转运 突变 体 中 最 有 效 的 成 员 , 在 铜 过 量 时 低 水 平 表 达 , 这 与 这 些 蛋白 质 在 拟 南 芥 细胞 中 参与 铜 转运 的 作用 一 致 (Vicente et al. ,2003 ) 。 至 今 , 仅 COPT1 被 详细 地 摘 述 了 。COPTI1 抗 敏感 植物 显示 Cu 的 转运 减少 , 而 且 在 叶 中 cu 的 积累 也 减少 (Sancenon et al. ,2004) 。COPTI1 抗 敏 感 植物 显示 花粉 发 育 不 全 和 根 长 增 加 , 但 这 些 表 型 可 通过 补充 Cu 逆转 (Sancenon et al. ,2004 ) 。 这 些 观 测报 告 与 在 花粉 和 根 尖 中 COPT1 表达 的 报告 一 致 , 而 且 指 出 COPT1 在 植物 生长 发 育 中 起 作用 (Sancenon et al. , 2004) 。 106 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) Rl 所 讨论 基因 的 概括 ” Table 1 Summary of genes discussed in the context 所 讨论 基因 组 织 表 达 细胞 定位 诱导 条 件 已 知 转运 底 物 参考 资料 编码 金属 外 排 蛋白 P,,-ATPase (8) 根 维 管 系统 , AtHMA2/4 Ja fe Zn, Cd ( Verret et al. , 2005) ¥, EO ie ( Andres-Colas et al. , AtHMA5 根 , 花 + Cu Cu 2006 ) AtHMA6 ig. ¥ 质 膜 (Abdel-Chany et al. , (PAA1) saa ‘ ‘ 2005 ) AtHMA8 ( Abdel-Ghany et al. , 芽 25 BE fk Cu (PAA2) 2005 ) aes a. 叶绿体 膜 ( Seigneurin-Berny et t ’ al. , 2005) CDF (12) AtMTP1 HR, 4, HE 液 泡 膜 Zn (Kobae et al. , 2004) AhMTP1 根 WR He AB + Zn Zn ( Drager et al. , 2004) TgMTPI1 Ja Zn (Kim et al. , 2004) 编码 金属 吸收 蛋白 ZIP (16) 5 Lopez-Mill Gal.% OsZIP4 er a 质 腊 Zu prt mere sonar 皮 部 分 裂 组 织 ) 2004 ) ( Lopez-Millan et al. , MtZIP1 根 , 叶 27 Zn 2004 ) - Mn, - Fe ( Lopez-Millan et al. , MtZIP3 根 , 叶 Fe 抑制 2004 ) TcZNTI1 -Zn Zn (Pence et al. , 2000) AtZIP1/3 根 -Zn Zn (Grotz et al. ,1998 ) AhZIP6 mR, F Zn ( Becher et al. , 2004) TjZNT1/2 Ni, +2Zn Ni, Zn (Takafumi et al. ,2007) AtIRT1 +Mn Mn (Vicente et al. , 2003) ABC (14) AtATM3 根 Ca,’ Pp Cd, Pb (Kim et al. , 2006) AtPDRI2 BR, = + Pb Pb (Le et al. , 2005) roan OX: Oa od 0 ScYCF1 Cd, Pb, Hg (Gueldry et al. , 2003) Hg Ke Eee 5 fr te eT ae Tyg Eee Sage ae gq 植物 重金 属 转 运 蛋 白 及 其 基因 的 研究 进展 107 续 表 所 讨论 基因 组 织 表 达 细胞 定位 诱导 条 件 已 知 转运 底 物 参考 资料 (Kolukisaoglu et al. , AtMRP3 +Cd Cd 2002 ) SLMS?) Fe-PS, Cu- ZmYS1 Kh, -Fe ae (Roberts et al. , 2004) AtYSL1 ER +Fe Fe-NA (Le et al. , 2005) + Fe, - Zn AtYSL2 Rm, F 质 膜 (Schaayf et al. , 2005) 抑制 iia aie OsYSL2 VE DLTE RES (AOL geht faeries .( 1) onitsen) seve yin - 等 i aw: vo a@ ©) me “Piahto 的 GE 人 hd fia ’ cont ee. apis tT « 志和、 8 ol . . ~~ 2 ey ie petes pened ee a a a » 要 (TY § lew The i 有 fe pr 可 > : . * . ez 人 ie wi @in eodtle & Hrs oe : ° wes Ga USA. aM, 9 mpegs wt ase &%,D Temiaa! g iret Tri at (gape, ras er oa 0 s Ate WA “fs — BOMERTS 1 A % ws Volo - office eluerophare maw <> i, 2006. 张 国 洲 , 瑞 香 狼 毒 的 杀 虫 活性 和 有 效 成 分 研究 [D]. 广州 : 华南 农业 大 学 1999. 张 国 洲 , 陈 于 年 , 王 亚 维 , 等 .瑞香 狼 毒 根 所 取 物 对 菜 粉 蝶 幼 虫 的 触 杀 作用 (J). 华中 师范 大 学 学 报 ,2000a, 34 (4) : 460-462. 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(1 School of Life Sciences, Shandong University, Jinan 250100, China; 2 Institute of Environment Research, Shandong University, Jinan 250100, China) Wang Shu-jun = Liu Jian? Wang Ren-qing! > fi 要 生态 补偿 机 制 是 对 造成 自然 环境 破坏 的 社会 和 经 济 行为 进行 处 罚 、 对 生态 环境 保护 的 行为 实行 奖励 的 制度 , 旨 在 寻求 经 济 与 环境 以 及 人 与 自然 的 协调 发 展 , 是 连接 经 济 发 展 与 生态 环境 保护 的 纽带 , 不 但 能 为 生态 保护 筹措 资金 , 而 且 能 统筹 协调 各 行业 的 关系 , 促 进 产 业 更 新 , 引导 循环 经 济 和 清洁 生产 的 发 展 , 促 进 建设 资源 节余 型 社会 。 本 文 介 绍 了 生态 补偿 的 概念 、 经 济 学 原理 及 补偿 网 络 的 构成 , 并 针对 当前 生态 补偿 主要 集中 在 理论 和 政策 研究 的 情况 , 分 析 了 在 确 定 生 态 补偿 的 补偿 依据 和 补偿 额度 方面 所 面临 的 问题 , 引 进 生 态 系统 服务 功能 评价 的 原理 与 方 法 , 探 讨 将 生态 系统 服务 功能 评价 应 用 于 生态 补偿 的 可 行 性 。 依 据 生态 系统 服务 功能 评价 能 够 较 为 准确 地 反映 出 各 个 生态 系统 不 同 生 态 服务 功能 的 价值 , 能 为 生态 补偿 的 实施 提供 核算 依据 。 本 文 最 后 讨论 了 将 生态 补偿 机 制 与 生态 系统 服务 功能 评价 相 结合 在 生态 环境 保护 和 提高 自然 资源 利 用 率 等 方面 的 前 景 。 关键 词 ”生态 补偿 ; 生态 系统 服务 功能 ; 补偿 依据 Abstract Ecological compensation, which punishes the activities leading to environmental damage and encourages the organizations or individuals who contributes to the protection of environment, is an 基金 项 目 : 山东 省 环境 保护 科技 计划 项 目 (2006049), 山 东 省 优秀 中 青年 科学 家 科研 奖励 基金 (2006BS08008 ) , 山 东 省 软 科 学 研究 计划 (A200527 -1) 资助 。 作者 简介 : EWE (1982 一 ) , 男 〈 汉 族 ) , 山 东 人 ,博士 研究 生 , 主 要 从 事 环 境 生态 学 和 生态 经 济 学 研究 。 E - mail:shujunwang@ mail. sdu. edu. en * “通讯 作者 : wrq@ sdu. edu. cn 128 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) effective way to deal with the problems caused by socio-economic development. Ecological compensation also plays an important role to achieve the coordinated and sustainable development of society, economy and environment and to develop the resources-saving and environment-friendly society. However, ecosystem is often too complex, socially contentious and full of uncertainties, and the values of many ecosystem services are neglected now. These factors have caused ecological compensation lacking of scientific bases to put into force. The concept of ecological compensation and its economic principle and structure were first illuminated. Then we analyzed the possibility to take ecosystem services function assessment as a way to cope with the valuation of different ecosystem services. The result found that the — ecosystem services function assessment could act as compensation bases to promote the application of ecological compensation. The measures to combine the ecological compensation with ecosystem services function assessment to protect and improve the environmental quality and to promote the use efficiency of natural resources were discussed. Key words compensation bases; ecological compensation; ecosystem services function assessment La Al) Dil 从 农业 化 社会 、 工 业 化 社会 一 路 走 来 , 人 类 形成 了 自然 资源 零 价 值 的 惯性 思维 , 认 为 自然 资 源 是 取 之 不 尽 用 之 不 竭 的 , 因 此 从 未 考虑 过 如 何 高 效 地 利用 资源 (Alexander et al. , 1998; Daily et al. , 2000; Batabyal et al. , 2003; Tallis and Kareiva ,2005 ) 。 但 是 在 自然 资源 日 渐 和 稀少、 环境 破坏 与 日 俱 增 的 现实 面前 , 人 类 不 得 不 寻求 提高 资源 利用 效率 、 保 护 自然 环境 的 有 效 途 径 , 而 解 决 这 一 问题 的 前 提 就 是 要 打破 资源 零 价 值 的 思维 定式 , 给 环境 赋值 (Costanza et al, 1997; Alexander et al, 1998; Daily et al; 2000) 。 作 为 统筹 兼顾 环境 保护 与 经 济 发 展 的 体制 , 生 态 补 偿 。 机 制 (ecological compensation) 将 生态 科学 与 经 济 学 、 环 境 科 学 相 结合 , 为 决策 者 提供 环境 保护 方面 的 信息 , 使 其 在 政策 的 制定 过 程 中 充分 考虑 该 政策 可 能 对 环境 造成 的 影响 ( Costanza et al. , 1997; Buttoud, 2000; Daily et al. , 2000; Chee, 2004; Tallis and Kareiva,2005 ) , 成 为 解决 上 述 环境 问题 的 一 种 有 效 手段 。 “a 然而 , 目 前 生态 补偿 机 制 的 研究 主要 停留 在 政策 与 理论 层面 , 在 生态 补偿 的 参与 者 、 补 偿 的 资金 来 源 及 补偿 方式 的 研究 方面 虽 已 有 突破 〈( 洪 尚 群 ,2002; 毛 显 强 等 ,2002; HH, 2005; MH 丽 ,2005; 曹 明 德 ,2006; 杜 群 等 ,2006; 王 滩 然 等 ,2006) , 但 是 由 于 生态 系统 是 极其 复杂 、 彼此 间 紧 密 联 系 的 ( Coatanza et al. , 1997; Daily et al. , 2000; De Groot et al. , 2002; Chee, 2004; Borchers, 2005; Winkler, 2006a) , 因 此 生态 补偿 机 制 在 环境 的 价值 评价 、 生 态 补偿 额 度 、 补 偿 资 金 的 使 用 等 问题 方面 还 普遍 存在 争议 (Winkler, 2006a; Winkler,2006b) , 导 致 生态 补偿 在 补偿 依据 上 缺乏 数据 支持 , 阻 碍 了 生态 补偿 机 制 的 广泛 开展 。 生态 系统 服务 功能 评价 ( ecosystem services function assessment, ESFA) 为 解决 生态 补偿 的 这 一 问题 提供 了 方法 与 数据 支持 。ESFA 将 经 济 学 方法 和 生态 学 原理 结合 起 来 , 在 生态 环境 定价 方 面 取得 了 一 定 的 成 果 , 能 够 较为 详尽 地 计算 出 各 个 生态 系统 不 同 生 态 系统 服务 功能 的 价值 , 为 人 们 更 好 地 理解 生态 环境 的 价值 提供 了 量化 标准 (Costanza et al. ,1997; 张志强 等 ,2001; De Groot et al. , 2002), , 可 以 为 生态 补偿 提供 较为 实际 可 靠 的 数据 依据 。 本 文 在 综述 生态 补偿 理论 的 概念 、 经 济 学 原理 和 补偿 机 制 组 成 的 基础 上 , 分 析 了 生态 补偿 尚 存在 的 争议 和 问题 , 探 讨 了 将 生态 系统 服务 功能 评价 的 结果 作为 补偿 量化 依据 在 生态 补偿 中 应 用 生态 补偿 机 制 与 生态 系统 服务 功能 评价 129 的 可 行 性 。 2. 生态 补偿 理论 2.1 生态 补偿 的 概念 生态 补偿 (ecological compensation) 一 词 是 荷兰 政府 于 1993 年 在 解决 全 国 IS 条 高 速 公 路 的 选 址 问题 时 提出 来 的 ,Cuperus 等 进一步 完善 了 生态 补偿 的 原理 , 确 定 了 施行 生态 补偿 的 原则 就 是 要 首先 避免 生态 损失 , 如 果 无 法 避免 就 要 减少 生态 损失 , 然 后 再 对 损失 部 分 进行 补偿 , 即 无 净 损失 (No-Net-Loss) 原则 。 在 补偿 的 方式 上 , 首 先 考 虑 实物 补偿 或 者 提高 其 他 具有 相似 功能 生 态 区 的 生态 质量 的 补偿 方式 , 其 次 才 考 虑 以 经 济 手 段 来 进行 补偿 (Cuperus et al. , 1996; Cuperus et al. , 1999; Cuperus ef al. , 2001; Cuperus et al. ,2002 ) 。 目 前 国际 上 与 我 国生 态 补偿 原理 和 目的 相同 的 环境 保护 理论 体系 被 称 为 生态 服务 付费 体系 (Payment for Ecological Services System, PES), Pagliola (2002) 将 PES 定义 为 由 于 生态 系统 向 社会 公众 提供 了 各 种 各 样 的 环境 服务 , 该 地 方 的 拥有 者 或 管理 者 、 维 护 者 向 环境 服务 的 消费 者 索取 补偿 , 以 此 来 激励 环境 保护 的 一 种 机 制 。 ”关于 生态 补偿 的 定义 国际 上 尚未 统一 。 毛 显 强 等 将 生态 补偿 定义 为 “通过 对 损害 (MRP) 资源 环境 的 行为 进行 收费 〈 或 补偿 ) , 提 高 该 行为 的 成 本 (或 收益 ) , 从 而 激励 损害 (RAP) 行为 的 主体 减少 〈 或 增加 ) 因 其 行为 带 来 的 外 部 不 经 济 性 〈 或 外 部 经 济 性 ) , 达 到 保护 资源 的 目 的 ”( 毛 显 强 等 ,2002); 杜 群 从 法 律 角度 将 生态 补偿 定义 为 : 国家 或 社会 主体 之 间 约 定 对 损害 资源 环境 的 行为 , 要 向 资源 环境 开发 利用 主体 进行 收费 或 向 保护 资源 环境 的 主体 提供 利益 补偿 性 措施 , 并 将 所 征收 的 费用 或 补偿 性 措施 的 惠 益 通过 约定 的 某 种 形式 转达 到 因 资 源 环 境 开发 利用 或 保护 资源 环境 而 自身 利益 受到 损害 的 主体 , 以 达到 保护 资源 的 目的 的 过 程 〈( 杜 群 ,2005 ) 。 2.2 生态 补偿 的 经 济 学 原理 生态 补偿 理论 结合 了 生态 学 、 经 济 学 、 环 境 科 学 的 系统 知识 , 以 生态 学 和 环境 科学 为 理论 指 导 和 基础 , 运 用 经 济 学 的 原理 和 方法 , 解 决 生态 环 境 的 破坏 问题 , 已 经 成 为 目前 国际 社会 上 研究 生态 环境 问题 的 一 个 主流 。 生 态 补偿 主要 涉及 的 经 济 学 理论 包括 以 下 内 容 。 2.2.1 公共 物品 理论 与 外 部 效应 理论 像 自 然 资 源 这 样 具 有 非 竞争 性 和 非 排他 性 特征 的 物品 , 微 观 经 济 学 中 称 其 为 公共 物品 (Mankiw, 2004; 王 丰年 ,2006) 。 由 于 自然 资源 的 公共 物品 的 属性 , 在 微观 经 济 主 体 对 其 使 用 的 过 程 中 , 无 法 体现 其 实际 价值 , 因 而 不 能 通过 市 场 手 段 将 其 合理 配置 , 从 而 引起 市 场 失 灵 , 继 而 引发 自然 资源 消费 的 外 部 效应 , 产 生 外 部 不 经 济 效应 , 即 利益 由 资源 使 用 者 获得 , 并 导致 自然 资源 减少 、 环 境 污 染 和 生态 失衡 , 却 由 整个 社会 来 承担 其 成 本 (Mankiw, 2004; 王 丰 年 , 2006 ) 。 运用 外 部 效应 理论 来 解释 环境 恶化 的 原理 是 来 源 于 庇 古 (Pigou) 的 思想 。 庇 古 在 1920 年 出 版 的 《福利 经 济 学 》 一 书 中 提出 了 通过 对 引起 外 部 不 经 济 性 的 活动 征 税 以 纠正 外 部 不 经 济 的 办 法 《〈 庇 十 ,1999) , 即 征收 自然 资源 使 用 的 “ 庇 古 税 ” ( 毛 显 强 等 ,2002; Mankiw, 2004; 王 丰 4E, 2006) 。 2.2.2 FHA HBC Coase 在 1960 年 The Problem of Social Cost 一 文 的 发 表 , 提 出 环境 问题 不 是 由 于 市 场 缺 陷 而 是 由 于 环境 资源 产权 的 不 明确 所 致 的 论断 , 如 果 没 有 排他 性 产权 安排 , 必 然 会 导致 环境 资源 的 过 130 生态 科学 进展 (FOR) 度 开 发 利用 (Coasr,1960) 。 因 此 , 产 权 学 派 认 为 制止 环境 资源 滥用 、 提 高 自然 资源 利用 效率 最 有 效 的 方法 就 是 明确 环境 资源 的 产权 , 建 立 起 环境 资源 产权 市 场 , 然 后 让 市 场 来 配置 环境 资源 (Coasr,1960) 。 按 照 “ 科 斯 定理 ”, 只 要 交易 成 本 为 零 , 不 论 产权 界定 给 谁 , 市 场 都 会 实现 最 优 。 资源 配置 的 效果 ( 毛 显 强 等 ,2002; Mankiw,2004) 。 产 权 理论 并 不 是 对 外 部 性 理论 的 蔡 代 , 而 是 进一步 丰富 了 经 济 学 家 对 环境 问题 的 解释 。 在 庇 古 税 和 科斯 定理 的 指导 下 , 环 境 经 济 学 家 提出 了 以 直接 管制 、 征 税 、 排 污 权 交易 等 各 种 途径 来 解决 环境 问题 的 政策 。 2.3 生态 补偿 机 制 的 组 成 建立 生态 系统 服务 付费 市 场 机 制 受 很 多 因素 影响 (图 1)。 按 照 生 态 补偿 的 来 源 、 过 程 、 接 受 者 的 不 同 , 生 态 补偿 机 制 可 分 为 补偿 主体 、 补 偿 客体 、 补 偿 方式 三 个 组 成 部 分 。 建立 生态 系统 服务 付费 的 关键 要 素 公共 付费 方案 ‘dah er ea g 确认 生态 系统 服务 功能 oo (包括 服务 于 现在 和 未 来 的 生态 系统 服务 付费 市 场 的 建立 提供 法 律 、 调 控 和 管理 支持 (包括 为 生态 系统 服务 付费 市 场 的 建立 提供 正面 的 支持 ) 提供 制度 支持 (和 @ 括 公众 或 私人 为 生态 系统 服务 从 发 市 场 的 建立 成 立 基金 等 ) 让 当地 的 社区 和 利益 相关 者 参与 进来 (包括 社区 、 非 政府 组 织 、 人 金融 单位 、 公 司 和 政府 等 ) 使 市 场 信息 充分 传播 技术 支持 和 (为 生态 系统 服务 的 提供 者 、 消 费 者 和 其 他 市 场 参与 者 提供 包括 培训 、 教 育 和 咨询 在 内 的 帮 有 财政 支持 (为 包括 生态 系统 管理 在 内 的 所 有 的 要 素 提供 资金 支持 ) 为 市 场 参 与 者 提供 支持 (包括 法 律 咨询 、 生 态 系统 服务 价值 的 评估 以 及 评价 技术 等 ) 为 建立 生态 系统 服务 付费 市 场 确立 付费 标准 普及 生态 系统 服务 , 以 及 其 服务 付费 和 服务 市 场 的 知识 (主要 是 对 决策 者 以 及 潜在 的 生态 系统 服务 提供 者 和 消费 者 普及 知识 ) 图 1 建立 生态 系统 服务 付费 市 场 机 制 的 关键 因素 (Scherr et al. , 2006) | Fig. 1 Essential components for establishing ecosystem services payments and markets (Scherr et al. , 2006) 2.3.1 补偿 主体 生态 补偿 的 补偿 主体 是 指 在 自然 资源 的 开发 利用 过 程 中 , 由 于 产生 了 环境 污染 、 景 观 破坏 、 生态 失衡 、 生 物 多 样 性 降低 等 外 部 不 经 济 性 , 从 而 需要 承担 一 定 责任 、 提 供 补偿 资源 的 组 织 或 个 人 , 如 果 主 体 不 明确 , 则 由 政府 来 承担 弥补 损失 的 责任 。 各 级 政府 通过 制定 优惠 政策 , 下 放 部 分 权利 , 从 政府 财政 提供 资金 等 形式 , 以 及 向 损害 环境 和 消费 自然 资源 的 企业 (如 化 工厂 、 石 灰 厂 、 水 泥 厂 、 造 纸 三 等 ) 、 组 织 、 个 人 等 收缴 生态 环境 生态 补偿 机 制 与 生态 系统 服务 功能 评价 131 保护 税 费 , 为 生态 补偿 提供 支持 ; 金融 机 构 通过 向 补偿 客体 提供 优惠 贷款 , 或 者 向 补偿 地 区 直接 投资 , 以 促进 受 偿 地 区 的 经 济 发 展 , 修 复 遭 受 破坏 的 环境 , 并 有 足够 的 资金 进一步 保护 和 加 强 环 境 建 设 ; 民间 组 织 和 环保 社团 通过 宣传 生态 保护 意识 提高 民众 对 保护 生态 环境 的 重要 性 的 认识 , 普及 环保 知识 , 在 此 基础 上 呼吁 民众 以 自觉 捐款 等 形式 为 生态 保护 和 生态 补偿 筹集 人 力 资源 、 物 力 资源 以 及 生态 补偿 资金 ; 国际 组 织 如 联合 国 环境 署 、 世 界 银行 、 边 界 银行 、 亚 洲 银 行 等 官方 国 际 组 织 和 世界 野生 动物 保护 基金 会 等 民间 国际 组 织 , 可 以 直接 对 受 补偿 地 区 或 群体 进行 补偿 , 也 可 通过 政府 补偿 机 构 或 民间 补偿 组 织 , 进 行 间接 补偿 〈 洪 尚 群 等 ,2002; 杜 群 ,2005 ) 。 2.3.2 补偿 客体 生态 补偿 的 补偿 客体 是 指 遭 受 自 然 资 源 破坏 、 消 耗 的 地 区 , 或 因 自 然 环 境 破 坏 而 导致 其 生存 状况 或 生活 水 平等 下 降 的 组 织 或 个 人 , 或 者 在 保护 自然 环境 、 促 进 环境 发 展 等 方面 做 出 贡献 的 组 织 或 个 人 。 补偿 客体 是 多 样 化 的 , 所 有 致力 于 环境 保护 的 地 方 政 府 、 组 织 、 社 团 、 个 人 以 及 生态 环境 遭 到 破坏 地 区 的 政府 、 个 人 等 都 可 作为 生态 补偿 的 客体 , 接 受 来 自 于 补偿 主体 的 补偿 CRE, 2005; 杜 群 等 ,2006 ) 。 2.3.3 补偿 方式 生态 补偿 的 补偿 方式 是 指 补偿 主体 对 补偿 受 体 提 供 生 态 补 偿 所 运用 的 手段 、 方 法 和 过 程 。 目 前 国内 外 最 常用 的 补偿 方式 是 资金 补偿 (financial compensation) , 这 也 是 最 迫切 急需 的 补偿 方式 ( 洪 尚 群 等 ,2002) 。 即 将 生态 补偿 主体 提供 的 财政 转移 资金 、 生 态 补偿 税 费 等 用 于 雇用 相应 的 人 力 资 源 以 及 购买 环境 保护 所 需要 的 工具 、 仪 器 等 , 为 环境 保护 组 织 或 个 人 支付 酬金 , 以 此 为 减 少 环境 破坏 、 提 高 环保 意识 、 促 进 环境 发 展 等 提供 财政 基础 〈( 洪 尚 群 等 ,2002; 邢 丽 ,2005 ) 。 资金 补偿 的 主要 来 源 包 括 生 态 补偿 备用 金 、 生 态 补偿 税 费 、 政 府 补 偿 、 优 惠 贷 款 、 生 态 补 偿 基 金 、 生 态 彩 票 、 国 外 贷款 和 异地 生态 补偿 基金 等 ( 毛 显 强 等 ,2002; 洪 尚 群 等 ,2002; Mim, 2005; 曹 明 德 ,2006 ) 。 补偿 主体 也 可 通过 向 补偿 受 体 地 区 提供 环境 保护 所 需 的 基本 物质 资料 (如 生产 工具 、 环 保 仪器 等 ) 、 人 力 资 源 和 土地 资源 等 (Cuperus et al. ,2001 ) , 作 为 物质 补偿 (goods compensation ) 手段 , 解 决 补 偿 客体 部 分 的 生产 要 素 和 生活 要 素 , 改 善 补 偿 地 区 或 群体 的 生活 状况 , 增 强生 产能 力 〈Cuperus et al. ,2001; 洪 尚 群 等 ,2002) ; 为 环保 组 织 或 个 人 提供 宣传 资料 、 宣 传 工 具 等 , 增强 其 环境 保护 的 信念 , 激 励 其 继续 深入 开展 环保 活动 。 作为 环境 保护 的 主导 者 , 上 级 政府 通过 适当 的 权力 下 放 , 向 补偿 受 体 地 区 提供 政策 补偿 (policy compensation ) , 赋 予 基层 政府 具有 了 能够 更 为 主动 灵活 地 制定 各 种 优惠 政策 等 方面 的 权力 , 使 受 补偿 地 区 依靠 这 些 优惠 政策 能 够 有 效 地 促进 环境 的 保护 与 发 展 , 并 为 筹集 环境 保护 所 需要 的 人 力 资 源 、 资 金 资源 等 提供 方便 〈 洪 尚 群 等 ,2002; 王 滩 然 等 ,2006) 。 对 于 环境 破坏 严重 、 经 济 相对 落后 的 地 区 来 说 , 上 级 政府 能 够 给 予 充分 的 政策 补偿 是 十 分 重要 的 , 这 直接 关系 到 环保 资 金 的 筹集 与 有 效 使 用 等 方面 的 问题 ( 洪 尚 群 等 ,2002 ) 。 补偿 主体 通过 开展 技术 (techniques) 和 教育 (education) 服务 , 作 为 一 种 补偿 手段 向 受 补 偿 地 区 或 群体 普及 环保 知识 、 宣 传 环保 意识 , 使 资源 使 用 者 和 环境 破坏 者 充分 认识 到 自然 环境 的 重要 性 , 并 向 受 补 偿 地 区 或 群体 输送 各 类 专业 人 才 , 提 供 无 偿 技 术 咨询 和 指导 , 培 养 ( 训 ) 受 补偿 地 区 或 群体 的 技术 人 才 和 管理 人 才 , 提 高 补偿 客体 的 生产 技能 、 技 术 含量 、 环 保 常识 、 环 保 动力 和 管理 组 织 水 平 〈Cuperus et al. , 1996; Cuperus et al. , 1999; Cuperus et al. ,2001; 洪 尚 HES , 2002; 杜 群 ,2005) 。 132 生态 科学 进展 (BOR) 尽管 现在 在 补偿 方式 上 以 资金 补偿 为 主 , 但 是 Cuperus 等 认为 真正 以 环境 保护 为 目标 的 生态 补偿 应 该 首先 是 进行 实物 补偿 , 或 者 是 通过 加 强 与 环境 破坏 地 区 生态 功能 相似 的 地 区 的 生态 质量 来 补偿 因 遭 破坏 地 区 环境 质量 下 降 而 导致 的 整体 生态 功能 训 退 , 其 次 才 考 虑 以 经 济 手段 来 进行 补 偿 (Cuperus et al. , 1996; Cuperus et al. , 1999; Cuperus et al. ,2001; Cuperus et al. ,2002 ) 。 随 着 人 类 环保 意识 的 逐渐 增强 , 环 境 保 护 的 政策 与 机 制 的 不 断 健 全 , 最 终 将 会 实现 以 实物 补偿 为 主 , 资 金 补偿 为 辅 的 环境 友好 型 (environmental-friendly) 补偿 机 制 。 生态 补偿 机 制 详 细 研 究 各 个 补偿 主体 所 应 提供 生态 补偿 的 方式 、 额 度 以 及 确定 对 环境 破坏 者 所 需 支 付 的 费用 额度 , 并 在 补偿 客体 富 于 变化 的 情况 下 , 针 对 不 同 的 客体 来 选择 恰当 的 补偿 主 体 、 补 偿 方式 以 及 补偿 的 额度 等 , 以 形成 一 套 可 针对 不 同 环境 破坏 情况 和 生态 补偿 需求 的 生态 补 偿 网 络 体 系 (图 2) 。 补偿 省 级 政府 补偿 补 {fe 补偿 补偿 中 央 政 府 ———e Hi 7 BUT 受 补偿 地 区 或 群体 偿 补 | 偿 民间 补偿 机 构 或 组 织 图 2 生态 补偿 网 络 的 构成 〈 洪 尚 群 ,2002) Fig. 2 Framework of ecological compensation web 3. 生态 补偿 依据 的 选择 3.1 生态 补偿 依据 存在 争议 国内 生态 补偿 的 研究 开展 得 比较 晚 , 多 是 参考 国外 的 研究 (RICH, 2003; Se A MK 硅 ,2005; 王 滩 然 等 ,2005 ) , 在 生态 补偿 机 制 方 面 大 多 数 还 停留 在 政策 理论 的 研究 上 (ER 强 ,2002; 洪 尚 群 等 ,2002; 邢 丽 ,2005; 杜 群 ,2005; 王 丰 年 ,2006; 王 金 南 等 ,2006) , 由 于 生态 系统 是 极其 复杂 、 彼 此 间 紧 密 联 系 的 (Coatanza et al. ,1997; Daily et al. , 2000; De Groot et al. , 2002; Chee, 2004; Borchers, 2005; Winkler,2006a) , 因 此 在 环境 的 定价 问题 、 资金 的 使 用 问题 等 方面 环境 经 济 学 家 和 生态 学 家 还 存在 很 大 的 争议 (Winkler,2006a; Winkler, 2006b) , 导 致 生态 补偿 在 补偿 依据 上 缺乏 数据 支持 , 阻 碍 了 生态 补偿 机 制 的 广泛 开展 。 环境 经 济 学 家 认为 , 环 境 治 理 的 目标 并 不 是 环境 质量 越 高 越 好 , 因 为 随 着 环境 质量 的 逐步 改 善 , 进 一 步 改善 环境 的 边际 成 本 会 越 来 越 高 , 而 相应 的 环境 改善 所 带 来 的 边际 效益 则 会 越 来 越 小 , 因 此 , 从 经 济 效益 的 角度 来 分 析 , 最 优 环境 质量 目标 应 是 在 环境 治理 的 边际 成 本 与 边际 收益 相等 的 水 平 上 , 即 以 最 小 的 成 本 来 实现 既定 环境 目标 (Mankiw, ,2004 ) 。 生 态 学 家 则 认为 , 生 态 环境 是 人 类 存在 与 发 展 的 基础 〈 王 金 南 等 ,2006) , 任 何 行为 都 要 将 环境 保护 作为 首要 任务 , 任 何 对 环境 遭受 破坏 的 行为 都 要 禁止 , 即 生态 环境 具有 “一 票 否 决 权 ”。 由 于 生态 环境 的 一 些 潜在 价值 无 法 在 当前 的 市 场 价值 体系 中 得 到 体现 , 目 前 国内 外 在 补偿 方 式 上 主要 以 经 济 补偿 为 主 〈 王 成 ,2005 ) , 其 他 方式 作为 辅助 , 补 偿 方式 过 于 单一 。 在 经 济 补偿 的 额度 上 还 存在 很 大 的 争议 , 经 济 学 的 方法 强调 以 人 为 中 心 , 注 重 于 环境 的 使 用 价值 或 经 济 价 值 , 而 生态 学 的 方法 则 以 生态 环境 为 中 心 , 难 以 将 人 类 对 社会 经 济 的 需求 考虑 在 内 (Winkler, 生态 补偿 机 制 与 生态 系统 服务 功能 评价 133 2006a; Winkler,2006b) 。 而 经 济 补偿 的 方法 过 多 地 依赖 于 经 济 学 理论 , 缺 乏 对 生态 系统 自身 规 律 的 分 析 , 没 有 形成 较为 系统 的 评价 方法 (Costanza et al. ,1997 ) 。 生态 系统 服务 功能 评价 (Ecosystem Service Function Assessment, ESFA) 利用 基于 市 场 (market-based) 的 评价 技术 体系 、 蔡 代 市 场 〈surrogate market) 技术 体系 和 模拟 市 场 〈simulated market) 技术 体系 (Chee,2004) , 将 不 同 的 生态 环境 和 生态 类 型 的 非 市 场 价值 以 货币 化 形式 表 现 出 来 。 生 态 系统 服务 功能 评价 的 研究 目前 主要 集中 于 评价 方法 的 选择 优化 、 评 价 数值 的 精确 化 以 及 对 宏观 和 区 域 生态 系 统 方面 的 生态 系统 服务 评价 (Bolund and Hunhammar, 1999; Loomis et al. , 2000; Guo et al. ,2001; Hoehn et al. , 2003; Xu et al. , 2003; Giirliik ,2006 ) , 然 而 所 获 得 的 功能 价值 并 未 在 实际 中 得 到 广泛 应 用 。 3.2 生态 系统 服务 功能 评价 作为 生态 补偿 的 补偿 依据 3.2.1 生态 系统 服务 功能 评价 概述 尽管 生态 系统 服务 (ecosystem service) 一 词 于 1970 年 被 Study of Critical Environmental Problems (SCEP) 首次 使 用 , 但 真正 掀起 对 生态 系统 服务 功能 研究 的 高 潮 是 Costanza 在 Nature 上 发 表 的 The value of the world’s ecosystem services and nature capital 一 文 之 后 。Costanza 等 和 De Groot 等 将 生态 系统 服务 功能 定义 为 生态 系统 与 生态 过 程 以 直接 或 间接 的 形式 向 人 类 提供 各 种 生态 服务 .和 生态 产品 , 并 维持 人 类 赖 以 生存 的 自然 环境 条 件 与 效用 , 使 人 类 直接 或 间接 从 生态 系统 得 到 利 益 (De Groot, 2002; Costanza et al. ,1997 ) 。 由 于 生态 系统 服务 的 价值 不 能 在 市 场 经 济 体系 中 得 以 体现 或 者 是 仅 有 部 分 价值 能 够 通过 资本 市 场 被 反映 出 来 , 从 而 导致 了 生态 环境 的 大 部 分 服务 价值 由 于 没有 被 人 类 所 认识 而 被 低估 甚至 是 被 忽略 (Alexander et al. , 1998; Daily et al. , 2000; Batabyal et al. , 2003; Tallis and Kareiva, 2005) 。 要 解决 生态 系统 服务 功能 的 定价 问题 , 首 先 需要 对 这 些 功能 进行 分 类 。Costanza 等 将 全 球 16 个 生态 系统 (海洋 、 和 森林 、 湿 地 、 湖 泊 河 流 、 沙 漠 等 ) 所 提供 的 生态 系统 服务 分 为 17 种 〈 气 体 调节 、 和 气候 调节 、 涵 养 水 源 、 原 材料 供应 等 ) = (Costanza et al. ,1997) 。 之 后 De Groot 等 在 Costanza 的 基础 上 , 将 生态 系统 服务 分 为 调节 功能 、, 栖 息 地 提供 功能 、 产 品 提供 功能 和 信息 功能 四 大 类 , 并 进一步 细 分 为 23 个 小 类 (De Groot et al. ,2002) Daily 等 将 生态 系统 服务 分 为 物质 生产 功能 、 再 生 功 能 、 稳 定 功能 、 生 命 支撑 功能 和 选择 价值 等 五 类 (Daily ,1999 ) 。 在 国内 , 戴 星 辟 等 将 生态 系统 服务 分 为 调节 功能 、 文 化 功能 和 支持 功能 三 类 ,17 个 小 类 (MRS, 2005 ) 。 总 体 来 说 , 目 前 国内 外 在 生态 服务 类 型 划分 上 已 经 基本 统一 。 基于 经 济 学 理论 的 计算 方法 在 评价 生态 系统 服务 价值 中 应 用 较 广 。De Groot 等 将 评价 生态 系 统 服务 的 方法 分 为 直接 市 场 评价 法 、 间 接 市 场 评价 法 、 条 件 价值 法 和 集体 估价 法 , 其 中 间接 市 场 评价 法 包含 了 防护 费用 法 、 蔡 代 成 本 法 、 生 产 要 素 收 入 法 、 旅 行 成 本 法 和 享乐 价格 法 等 , 并 介绍 了 这 些 方法 的 原理 , 进 一 步 分析 了 评价 不 同 生 态 服务 类 型 的 首选 方法 及 备用 方法 (De Groot et al. ,2002) Chee 根据 新 古典 经 济 学 理论 , 将 评价 生态 系统 服务 技术 分 为 基于 市 场 (market- based, MB) 的 评价 技术 、 蔡 代 市 场 (surrogate market, SuM) 评价 技术 和 模拟 市 场 (simulated market,SiM) 评价 技术 三 类 , 并 对 常用 的 产品 功能 分 析 法 (production function analysis, PF) 、 恢复 费用 法 (restoration cost) 、 替 代 成 本 法 (replacement cost) 、 旅 行 费用 法 (travel cost method, TCM ) 、 享 乐 价值 法 (hedonic pricing, HP) 和 条 件 价值 法 (contingent valuation method, CVM) 等 的 优 缺点 作 了 分 析 (Chee,2004) 。Winkler 针对 目前 评价 方法 多 偏爱 经 济 学 理论 的 情况 , 提 出 了 一 种 同时 平衡 社会 、 生 态 系统 和 经 济 系 统 的 整合 动态 的 评价 方法 (Winkler, 2006a; 134 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) Winkler,2006b) 。 国 外 学 者 在 生态 系统 服务 的 评价 方法 上 做 了 大 量 的 研究 (Costanza et al. , 1999; Costanza et al. , 1998; Borjesson et al. , 2000; Sutton and Costanza, 2002; Boumans et al. , 2002; Winkler, 2006a; Winkler, 2006b), FIA SKM GRS Al SS th TE TIE VE T EAA ST AR (张志强 等 ,2001; 张志强 等 ,2003; MER, 2005). 生态 系统 服务 功能 理论 在 应 用 方面 还 主要 集中 于 计算 宏观 生态 系统 的 服务 价值 。 继 Costanza 等 计算 了 全 球 的 生态 系统 服务 价值 之 后 (Costanza et al. ,1997) , 国 外 对 森林 、 湿 地 等 具有 重要 生态 功能 的 生态 系统 展开 了 评价 (Bolund and Hunhammar, 1999; Loomis et al. , 2000; Guo et al. , 2001; Kreuter et al. , 2001; Woodward and Wui, 2001; Hoehn et al. , 2003; Xu et al. , 2003; Sayer et al. , 2004; Taft and Haig, 2005; Giirliik, 2006; Matero and Saastamoinen, 2007) 。 在 国内 , 欧 阳 志 云 等 首次 运用 生态 系统 服务 功能 原理 计算 了 中 国 陆 地 生态 系统 的 服务 价值 〈 欧 志 云 等 ,1999) , 但 是 国内 大 部 分 研究 都 借鉴 了 Costanza 等 的 生态 功能 分 类 体系 (Costanza et al. ,1997) , 并 结合 中 国 的 数据 计算 不 同 地 区 或 不 同 生 态 类 型 的 生态 系统 服务 功能 价值 (Shi, 2002; 辛 琨 等 ,2002; 徐 中 民 等 ,2003; Xu et oa/. 2003; 和 鲁 春 霞 等 ,2004; 侯 元 兆 等 ,2005; 王 伟 等 ,2005; 胡 艳 琳 等 ,2005; 张 天 华 等 ,2005; 靳 芳 等 ,2005; 段 晓 峰 等 ,2006; Tong et al. ,2007) , 还 有 研究 者 直接 将 Costanza 的 数据 引用 过 来 〈 张 帮 莉 等 ,2004) , 并 没有 从 效用 理 论 的 角度 出 发 , 结 合 中 国 的 环境 价值 标准 , 发 展 出 一 套 适 用 于 中 国生 态 环境 定价 的 体系 , 也 未 能 将 得 到 的 数据 应 用 于 中 国 的 环境 保护 政策 之 中 。 3.2.2 生态 系统 服务 功能 评价 在 生态 补偿 中 的 应 用 生态 系统 服务 功能 评价 将 经 济 学 方法 和 生态 学 原理 结合 起 来 , 把 生态 系统 分 类 后 计算 出 各 个 生态 系统 服务 功能 的 价值 , 尽 管 由 于 生态 系统 的 复杂 性 , 得 出 的 结果 并 不 是 非常 准确 , 但 是 在 一 定 程度 上 反映 了 不 同 生态 系统 的 价值 (Costanza et al. ,1997) , 为 遭 破坏 或 受 保护 地 区 实行 生态 补偿 提供 了 数据 依据 , 解 决 了 生态 补偿 面临 的 征收 多 少 、 补 偿 多 少 等 关键 性 问题 (图 3)。 的 管理 与 生态 补偿 额度 与 途 径 的 选择 图 3 生态 系统 服务 评价 为 生态 补偿 提供 补偿 依据 (De Groot et al. , 2002) Fig. 3 Ecological compensation based on ecosystem services assessment 在 微观 水 平 上 , 生 态 系 统 服务 功能 评价 可 以 计算 出 某 个 生态 系统 (如 森林 ) 的 单一 生态 功 能 〈 如 净化 空气 ) 在 单位 面积 上 每 年 所 创造 的 价值 , 进 而 计算 出 各 个 生态 系统 不 同 生态 服务 功 能 的 总 价值 (Costanza et al. ,1997) 。 在 此 基础 上 , 可 以 提供 关于 不 同 生态 系统 结构 和 功能 的 信 息 , 提 供 生 态 系 统 在 支持 人 类 福 社 方面 所 起 的 多 样 和 复杂 作用 的 信息 。 对 生态 系统 服务 功能 的 边 生态 补偿 机 制 与 生态 系统 服务 功能 评价 135 际 效益 的 评价 可 以 计算 出 每 一 单位 自然 资源 的 消耗 或 每 一 单位 生态 环境 破坏 所 造成 的 社会 成 本 , 提供 了 关于 自然 环境 相对 稀缺 性 以 及 质量 问题 的 信息 , 可 以 为 自然 资源 保育 或 恢复 政策 的 制定 提 供 价值 参考 , 防 止 自 然 资源 的 误 用 或 滥用 , 为 实现 微观 范围 内 的 生态 补偿 提供 了 较为 可 靠 的 数字 依据 (Howarth and Farber, 2002; Chee, 2004; 杨 光 梅 等 ,2006 ) , 并 可 作为 指导 人 类 正确 利用 生态 系统 的 依据 。 举例 来 说 , 在 采 石 场 的 选 址 的 问题 中 , 通 过 生态 系统 服务 功能 评价 理论 体系 可 以 计算 出 采 石 场 对 拟 开采 地 区 所 造成 生态 环境 的 损失 价值 〈 表 1) , 再 由 政府 主导 , 企 业 以 资金 补偿 的 方式 向 受 影响 地 区 的 基层 政府 或 群众 缴纳 相应 价值 的 资金 , 或 者 以 实物 补偿 的 方式 由 政府 指定 一 块 具备 与 开采 地 区 各 种 参数 相 类 似 的 宜 林 荒山 荒地 , 让 企业 在 规定 时 间 内 对 其 进行 植被 恢复 , 并 由 政府 和 当地 群众 组 织 验收 。 但 是 由 于 当地 景观 等 遭 到 破坏 , 企 业 必 须 向 被 开采 地 区 的 群众 缴纳 相应 的 补偿 费用 , 因 此 各 种 补偿 方式 应 该 根据 具体 生态 补偿 的 要 求 互相 组 合 、 互 为 补充 , 提 高 补偿 效率 。 Rl 采 石 场 拟 选 址 地 区 所 提供 的 部 分 生态 功能 及 可 选用 的 评价 方法 Tablel Ecosystem services in quarry area and assessment methods 生态 系统 服务 功能 评价 技术 举例 大 气 调节 SuM* MRR CO,, SO,MBL, Ri 0, 局 部 气候 影响 SuM 植被 有 降低 局 部 气温 的 功能 减少 泥石流 SuM/MB? 植被 根系 和 土壤 相互 作用 , 可 以 防止 泥石流 的 发 生 涵养 水 源 SuM 有 林地 土壤 的 含水 量 大 于 无 林地 土壤 形成 ee aie ADB: po 提供 产品 MB 水 果 等 提供 原材料 MB A. BR 景观 娱乐 功能 SiM‘ 提供 休闲 娱乐 的 场所 CO,, SO,, HN 营养 循环 = Ra nt a 等 到 植物 体 中 , 植 物体 在 被 利用 传粉 SuM 昆虫 具有 为 植物 传粉 的 功能 生物 多 样 性 /生物 栖息 地 SuM/MB 原生 物 群 落 的 生物 多 样 性 在 开采 后 难以 维持 注 : a. 替代 市 场 〈surrogate market, SuM) 评价 技术 ,b. 基于 市 场 (market-based,MB) 的 评价 技术 ,e. 模拟 市 场 (simulated market,SiM) 评价 技术 。 生态 系统 服务 功能 评价 理论 体系 在 生态 补偿 的 微观 层次 上 有 着 广泛 的 应 用 前 景 , 可 以 为 由 于 煤矿 区 塌陷 、 城 市 向 周边 地 区 的 扩张 、 公 路 建设 等 对 环境 有 负面 影响 的 活动 实行 惩罚 性 生态 补偿 提供 补偿 依据 , 同 样 也 可 以 为 植树 造林 、 绿 化 荒山 等 保护 生态 环境 的 行为 实行 奖励 性 生态 补偿 提 供 补偿 依据 。 在 宏观 水 平 上 上, 生态 系统 服务 功能 价值 评价 有 助 于 制定 人 类 福利 和 可 持续 发 展 的 生态 补偿 的 指标 体系 , 计 算出 大 斥 度 上 或 不 同 区 域 的 各 生态 系统 的 服务 价值 , 为 实现 区 域 间 (如 省 际 之 间 、 市 际 之 间 ) 或 流域 间 (如 河流 的 上 下 游 ) 生态 补偿 提供 了 较为 合理 可 靠 的 数字 依据 (Coase, 1960; 杨 光 梅 等 ,2006 ) 。 136 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 比如 , 在 大 江 大 河 的 上 游 植树 造林 , 提 高 植被 覆盖 率 可 以 有 效 地 涵养 水 源 , 缓 解 降水 高 峰 期 的 水 流量 , 减 少 洪水 暴发 的 概率 , 也 能 起 到 净化 水 源 的 作用 , 为 下 游 地 区 提供 洁净 稳定 的 水 源 , 使 下 游 地 区 的 经 济 发 展 得 到 保障 , 但 是 也 禁 铀 了 上 游 地 区 的 经 济 发 展 。 因 此 , 在 宏观 的 范围 内 下 游 地 区 受 惠 于 上 游 的 环境 保护 , 应 该 对 上 游 地 区 进行 生态 补偿 , 使 上 游 的 政府 和 群众 得 到 合理 的 资金 或 物质 补偿 , 并 以 此 来 激励 其 环境 保护 的 积极 性 。 通 过 生态 系统 服务 功能 评价 理论 体系 可 以 计算 出 上 游 的 政府 和 群众 在 环境 保护 中 所 产生 的 价值 , 为 其 接受 相应 的 资金 或 物质 等 的 补偿 提供 补偿 依据 , 也 可 以 计算 出 下 游 地 区 由 于 上 游 的 环境 保护 而 间接 得 到 的 收益 , 为 下 游 地 区 向 上 游 地 区 提供 补偿 的 形式 及 数量 提供 补偿 依据 。 由 此 可 见 , 生 态 系统 服务 功能 价值 评价 的 目的 不 是 单纯 地 为 了 给 环境 或 其 组 成 部 分 赋予 价 格 , 而 是 为 了 体现 生态 系统 服务 的 边际 变化 对 人 类 产生 的 影响 ( Howarth and Farber, 2002; 杨 光 梅 等 ,2006; Coase,1960) , 其 最 终 目 的 应 该 是 在 生态 环境 保护 的 国际 大 环境 下 得 到 广泛 的 实际 应 用 , 为 生态 补偿 提供 理论 与 数据 支持 , 促 进 生 态 补偿 深信 广泛 的 开展 。 4s he 2 4.1 生态 补偿 是 与 生态 环境 保护 密切 相关 的 一 种 经 济 手段 建立 生态 补偿 机 制 就 是 要 实现 生态 环境 外 部 性 的 内 部 化 , 解 决 好 生态 资源 这 一 特殊 公共 产品 在 消费 中 的 合理 价值 定位 , 改 变 传统 的 无 偿 使 用 生态 资源 的 习惯 , 让 生态 自然 资源 的 使 用 者 支付 相应 的 费用 , 并 维护 好 生态 投资 者 的 合理 回报 , 激 励 人 们 从 事 生 态 保 护 投资 并 使 生态 资本 增值 , 促使 区 域 在 制定 经 济 发 展 规划 的 同时 充分 考虑 对 资源 环境 破坏 造成 的 社会 成 本 , 从 源头 上 促进 经 济 社会 与 资源 环境 的 协调 发 展 , 有 助 于 使 外 部 补偿 转化 为 自我 发 展 能 力 的 积累 和 提高 , 从 而 加 快 结构 调整 , 改 善 环 境 质量 , 转 变 增长 方式 , 利 用 经 济 和 行政 激励 手段 , 协 调 各 方 利益 , 激 发 全 区 域 、 全 社会 促进 生态 保护 和 经 济 社 会 协调 发 展 的 创造 活力 , 逐 步 缩 小 经 济 社会 发 展 中 的 地 区 差 别 、 城 乡 差别 , 促 进 重要 生态 功能 区 在 保持 生态 环境 稳定 的 前 提 下 , 实 现 经 济 社 会 的 跨越 式 发 展 , 共 同 走 向 生态 环境 良好 、 人 民生 活 富裕 的 道路 (EEF, 2006), 4.2 生态 系统 服务 功能 评价 是 实现 生态 环境 资源 价值 货币 化 的 首选 手段 在 自然 资源 日 益 稀少 、 环 境 破坏 却 愈演愈烈 的 背景 下 , 生 态 系统 服务 功能 评价 成 功 地 将 经 济 学 方法 和 生态 学 原理 结合 起 来 , 利 用 生态 科学 、 环 境 科 学 作为 理论 依据 , 以 经 济 学 方法 为 手段 , 以 解决 自然 资源 的 外 部 性 问题 为 目的 , 对 微观 或 宏观 的 不 同 生 态 类 型 所 提供 的 不 同 生态 系统 服务 功能 做 出 定价 , 并 以 货币 化 的 形式 表现 出 来 , 彻 底 推翻 了 传统 上 所 认为 的 环境 资源 零 价 值 的 廖 论 (Costanza et al. ,1997; Alexander et al. , 1998; Cuperus et al. ,1996; GRAS, 2002), A 们 对 环境 的 价值 有 了 更 为 直观 的 理解 , 有 利于 人 们 在 经 济 活动 后 更 好 地 考虑 经 济 活动 的 环境 成 本 , 实 现 可 持续 发 展 。 4.3 生态 系统 服务 功能 评价 在 生态 补偿 机 制 等 环境 保护 政策 中 的 应 用 将 生态 系统 服务 功能 评价 所 得 出 的 数据 作为 生态 补偿 的 补偿 依据 , 弥 补 了 目前 生态 补偿 机 制 在 补偿 依据 上 的 缺陷 , 也 使 生态 系统 服务 功能 评价 在 实际 中 得 到 了 应 用 。 在 国家 制定 的 天 然 林 保 护 工 程 、 退 耕 还 林 、 退 耕 还 湿 、 退 耕 还 草 、 绿 色 GDP 核算 等 环境 保护 政策 以 及 环境 影响 评价 (environmental impact assessment, EIA) 、 战 略 环境 评价 (strategic environment assessment, SEA) 、 城市 规划 等 环境 评价 技术 中 〈 张 凯 等 ,2005) , 也 需要 对 所 涉及 的 生态 系统 的 不 同 生 态 功 能 做 出 符合 中 国 实际 的 定价 , 这 使 得 生态 系统 服务 功能 评价 可 以 在 环境 保护 的 众多 领域 具有 很 高 的 应 用 生态 补偿 机 制 与 生态 系统 服务 功能 评价 137 价值 , 能 够 促进 各 项 环境 保护 政策 更 为 有 效 、 快 速 、 深 入 的 实施 , 加 快 我 国 在 环境 保护 工作 中 的 步伐 。 4.4 深入 研究 生态 补偿 机 制 和 生态 系统 服务 功能 评价 的 实际 应 用 价值 目前 生态 补偿 理论 研究 还 大 多 停留 在 理论 层面 , 在 补偿 主体 、 补 偿 客 体 、 补 偿 依据 以 及 补偿 的 额度 等 方面 还 有 待 于 进一步 深入 研究 , 但 是 没有 补偿 的 客观 依据 、 没 有 与 实践 相 结合 的 生态 补 偿 理论 也 是 没有 意义 的 、 无 法 施行 的 。 而 生态 系统 服务 功能 评价 目前 太 专 注 于 计算 方法 的 优化 以 及 计算 结果 的 精确 性 方面 , 与 实际 应 用 还 存在 一 定 的 距离 。 然 而 由 于 生态 系统 本 身 的 复杂 性 、 多 变性 〈Chee,2004) , 生 态 系统 服务 功能 计算 的 结果 不 可 能 非常 精确 , 生 态 系 统 服务 功能 计算 只 有 运用 到 实践 中 去 , 为 生态 补偿 、 天 然 林 保护 工程 、 退 耕 还 林 、 退 耕 还 湿 、 退 耕 还 草 、 绿 色 CDP 核算 等 环境 保护 政策 提供 补偿 依据 、 价 值 参考 才 是 有 实际 意义 的 。 在 以 后 的 研究 中 , 要 将 重点 放 在 价值 评价 在 生态 补偿 等 环保 政策 、 方 法 中 的 应 用 方面 , 即 如 何 才 能 较为 实际 地 体现 出 生 态 环境 的 真正 价值 , 并 结合 中 国 和 地 方 的 实际 情况 , 为 环境 保护 政策 提供 正确 的 、 系 统 的 、 有 参 考 价值 的 指导 依据 , 最 终 形成 一 套 切合 实际 的 具有 普遍 应 用 性 的 “评价 -补偿 ”体系 。 参考 文献 eh. 福利 经 济 学 [LM]. 北京 : 中 国 社会 科学 出 版 社 ,1999. 曹 明 德 . 试 论 建立 我 国生 态 补偿 制度 [G] // 庄 国泰 , 王 金 南 . 生态 补偿 机 制 与 政策 设计 国际 研讨 会 论文 集 . 北 京 : 中 国 环境 科学 出 版 社 ,2006 40-48. 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AASB wee (SANE), 141 ~ 153 SE ELA ATP tie 0 Fi AC ier BS AE AS Oy Jy 3 HE Fe x BA * (中 国 科学 院 新 疆 生 态 与 地 理 研 究 所 , 乌 重 木 齐 830011) A Review of the Study of Ecological Responses to Artificial Water-recharge of the Lower Reaches of Tarim River, China Yi Liang-peng * ( Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830011, China) fi 要 路 区 域 输 水 是 人 类 为 改善 自己 的 生存 环境 、 发 展 经 济 而 采取 的 优化 水 资源 配置 的 大 规模 措施 , 目 前 许多 国家 都 在 施行 。 塔 里 木 河 生 态 是 近年 来 国内 外 关注 的 热点 领域 之 一 。 作 为 治 理 塔 里 木 河 环境 整治 最 重要 的 方面 之 一 , 应 急 输 水 对 塔里木 河 下 游 生态 系统 的 结构 、 功 能 和 动态 方面 具有 十 分 重要 而 独特 的 作用 。 根 据 近年 塔里木 河 下 游 生 态 输 水 前 后 地 下 水 位 、 水 质 、 植 被 等 项 内 容 的 研究 资料 , 本 文 综述 了 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 对 地 下 水 位 、 水 质 和 植被 等 的 影响 , 阐 明 了 输 水 与 当地 生态 的 响应 过 程 , 探 讨 了 地 下 水 位 与 天 然 植被 生长 、 恢 复 的 相互 关系 。 在 对 已 有 成 果 进 行 综合 分 析 的 基础 上 , 就 目前 应 急 输 水 中 咪 待 解决 的 相关 问题 提出 了 建议 。 关键 词 塔里木 河 下游 ; 输 水 ; 生态 响应 ; 综述 Abstract Region water diversion is an efficient measure that can improve environment and develop economy, and it can optimize the configure of water resource. Many countries have carried through the program. The ecological issue of Tarim River is one of hotspot fields attracting attention at home and abroad. In order to rescue strategic “green corridor” in the lower reaches of Tarim River, artificial water-recharge engineering has been brought into effect since May 2000. As the most important part of harnessing of Tarim River, artificial water-recharge is very important and critical for the structure, function and dynamics of ecosystem of the lower reaches of Tarim River. Water was arrived at Taitema 基金 项 目 : 中 国 科 学 院 知 识 创新 项 目 〈KZCX1-08-02) 和 新 疆 生 态 与 地 理 研 究 所 所 长 基金 (20046013) 共同 资助 。 * “通讯 作者 : yiliangp@ mails. gucas. ac. cn 142 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) Lake, the terminal lake of lower reaches in Tarim River. Combined with the ecological water transportation, nine monitoring sections of groundwater were distributed along the Qiwenkur River from Daxihaizi reservoir to Taitema Lake in the lower reaches of Tarim River. Such monitoring contents as groundwater, groundwater quality, soil, vegetation, physiology of plant and animalcule were carried out before and after ecological water transportation at these sections. With several years monitoring in lower reaches of Tarim River, abundant data were accumulated. Based on the change of shallow groundwater level, waterborne salt and ecological restoration process of vegetation after conducting ecological water transportation, physiological, ecological responses of vegetation to the change of groundwater and its change process were reviewed after conducting ecological water transportation under the condition of extreme drought in detail. Ecological requiring water quantity and optimal ecological groundwater level maintaining ecological safety were confirmed in the lower reaches of Tarim River. According to research information during recent several years, we analyze the surface water transportation effect on vegetation and the change range of groundwater level, water qualities, biodiversity, geology and physiognomy process. Some emergent questions are presented in the studies of artificial water- recharge. Key words the lower reaches of Tarim River; water-recharge; ecological response; review 1. By Dil. A RE BA fet Al 7 YE WR ZEB a] A 2 a] EP A ANY, 1 ATT EK RE AP ES BK HW 进行 时 间 上 的 调节 , 进 行 远 距离 输 水 以 求 在 空间 上 合理 分 配 。 跨 区 域 输 水 是 解决 水 资源 地 区 分 布 不 均 和 供需 矛盾 的 一 项 有 效 措 施 , 也 是 促进 缺 水 地 区 国民 经 济 发 展 与 水 资源 综合 开发 利用 的 重要 途径 之 一 , 这 种 方式 已 日 益 引起 了 国际 社会 的 广泛 重视 。 据 不 完全 统计 , 世 界 正 在 进行 和 已 经 进 行 的 输 水 项 目 已 达 160 多 项 , 分 布 在 24 个 国家 , 并 且 经 济 效益 和 社会 效益 明显 (TTF, 2005). 绝 大 多 数 国家 的 输 水 是 从 水 量 丰 沛 的 流域 向 缺 水 流域 调 水 , 主 要 用 于 灌溉 、 工 业 、 生 活 、 航 运 , 如 俄罗斯 的 欧洲 西北 部 分 的 苏 霍 纳 河 、 奥 涅 加 河和 拉 多 加 湖 等 路 过 分 水 岭 至 伏尔加 河上 游 雷 宾 斯 克 水 库 引 水 , 除 灌溉 外 还 补充 里 海 的 水 以 便 抬 高 水 位 , 发 展 渔业 和 改善 环境 ; 印度 布 拉 马 谱 拉 河 往 恒 河 的 调 水 主要 是 航运 的 需要 , 其 次 还 有 控制 盐 碱 活 动 的 枯水期 水 量 的 要 求 ; 伊拉克 的 格 里 斯 一 萨 萨 尔 湖 一 幼发拉底 河 输 水 , 大 大 地 减少 了 调 出 水 地 区 的 洪水 灾害 , 而 且 在 萨 萨 尔 湖 革 水 后 , 其 附近 地 区 尤其 是 贝 吉 周围 , 沙 丘 的 形成 和 移动 已 极 大 地 减缓 了 , 从 而 有 效 地 保障 了 该 地 区 居民 生命 财产 免 遭 损失 。 塔里木 河 是 我 国 最 大 的 内 陆 河 , 全 长 1321 km, 流 域 面积 102 万 km , 是 新 疆 南部 干旱 地 区 居民 的 “母亲 河 "”。20 世纪 50 ~70 年 代 , 由 于 流域 内 大 规模 开荒 造田 , 用 水 猛 增 , 塔 里 木 河 下 游 320 km 河道 完全 干 泗 , 两 岸 大 面积 桂 柳 、 胡 杨 林 生态 系统 严重 退化 ,沙漠化 过 程 加 剧 发 展 , “绿色 走廊 ”危在旦夕 (A MAEMIZES SE, 1983; 宋 郁 东 等 ,2000 ) 。 为 遏制 塔里木 河流 域 生态 恶化 之 势 , 从 2001 年 开始 , 国 家 投资 107 亿 元 实施 了 塔里木 河流 域 近 期 综合 治理 工程 , 其 中 包 括 通过 地 表 河 道 输 水 来 抬升 两 岸 地 下 水 位 , 抒 救 日 益 训 败 的 天 然 植 被 。2000 年 5 月 至 2005 年 6 月 新 疆 连 续 向 塔里木 河 下 游 实 施 了 7 次 应 急 输 水 , 输 水 线路 主要 从 博 斯 腾 湖 至 塔里木 河 下 游 尾 闻 的 台 特 马 湖 , 全 长 927 km, 从 博 斯 腾 湖 和 塔里木 河上 中 游 共 调 水 25.2 亿 m , 下 游 河 道 共 受 水 15.842 m’, HMI 216 km, 新 建 和 加 固 堤防 130 km, 结 束 了 下 游 河道 断 流 近 30 年 的 历史 , 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 的 生态 响应 研究 进展 143 ( 周 森 和 王 亚 春 ,2005 ) 。 连 续 的 输 水 , 使 塔里木 河 下 游 生态 有 所 恢复 , 这 些 是 塔里木 河 治理 的 重大 突破 。 从 第 一 次 应 急 输 水 开始 , 许 多 人 对 输 水 后 下 游 的 生态 做 了 大 量 的 监测 和 研究 , 本 文 对 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 的 生态 响应 研究 做 一 综述 , 以 解读 塔里木 河 下 游 断 流 河道 间歇 性 输 水 与 环境 的 响应 过 程 , 探 讨 维持 干旱 区 内 陆 河 流域 生态 系统 稳定 的 生态 水 文学 机 理 , 进 而 为 加 速 塔里木 河 下 游 受 损 生态 系统 的 重建 , 指 导 干 旱 区 生态 恢复 提供 科学 依据 , 也 为 今后 继续 输 水 和 实行 水 资源 统 一 管理 、 合 理 调配 及 生态 环境 综合 治理 提供 经 验 , 为 其 他 地 区 实施 类 似 工 程 提供 参考 。 2. 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 地 下 水 的 响应 在 大 西海 子 水 库 以 下 , 塔 里 木 河 分 为 两 支 , 西 侧 一 支 为 老 塔 里 木 河 , 东 侧 一 支 为 齐 文 阔 尔 河 , 两 个 支流 在 流 经 145 km 的 阿拉 干 附 近 汇合 。6 次 应 急 输 水 主要 沿 齐 文 阔 尔 河 输送 。 随 着 生 态 水 流 的 到 来 , 该 地 区 生态 环境 发 生 了 明显 的 变化 , 直 接 反映 在 输 水 河道 周围 地 下 水 的 动态 变化 以 及 下 游 植被 的 响应 上 。 为 了 从 整体 上 了 解 塔里木 河 下 游 地 下 水 位 的 动态 变化 , 沿 塔里木 河 下 游 输 水 河道 长 约 320 km 的 河道 垂直 方向 上 按 一 定 间 距 布设 了 监测 断面 , 分 别 位 于 阿 殉 墩 、 亚 合 甫 马 尘 、 英 苏 、 阿 布 达 勒 、 喀 尔 达 依 、 十 五 道班 、 阿 拉 干 、 依 干 不 及 贱 和 考 干 等 地 ; 在 每 个 断面 上 沿 河道 垂直 方向 按 一 定 间 距 ,50 m,100 m,200 m,300 m,400 m,500 m,800 m,1 000 m 布 设 监测 井 ; 定期 进行 观测 和 取样 , 连 续 监 测 地 下 水 位 和 地 下 水 水 质 〈 图 1) 〈 郑 丹 等 ,2004; Xf 铭 江 ,2005 ) 。 HE wb , SR ie ey VI 图 1 塔里木 河 下 游 位 置 及 监测 断面 布局 示意 图 Fig. 1 Location of the lower reaches of Tarim River and sketch of the groundwater-monitoring sections 2.1 地 下 水 位 的 变化 2000 年 5 月 至 2003 年 10 月 共 完 成 了 5 次 向 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 ,5 次 输 水 除 少 部 分 消耗 于 河 湖水 面 蒸发 外 , 绝 大 部 分 补给 了 河道 两 侧 地 下 水 并 供 植 被 消耗 。 从 沿途 各 河 段 区 间 水 量 消耗 的 分 布 情况 看 , 大 西海 子 至 阿拉 干 消 耗 水 量 占 总 水 量 的 76% ; 阿拉 干 至 台 特 马 湖 消 耗 水 量 占 20.8%; 进入 台 特 马 湖水 量 占 3.2% ( 邓 铭 江 ,2004) 。 在 输 水 期 间 , 由 于 河水 水 位 远 高 于 地 下 水 位 , 河 道 两 侧 局 部 范围 内 的 水 力 坡度 迅速 增 大 , 地 下 水 由 河中 心 向 两 侧 及 下 游 方 向 的 径流 排 泪 运动 增强 , 河 道 两 侧 300 m 范围 内 的 地 下 水 位 回升 较 快 , 而 在 离 河道 较 远 处 的 区 域 则 表现 出 了 一 定 的 滞后 性 。5 次 输 水 后 各 主要 监测 断面 不 同 离 河 距 离 的 地 下 水 位 上 升 / 埋 深 值 详 见 表 OB 144 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) YL, 2005), 表 1 5 次 输 水 后 各 监测 断面 地 下 水 位 上 升 / 埋 深 值 (m) 统计 Table 1 Statistical data of buried depth of groundwater table in monitoring sections after five water transferring 离 河 距离 河岸 100 m 、 500 m 1 000 m 影响 范围 / 埋 深 ( m) 英 苏 8.0/1.0 7.0/2.0 4.0/5.0 1.5/7.0 1700/9. 0 喀 尔 达 依 6. 5/3. 0 6.0/3. 4 3.2/5.0 1.8/7.0 1 600/8. 2 Bay he 5.6/5.2 5.0/5.5 3.5/6.7 1.5/8.0 1 300/9. 5 HR AR BR 5.5/3.0 4.8/3.0 2.5/6.3 0.5/7.5 1 150/8.0 老 英 苏 5.5/2.5 4.4/3.5 1.0/8.0 0/8. 3 1 000/8. 3 {8 7 PE 4.8/3.8 3.8/4.7 0. 8/6. 8 0/8.0 900/8. 0 在 实施 应 急 输 水 前 , 由 于 断 流 时 间 长 , 地 下 水 位 与 距 河道 远近 已 经 不 存在 线性 关系 。 下 游 地 下 水 位 普遍 下 降 到 8 ~12 m (2000 年 5 月 测 )。 向 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 , 沿 输 水 河道 附近 地 下 水 位 大 幅度 抬升 , 通 过 对 河道 1 000 m 内 所 有 井 的 地 下 水 位 统计 表明 , 地 下 水 位 在 9 个 断面 的 平均 升幅 达到 50% , 其 中 约 55 多 的 监测 井 水 位 已 在 4mm 附 近 (2002 年 11 月 ) 〈 赵 文智 和 程 国 栋 ,2000) 。 由 于 目前 采取 沿 自 然 河 道 “ 线 性 输 水 ”的 方式 , 地 下 水 位 变化 特点 表现 为 : 沿 输 水 河道 中 轴线 向 两 侧 , 地 下 水 位 升幅 呈 逐 渐 减 少 的 趋势 , 地 下 水 位 对 生态 输 水 的 响应 程度 由 上 而 下 逐渐 减弱 。 距 放水 口 较 近 的 阿 克 墩 、 英 苏 断 面 的 地 下 水 位 响应 敏感 , 抬 升 和 下 降幅 度 基 本 一 致 ; 距 放 水 口 较 远 的 依 干 不 及 麻 、 考 干 断 面 的 地 下 水 位 抬升 与 下 降 情 况 表现 出 一 定 的 滞后 性 ; 距 放水 口 较 远 位 置 的 断面 地 下 水 位 埋 深 较 深 , 放 水 后 其 水 位 抬升 下 降幅 度 变 化 远 小 于 距 放 水 口 较 近 位 置 的 断面 。 从 5 次 输 水 过 程 中 的 地 下 水 位 测定 情况 分 析 表 明 , 地 下 水 位 的 抬升 幅度 主要 与 输 水 量 的 大 小 和 放水 持续 时 间 有 关 , 并 呈 一 定 的 正 相 关 关 系 〈 李 卫 红 等 ,2003a) 。 生态 输 水 后 地 下 水 位 发 生 了 显著 变化 , 输 水 后 的 地 下 水 位 与 距 输 水 河道 的 距离 存在 相关 性 , 说 明 地 下 水 位 的 大 幅 变化 完全 是 生态 输 水 的 结果 。 输 水 后 地 下 水 位 抬升 的 过 程 远 较 输 水 停止 后 回 落 的 过 程 要 强烈 。 地 下 水 位 的 响应 随 着 输 水 次 数 和 持续 时 间 的 增加 而 日 益 明显 。 输 水 后 , 地 下 水 位 升 高 的 速度 以 及 波动 幅度 随 距 离 的 增加 在 纵横 两 个 方向 上 均 逐 渐 趋 缓 , 每 次 输 水 均 实现 了 地 下 水 响应 范围 的 扩大 , 离 河 较 近 地 区 的 地 下 水 位 与 生态 输 水 的 开始 和 结束 具有 明显 的 同步 性 , 而 离 河道 较 远 地 区 的 地 下 水 位 在 响应 时 间 上 存在 滞后 性 , 这 一 时 间 要 到 几 个 月 甚至 几 年 后 才 会 完全 表 现 出 来 。 塔 里 木 河 下 游 地 区 气候 极端 干旱 且 蒸 发 强烈 , 当 地 下 水 位 超过 极限 蒸发 水 位 后 , 输 水 对 地 下 水 抬升 的 作用 明显 趋 缓 〈 徐 海量 等 ,2004; 郑 丹 等 ,2004 ) 。 在 干旱 地 区 影响 植被 生长 的 主要 因素 是 土壤 水 分 和 盐分 , 而 土壤 中 的 水 分 和 盐分 都 和 地 下 水 位 的 高 低 有 关 , 地 下 水 位 过 高 , 在 强烈 的 蒸发 条 件 下 , 溶 解 于 地 下 水 中 的 盐分 可 在 表土 聚积 , 使 土壤 发 生 强 烈 次 生 盐 溃 化 , 不 利于 植物 生长 ; 地 下 水 位 过 低 , 地 下 水 不 能 通过 毛管 上 升 到 植物 根 系 层 , 使 土壤 干旱 、 植 被 训 败 、 发 生 沙 质 荒漠 化 〈 宋 长 春 等 ,2002; 严 登 华 等 ,2002; 贾 宝 全 和 许 英 勤 ,1998; Thoms and Sheldon,2000) 。 因 此 , 既 能 减少 地 下 水 强烈 蒸发 返 盐 , 又 不 造成 士 壤 干 旱 而 影响 植物 生长 的 地 下 水 位 是 较为 合理 的 生态 地 下 水 位 。 塔 里 木 河 下 游 应 急 生 态 输 水 工程 改善 了 该 区 水 资源 匮乏 的 现状 , 地 下 水 的 平均 水 位 从 输 水 前 的 8. 25 m 升 至 输 水 后 的 4.13 m, 相 应 地 , 地 表 植 被 也 出 现 明 显 的 响应 。 但 是 , 在 不 同 河 段 由 于 过 水 时 间 、 耗 水 量 等 因素 的 差异 , 造 成 输 水 后 水 位 差异 较 大 。 以 既 能 减少 地 下 水 强烈 蒸发 返 盐 , 又 不 造成 土壤 干旱 而 影响 植物 生长 的 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 的 生态 响应 研究 进展 145 合理 生态 水 位 作为 评价 标准 , 对 输 水 后 不 同 河 段 的 地 下 水 位 进行 分 析 表 明 , 目 前 英 苏 至 阿拉 干 段 的 地 下 水 位 2. 97 ~4. 8 m, 是 比较 理想 的 水 位 ; 大 西海 子 至 英 苏 段 水 位 较 高 , 可 能 出 现 次 生 盐 渍 化 ; 阿拉 干 至 台 特 马 湖 段 地 下 水 位 太 低 , 不 利于 植被 的 自然 恢复 ( 徐 海量 等 ,2003a) 。 2.2 ”地 下 水 水 质 的 变化 塔里木 河 下 游 地 处 塔克拉玛干 沙漠 和 库 鲁 克 沙漠 之 间 , 是 塔里木 盆地 地 势 最 低洼 处 , 上 、 中 游 的 易 溶 性 盐 类 被 地 表 和 地 下 水 流 携带 到 下 游 , 使 其 成 为 流域 的 聚 盐 地 (BASS, 2001), A 此 , 造 成 塔 里 未 河 下 游 地 下 水 的 含 盐 量 普遍 较 高 , 输 水 前 阿 克 墩 、 亚 合 甫 马 汗 、 英 苏 、 阿 布 达 勤 、 喀 尔 达 依 、 阿 拉 干 、 依 干 不 及 麻 、 考 干 等 地 地 下 水 的 矿 化 度 分 别 是 2.84 g/L,1. 87 g/L, 1.50 g/L, 2.11 g/L, 1.69 g/L, 4.16 g/L, 11.16 g/L, 37.28 g/L。 输 水 后 地 下 水 的 矿 化 度 有 较 明显 的 变化 , 但 是 变化 的 特点 与 地 下 水 位 有 很 强 的 相关 性 , 当 水 位 出 现 快速 升 高 时 , 矿 化 度 一 般 不 降 反 升 , 例 如 在 阿 克 墩 , 当 水 位 由 输 水 前 的 5. 58 m 快速 抬升 到 2. 53 四 时 , 矿 化 度 由 2.84 g/L 升 高 到 3. 13 g/L; 而 当 水 位 回落 时 , 盐 分 却 呈 现下 降 的 走势 , 表 现 为 随 着 地 下 水 位 由 2. 53 m 回 , 落 到 3.56 mm, 矿 化 度 也 下 降 到 1.88 g/L ( 李 卫 红 等 ,2003) 。 造 成 这 种 变化 的 原因 在 于 本 区 土壤 含 盐 量 较 高 , 水 位 升 高 时 将 大 量 盐 溶解 , 各 断面 水 质 状况 在 时 间 变 化 上 也 存在 基本 相似 的 变化 趋 势 , 随 地 下 水 位 的 抬升 , 地 下 水 矿 化 度 呈 明显 升 高 趋势 。 输 水 对 水 质 矿 化 度 的 影响 较为 明显 , 而 对 水 质 pH 变化 的 影响 较 小 。 地 下 水 的 化 学 类 型 从 Cl1- ,S03- Na’, Mg’? 型 四 元 水 逐渐 演化 为 Cl ,Na* 型 二 元 水 〈 张 宏 锋 等 ,2003 ) 。 输 水 后 , 地 下 水 的 盐分 变化 远 比 水 位 的 变化 要 复杂 ,但 是 总 体 上 看 水 质 是 好 转 的 。 输 往 塔 里 木 河 下 游 的 水 主要 来 自 博 斯 腾 湖 , 其 矿 化 度 约 为 1. 0 g/L ( 李 卫 红 等 ,2003 ) , 有 利于 下 游 地 区 地 下 水 水 质 的 改善 , 但 由 于 断 流 多 年 , 土 壤 异 常 干燥 , 地 下 水 的 运动 速度 缓慢 , 塔 里 森 河 下 游 区 又 属于 盐分 聚集 带 , 土 壤 和 地 下 水 中 盐分 含量 高 , 输 水 能 冲淡 地 下 水 的 相对 含 盐 量 , 但 其 绝对 含 盐 量 并 未 降低 , 因 此 , 只 有 采取 一 系列 工程 和 管理 措施 才能 使 下 游 水 质 真正 好 转 。 距离 河道 1 050 m 处 的 地 下 水 水 质 在 第 五 次 输 水 后 才 开 始 受到 影响 ( 陈 永 金 等 ,2005) 。 说 明 输 水 对 距离 河道 较 远 处 地 下 水 水 质 影响 的 迟滞 和 微弱 , 塔 里 森 河 下 游 输 水 对 地 下 水 水 质 的 影响 程度 随 着 与 输 水 河道 距离 的 增加 而 减弱 。 根 据 输 水 过 程 中 地 下 水 水 化 学 升降 变化 的 特征 , 地 下 水 水 质 对 应 急 输 水 的 响应 过 程 如 下 : 在 受 输 水 影响 的 初期 , 河 道中 的 水 以 侧 渗 方式 补充 过 来 , 同 时 把 盐分 从 离 河道 更 近 处 带 过 来 , 导 致 地 下 水 离子 含量 和 矿 化 度 升 高 ; 当 更 多 的 水 分 补充 过 来 时 , 对 盐分 含量 较 高 的 溶液 起 到 稀释 冲淡 作用 。 另 外 ,水 平 侧 渗 的 水 分 向 更 远 处 扩散 , 也 把 盐分 带 到 更 远 处 , 因 此 离子 含量 和 矿 化 度 降 低 。 当 地 下 水 位 升 高 到 距离 地 表 很 近 的 位 置 时 由 于 土壤 中 的 高 含量 盐分 溶解 于 水 中 , 使 得 地 下 水 中 离子 含量 和 矿 化 度 上 升 , 所 以 , 在 继续 进行 间 睦 性 应 急 输 水 时 还 要 考虑 到 既 能 扩大 输 水 的 影响 范围 , 同 时 尽力 避免 地 下 水 位 过 高 , 使 得 地 下 水 中 盐分 含量 过 高 。 3. 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 植被 的 响应 3.1 输 水 前 塔里木 河 下 游 植被 的 基本 状况 由 于 塔里木 河 下 游 经 过 近 30 年 断 流 , 地 下 水 水 位 超过 绝 大 多 数 下 游 植物 的 生长 临界 水 位 , 由 地 下 水 维系 的 植被 群落 已 出 现 严重 退化 , 下 游 植被 已 由 河岸 胡杨 林 、 盐 化 草 旬 及 盐 柴 类 灌木 向 仅 残 存 个 别 植株 的 沙漠 过 渡 〈 郑 丹 等 ,2004; 徐 海量 等 ,2004; 毛 德 华 ,1998 ) 。 首 先是 草本 的 退化 , 其 次 是 胡杨 ( Populus euphratica Oliv.) 的 退化 〈 枯 梢 、 枯 枝 、 枯 株 增加 , 郁 闭 度 减 少 ) , 146 生态 科学 进展 (FOR) 一 般 胡 杨 冠 幅 不 到 3 m- , 胡 杨 林 面 积 大 幅 减 少 。 据 统计 , 下 游 地 区 的 胡杨 林 面 积 由 20 世纪 50 年 代 的 5.3 x 10* hm "减少 到 现在 的 0.67 x10 hm ( 刘 曼 良 ,2000) 。 耐 旱 性 较 强 的 灌木 类 型 BE 旱 程度 的 加 剧 及 荒漠 化 进程 的 加 剧 , 种 群 结 构 也 在 发 生变 化 , 铃 销 刺 [Ecolimodendron halodendron (Pall. ) Voss] 、 罗 布 且 (Apocynum venetum 工 . ) AAR ( Nitraria sibirica Pall. ), = 3% [ Phragmites australis (Car. ) Trin. ex Steud.] 等 植物 大 片 死 亡 , 只 有 一 些 耐 旱 性 极 强 的 树 柳 (Tamarix spp.) 和 盐 穗 森 [ Halostachys caspica (Bieb. ) C. A. Mey. |] 生长 在 垂死 状态 下 。 从 植被 退化 的 特点 看 : 优势 种 群 年 龄 结构 向 老年 化 转移 , 老 龄 个 体 占 绝 对 多 数 , 中 幼 龄 个 体 很 少 , 更 新 不 成 功 ; 生物 多 样 性 下 降 , 生 产 力 下 降 , 植 物种 类 发 生 明 显 变化 , 植 物种 类 单一 ,在 100m 内 多 数 情 况 下 只 分 布 着 一 到 两 个 耐 干旱 的 植被 种 ; 植被 盖 度 变 小 , 一 般 情 况 下 调查 的 植被 盖 度 在 2 包 左右。 从 植被 的 分 布 看 : 表现 为 分 布 的 不 连续 和 无 规律 性 , 由 于 流水 侵蚀 形成 的 流水 地 瑶 已 经 完全 被 风蚀 沙化 形成 的 风蚀 地 瑶 所 取代 , 地 表 植 被 尤其 是 灌木 和 草本 植被 的 分 布 和 盖 度 与 距 河 道 远近 已 不 存在 明显 的 相关 关系 〈 徐 海量 等 ,2004c) 。 从 植被 群落 类 型 看 : 由 草地 逐渐 向 荒漠 大 杨 林 再 到 荒漠 盐 化 草 旬 转变 , 说 明 该 地 区 的 植被 正在 逐步 退化 万 至 消亡 (a, 1999; 许 木 启 ,1998 ) 。 3.2 输 水 后 塔里木 河 下 游 地 表 植 被 的 响应 范围 在 沿 塔里木 河 下 游 每 个 监测 断面 在 一 定时 间 进 行 地 表 植被 调查 , 结 合 其 他 环境 要 素 进行 植被 盖 度 、 长 势 、 种 类 等 的 定点 观测 。 结 果 发 现 , 通 过 塔里木 河 下 游 的 生态 输 水 工程 , 塔 里 木 河 下 游 河道 周围 一 定 范围 内 的 植被 响应 是 明显 的 , 其 表现 与 离 输 水 河道 的 距离 呈现 密切 的 联系 , 在 距离 河道 150 m 范围 内 , 随 着 地 下 水 位 的 大 幅 抬升 , 草 本 植被 得 以 重新 萌发 , 种 类 也 随 之 明显 增加 , 而 一 些 当 地 生长 的 乔 灌木 植被 对 此 反应 更 加 明显 , 中 老年 林 重 新 恢复 了 生机 。 随 着 离 输 水 河道 距 离 的 加 大 , 这 种 变化 逐渐 减弱 ,在 150 ~350 m 范围 内 , 虽 然 地 下 水 位 仍然 大 幅 抬 升 , 但 是 没有 达到 草本 植被 生长 所 需要 的 生长 水 位 , 而 灌木 和 胡杨 林 对 这 一 水 位 反应 明显 , 长 势 旺 盛 , 其 主要 表现 是 盖 度 的 增加 和 和 冠 幅 的 变化 。 在 350 ~700 m 范围 内 , 地 下 水 变化 不 大 , 此 时 的 地 下 水 位 只 能 满足 一 些 成 年 胡杨 和 个 别 种 的 树 柳 生长 , 而 多 数 植被 对 此 的 反应 很 弱 , 只 有 个 别 洼 地 可 以 发 现 零星 的 草本 植被 。 到 700 m 以 后 , 植 被 的 盖 度 、 多 样 性 指数 、 丰 富 度 指 数 以 及 胡杨 的 冠 幅 与 输 水 前 几乎 没有 变化 〈 徐 海量 等 ,2004b; 徐 海 量 等 ,2003b; 李霞 等 ,2004) 。 所 以 , 在 距 河 0 ~ 350 m 范 围 内 为 显著 影响 区 间 , 在 350 ~ 700 m 范围 是 中 度 影响 区 间 ,700 m 以 外 基本 无 影响 。 由 于 过 水 时 间 、 区 段 耗 水 量 、 地 层 结构 、 土 壤 类 型 及 植被 退化 状况 等 环境 要 素 的 差异 , 不 同 河 段 的 影响 范围 不 同 , 总 体 上 表现 为 由 上 而 下 逐步 递减 的 趋势 。 李 卫 红 等 对 塔里木 河 下 游 不 同 断 面具 有 代表 性 的 植物 输 水 后 的 响应 范围 做 了 研究 , 对 塔里木 河 下 游 5 个 断面 、30 个 植物 样 地 的 调查 和 对 天 然 植物 当年 生 小 枝 的 长 度 、 当 年 生 小 枝 上 胡杨 的 叶 数 、50 片 以 上 叶 长 、 宽 及 叶 重 , 芦 苇 的 高 度 和 叶 长 、 宽 、 质 量 等 进行 了 测试 分 析 , 结 果 发 现 , 随 着 输 水 后 地 下 水 位 的 抬升 , 地 表 植 被 产生 了 明显 变化 。 在 横向 上 ,芦苇 的 反应 敏感 区 范围 在 100 ~ 150 m 之 间 ; 对 胡杨 的 横向 影响 范围 在 200 ~250 m 之 间 ; 在 纵向 上 , 平 均 叶 数 从 下 游 上 段 至 下 游 下 段 , 分 别 较 未 端 断面 增加 了 57% ,22.2% ,9.2% ; 河道 两 岸 横向 上 对 植被 的 影响 范围 FRERR TMP (FLAS, 2004; 陈 亚 宁 等 ,2004a) 。 3.3 输 水 对 塔里木 河 下 游 地 表 植 被 恢复 的 影响 塔里木 河 下 游 植被 对 生态 输 水 的 响应 非常 明显 , 部 分 抑制 了 该 地 区 极端 严重 的 草地 退化 、 土 地 沙化 和 盐 涡 化 的 发 展 , 并 且 在 一 定 区 域内 实现 了 退化 草地 的 生态 恢复 。 主 要 表现 在 : 中 部 分 低洼 地 上 的 盐 化 草 多 得 到 了 一 定 的 恢复 , 在 低洼 处 发 现 了 长 势 较 好 的 芦苇 、 胀 果 甘 草 ( Glycyrrhiza inflata 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 的 生态 响应 研究 进展 147 Batal. ) , © ARR. 3B5G RI, HBS (Salsola sp. ) 、 地 肤 [ Kochia scoparia (L.) Schrad. ] 、 多 枝 桂 柳 (Tamarix ramosissima Ledeb. ) 及 刚毛 树 柳 ( Tamarix hispida Willd.) 等 , 其 中 芦苇 从 植株 数 到 覆盖 度 皆 占 绝 对 优势 , 且 随地 下 水 位 的 变化 而 变化 。 四 盐 柴 类 灌木 荒漠 植被 得 到 部 分 恢复 。 作为 隐 域 性 荒漠 植被 的 盐 柴 类 植被 (中国 科 学 院 新 疆 综 合 考察 队 ,1978 ) , 要 求 其 生境 的 土壤 水 分 条 件 优 于 地 带 性 超 旱 生 灌 木 。 区 域内 主要 盐 柴 类 灌木 , 如 树 柳 、 黑 果 枸 杞 〈Zycium ruthenicum Murr. ) 、 白 刺 、 铃 销 刺 等 得 以 复生 , 许 多 植株 萌发 出 新 的 枝 芽 和 叶片 , 从 而 形成 新 的 营养 校 和 繁 FAL. Bilt 38 5 Rl [ Alhagi sparsifolia (B. Keller. et Shap.) Shap. ] 、 花 花 柴 [ Karelinia caspica (Pall. ) Less. ] 也 能 正常 开花 结果 , 人 恢复 最 好 的 为 多 枝 树 柳 , 说 明 盐 柴 类 灌木 荒漠 中 , 耐 干旱 与 盐 渍 的 灌木 植物 恢复 势头 更 好 。@) 根 昔 次 生 胡 杨 规模 有 所 扩大 。 胡 杨 是 塔里木 河流 域 荒 漠河 岸 林 的 主要 成 分 , 也 是 下 游 未 端 绿色 走廊 的 主要 建 群 种 。 应 急 输 水 后 , 在 一 些 水 分 状况 较 好 的 地 方 , 特 别 是 河道 转弯 处 , 老 胡杨 附近 一 些 根 生 苗 破 土 而 出 , 长 势 普 遍 较 好 , 在 阿 克 墩 、 亚 合 甫 马 汗 、 英 苏 、 阿 布 达 勒 、 喀 尔 达 依 以 及 阿拉 干 个 别 地 方 , 皆 发 现 有 胡杨 次 生 苗 存在 , 但 总 体 看 数量 仍然 不 太 多 , 地 区 差异 也 较 大 。 由 于 树 柳 科 植 物 不 具备 蕉 生 能 力 , 无 次 生 灌 从 , 只 有 个 别 的 幼 枝 从 已 近 死 亡 的 树 柳 根部 长 出 。 在 已 输 水 的 河道 转弯 处 , 一 些 地 方 已 形成 河 漫 浴 和 骏 形 , 其 上 发 现 了 盐 生 草 ( Halogeton glomeratus) 、 猪 毛 菜 和 蒲公英 (Taraxacum sp.) 等 一 年 生 植物 的 实生 苗 , 但 未 发 现 胡 杨 和 树 柳 的 实生 苗 , 这 可 能 是 放水 时 间 和 它们 的 种 子 成 熟 和 传播 时 间 不 一 致 造成 的 。 输 水 历时 的 长 得 和 输 水 量 与 塔里木 河 下 游 植 被 恢复 密切 相关 。 从 响应 程度 看 , 受 地 下 水 位 升 高 影响 实现 植被 恢复 的 区 域 , 表 现 出 明显 的 以 输 水 河道 为 轴 心 向 两 侧 递减 的 趋势 , 在 近 河 道 恢复 非常 明显 , 植 物 的 种 类 和 帮 盖 度 明 显 增加 , 但 是 随 着 距 输 水 河道 距离 的 增加 这 种 变化 逐渐 减弱 甚 至 消失 。 而 不 同 植被 由 于 抗旱 程度 和 对 地 下 水 变化 适应 程度 的 不 同 , 在 响应 时 间 上 和 空间 上 表现 各 异 。 在 近 河 道 水 位 较 高 的 区 域 , 芦 苇 成 为 主要 的 优势 种 ; 而 在 水 位 较 低 的 区 域 , 罗 布 麻 、 骆 驼 . 刺 和 花花 此 表现 更 加 突出 。 从 总 体 上 看 , 植 被 恢复 受 原生 植被 分 布 格局 和 环境 条 件 的 限制 而 表现 出 不 连续 性 和 区 域 性 〈 徐 海量 等 ,2003c) 。 由 于 河水 漫 溢 , 出 现 了 一 些 草本 植被 大 面积 恢复 的 地 区 , 一 些 新 出 现 的 种 是 随 河 水 落 种 更 新 还 是 本 地 残余 种 子 的 萌发 尚 需 进一步 研究 来 确定 。 一 些 原 来 本 区 域内 分 布 的 超 旱 生 植 物 , 如 盐 节 木 (Euocnemum strobilaceum ( Pall. ) M. Bied. ) 、 霸 王 (Zygophyllum sp.) 及 盐 柴 类 的 盐 爪 爪 〈Kaljidium sp.) 等 , 在 应 急 输 水 后 , 也 未 见 踪迹 〈 杨 戈 ,2004) 。 在 下 游 未 段 (如 考 干 以 下 ) 近 30 年 的 断 流 , 不 少 物种 在 该 区 域内 消 失 、 灭 绝 , 甚 至 形成 了 大 片 的 裸 地 和 沙 地 , 这 一 变化 在 很 大 程度 上 是 不 可 逆 的 。 每 一 物种 在 一 定 的 区 域内 的 变化 过 程 , 是 一 个 连续 的 由 量变 到 质变 的 过 程 , 以 水 为 中 心 的 自然 生态 环境 对 植物 体 的 变化 有 着 深刻 的 影响 。 随 着 物种 的 迁移 灭绝 以 及 新 物种 的 产生 , 原 有 的 植物 区 系 成 分 将 被 改 变 , 这 种 变化 是 不 可 逆 的 〈Bartlein ,1988 ) 。 对 塔里木 河 下 游 未 端的 植被 而 言 , 常 年 断 流 缺 水 造 成 的 极端 干旱 , 成 为 对 每 一 植物 个 体 的 严峻 考验 与 筛选 , 它 们 中 的 许多 物种 , 即 使 在 水 分 状况 完 全 恢复 的 情况 下 , 也 会 因 种 源 、 土 壤 含 盐 量 等 诸多 因素 而 无 法 自然 恢复 , 例 如 一 年 生 浅 根 系 植 物 , 原 来 老 的 种 子 已 丧失 活力 , 或 因 偶然 遇 水 萌发 后 又 遭 旱 杀 , 在 无 新 的 种 源 情况 下 , 就 是 充分 给 水 , 也 无 法 恢复 。 一 些 灌木 (如 树 柳 、 白 刺 、 铃 销 刺 等 ) 经 多 年 干旱 , 其 根部 已 枯 干 致死 , 也 无 法 再 生出 新 的 个 体 。 以 胡杨 为 代表 的 乔木 , 在 其 侧根 也 干枯 死亡 的 情况 下 , 恢 复 供 水 也 无 法 使 其 分 生出 根 生 苗 。 所 有 这 些 植物 只 能 靠 外 界 传播 过 来 的 种 子 , 在 已 恢复 水 分 状况 的 地 区 , 通 过 实生 苗 重 新 生长 繁衍 。 因 此 , 物 种 灭绝 的 不 可 逆 性 决定 了 只 靠 单纯 的 几 次 输 水 措施 , 要 想 使 研究 148 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 区 域内 的 植被 恢复 到 历史 较 好 的 水 平 是 不 可 能 的 。 河水 漫 溢 对 于 塔里木 河 下 游 的 主要 建 群 种 植物 胡杨 种 子 的 萌发 并 形成 实生 苗 极 为 有 利 。 由 于 输 水 时 间 较 短 , 放 水 后 难于 形成 局 部 的 低洼 湿地 与 河 漫 滩 , 因 此 影响 了 胡杨 与 桂 柳 的 种 子 更 新 , 它们 的 种 子 成 熟 后 , 只 有 球 落 在 较 湿 润 的 土壤 上 才能 萌发 形成 实生 苗 , 若 球 落 在 干燥 的 土壤 上 很 快 会 丧失 萌发 能 力 , 特 别 是 胡杨 种 子 , 寿 命 极 短 , 由 于 遇 不 到 适宜 的 条 件 而 大 量 死亡 。 对 多 数 一 年 生 及 多 年 生 植物 而 言 , 充 分 的 水 分 供给 , 也 是 其 萌发 的 必要 条 件 , 它 们 中 的 一 些 种 , 虽 不 像 , 胡杨 种 子 一 样 短命 , 但 洒落 在 干旱 土壤 上 的 休眠 时 间 也 是 有 限 的 。 因 此 在 经 常 输 水 的 情况 下 , 这 些 植物 才 有 可 能 在 一 定 区 域内 正常 的 生存 繁衍 , ee ke ee 的 〈 杨 戈 等 ,2004 ) 。 3.4 植物 生理 指标 对 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 的 响应 生物 与 环境 是 相互 影响 、 相 互 作 用 的 , 生 物 对 环境 条 件 的 缓慢 而 微小 的 变化 具有 一 定 的 调整 适应 能 力 , 环 境 条 件 的 变化 同样 也 可 以 通过 生物 体内 一 些微 观 指标 的 变化 来 指示 。 从 塔 里 未 河 下 游 生 态 输 水 前 后 植物 生理 指标 的 变化 上 也 深刻 地 揭示 和 验证 了 这 一 特点 。 陈 亚 宁 等 (2004) 结合 地 下 水 监测 井 位 置 , 从 河 边 开 始 设置 了 不 同样 地 , 采 集 树 柳 和 芦苇 的 鲜 叶 , 低 温 保存 , 当 天 做 前 处 理 〈 烘 干 或 冰冻 ) , 通 过 分 析 植 物 的 生理 特性 , 包 括 测试 细胞 水 S45 WHA RR (Pro) 、 细 胞 膜 系统 保护 酶 超 氧 化 物 歧化 酶 (SOD) 、 过 氧化 物 酶 (POD) AB 脂 过 氧化 的 主要 产物 丙 二 醛 (MDA) 等 , 以 了 解 塔里木 河 下 游 天 然 植被 对 输 水 的 响应 过 程 , 探 明 应 急 输 水 对 天 然 植被 的 有 效 影响 范围 。 从 植物 生理 指标 测试 表明 , 塔 里 木 河 下 游 的 应 急 输 水 对 植物 生长 、 复 壮 产生 了 明显 效果 。 从 Pro 和 SOD 酶 活性 的 变化 分 析 , 当 地 下 水 埋 深 度 大 手 3.5m, MASH Pro 含量 出 现 迅速 积累 , 表 明 芦 苇 生 长 受到 水 分 胁迫 ; 树 柳 的 Prof POD SRE 地 下 水 位 降 到 5 m 时 , 才 表现 出 显著 增加 态势 。 结 合 野外 样 地 的 实际 调查 分 析 推 测 , 芦 苇 和 树 柳 的 胁迫 地 下 水 位 分 别 为 3.5 m 和 5 m。SOD 与 POD 指标 均 为 膜 系统 保护 酶 , 但 其 活性 表现 有 时 间 上 的 互补 性 , 在 芦苇 和 桂 柳 两 种 植物 上 都 表现 出 了 相同 的 规律 , 干 时 胁迫 相 对 较 弱 时 POD 活性 高 , 当 干旱 胁迫 加 重 时 POD 活性 降低 , 而 SOD 活性 提高 , 并 且 这 两 种 保护 酶 的 联合 作用 , 在 细 胞 受 水 分 胁迫 损害 时 能 有 效 清除 超 氧 离子 , 防 御 膜 脂 过 氧化 , 减 轻 质 膜 受 损 , 减 少 MDA 增生 , 有 效 保护 了 膜 系统 的 健康 , 从 MDA 指标 的 变化 特点 得 到 了 证 实 , 这 种 生理 上 的 互补 作用 是 对 于 旱 胁迫 逆境 的 一 种 生理 适应 性 表现 。 徐 海 量 等 (2003d) 通过 分 析 应 急 输 水 前 后 胡杨 体内 的 且 氨 酸 、 脱 落 酸 和 叶片 含水 量 等 生理 指标 的 变化 , 就 生态 输 水 对 塔里木 河 下 游 胡杨 的 影响 进行 了 研究 。 通 过 对 胡杨 在 同一 时 间 段 内 受 到 输 水 和 未 受到 输 水 影响 发 生 的 生理 指标 的 变化 研究 , 可 以 清楚 地 说 明 , 生 态 输 水 对 胡杨 生长 的 影响 是 显著 的 。 从 胡杨 叶 相 对 含水 量 、 且 氨 酸 、 脱 落 酸 这 三 个 指标 的 变化 上 看 , 出 现 叶 含水 量 减 少 和 且 氨 酸 、 脱 落 酸 积 累 的 增加 是 胡杨 对 水 分 气 缺 的 一 种 生理 反应 。 其 变化 趋势 与 输 水 后 地 下 水 位 的 动态 变化 基本 一 致 , 即 随 着 地 下 水 位 的 降低 , 胡 杨 通过 体内 且 氨 酸 的 积累 , 提 高 渗透 调节 能 力 , 保 持 其 原生 质 与 环境 的 渗透 平衡 ; 同时, 通过 关闭 气孔 、 减 少 蒸腾 失 水 以 防止 水 分 散失 , 抵 御 水 分 胁迫 , 使 胡杨 在 一 定 干旱 环境 下 继续 生存 。 而 当 水 分 条 件 得 到 好 转 时 , 这 些 积 累 的 物质 又 会 不 断 分 解 转 化 成 其 他 形式 , 从 而 保证 植物 能 更 好 地 适应 新 的 生存 环境 。 且 氨 酸 和 脱落 酸 在 积累 和 分 解 上 具有 明显 的 一 致 性 , 基 本 保持 同步 , 说 明 胡 杨 在 对 水 分 亏 缺 上 是 采用 多 种 生理 反应 来 适 应 环境 的 变化 的 。 输 水 后 各 地 地 下 水 位 均 有 所 上 升 , 胡 杨 受 到 的 生理 胁迫 降低 , 胡 杨 叶 片 角质 层 厚度 、 维 管束 导管 管 腔 直 径 及 管 壁 厚度 皆 随 地 下 水 位 的 上 升 而 减 小 。 随 着 地 下 水 位 的 上 升 , 地 下 水 含 盐 量 分 别提 高 1. 76 ~ 2. 47 倍 , 输 水 效果 由 于 盐 对 植物 的 生理 胁迫 作用 的 增加 而 有 所 减弱 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 的 生态 响应 研究 进展 149 (Chen et al. , 2004), 当 植物 处 于 逆境 胁迫 〈 干 旱 、 寒 冷 、 高 温 等 ) 时 , 细 胞 内 氧 自 由 基 产 生 和 清除 的 平衡 会 遭 到 破坏 , 积 累 的 氧 自由 基 首 先 攻 击 膜 系 统 , 膜 脂 脂肪 酸 中 的 不 饱和 键 被 过 氧化 , 最 终 形 成 两 二 醛 (MDA) 〈 周 瑞 莲 和 王 海 网 ,1999) 。 丙 二 醛 含 量 是 反映 细胞 膜 脂 质 过 氧化 作用 强 弱 和 质 膜 破坏 程 度 的 重要 指标 , 也 是 反映 水 分 胁迫 对 植物 造成 伤害 的 重要 参数 〈( 张 木 清 等 ,1997 ) 。 在 塔里木 河 下 游 极端 干旱 区 , 由 于 河道 长 期 断 流 , 随 着 地 下 水 位 埋 深 加 大 ; 水 分 胁迫 程度 的 加 深 , 胡 杨 叶片 HMDA 含量 明显 增加 , 脂 质 过 氧化 作用 加 强 , 胡 杨 遭 受 干旱 伤害 程度 不 断 加 深 , 胡 杨 叶 片 中 MDA 含量 在 不 同 地 下 水 位 状态 下 的 变化 , 正 是 胡杨 在 干旱 环境 下 的 一 种 生理 反应 。 胡 杨 叶 片 MDA 含量 的 增加 幅度 在 地 下 水 位 3. 12 ~ 10.56 mm 之 间 出 现 了 3 个 高 峰 点 , 反 映 了 胡杨 受 水 分 胁 迫 状态 和 程度 的 质 的 变化 。 第 一 个 高 峰 点 〈 地 下 水 位 为 3. 12 ~4.42 m 之 间 ) , 胡 杨 叶 片 MDA 含 量 是 后 两 个 峰 的 1/2 , 结 合 塔里木 河 下 游 野 外 植被 样 方 的 调查 结果 分 析 , 推 断 3.12 ~4.42 m 的 地 下 水 位 范围 是 胡杨 遭受 水 分 胁迫 的 临界 区 , 胡 杨 的 生长 发 育 开 始 受 到 水 分 胁迫 ; 第 二 个 高 峰 点 在 5.78 ~6.46 m 之 间 , 表 明 胡 杨 在 水 分 胁迫 下 , 细 胞 膜 脂 质 过 氧化 作用 正在 加 速 进行 , 胡 杨 遭 受 的 水 分 胁迫 加 重 , 处 于 中 度 水 分 胁迫 状态 , 胡 杨 的 生长 发 育 已 受到 明显 的 抑制 ; 第 三 个 高 峰 点 在 8.89~9.74m 之 间 , 胡 杨 叶 片 MDA 含量 的 增幅 要 比 第 二 高 峰 点 还 多 17.4% , 表 明 胡 杨 生 长 已 遭受 重度 水 分 胁迫 , 胡 杨 长 势 处 于 极度 衰败 状态 。 因 此 , 可 以 认为 , 第 三 个 高 峰 点 出 现 的 地 下 水 位 (8.89~9.74m) 是 胡杨 生存 (死亡 ) 的 临界 冰 值 〈( 陈 亚 鹏 等 ,2004) 。 通 过 对 胡杨 叶片 的 fa (Pro), BAW (SOD) 和 过 氧化 物 酶 (POD) 等 生理 指标 的 测试 分 析 , 推 测 胡杨 的 胁迫 地 下 水 位 为 4.5 m (RUTH, 2004), 4. 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 生物 多 样 性 的 变化 输 水 后 地 下 水 埋 深 的 变化 最 明显 地 表现 在 植物 的 变化 上 , 天 然 植 被 的 组 成 、 分 布 及 长 势 对 输 水 有 直接 的 响应 , 反 映 物 种 数量 变化 和 物种 的 生物 学 多 样 性 程度 的 Simpson 多 样 性 指数 、 Melntosh 均匀 度 指 数 和 Margalef 丰富 度 指 数 输 水 后 在 大 多 数 样 地 均 有 所 增加 (ATS, 2004c) 。 塔里木 河 下 游 段 的 大 西海 子 水 库 至 台 特 马 湖 , 在 断 流 后 , 湿 地 消失 , 荒 漠 化 加 剧 , 珍 贵 稀有 野生 动物 迁 离 此 地 。 一 些 特有 种 类 处 于 濒危 或 绝迹 ,塔里木 河 下 游 约 200 km 形成 了 一 个 生态 断 带 。 伴 随 输 水 过 程 , 沿 输 水 河道 齐 文 阔 尔 河 两 岸 植被 复苏 , 使 之 成 为 区 域 生 态 系统 结构 最 复杂 、 功能 最 全 面 、 生 产 力 最 高 的 荒漠 区 隐 域 性 带 状 景观 , 为 野生 动物 提供 了 食物 、 饮 水 、 隐 藏 、 栖 息 的 条 件 。 有 鹅 喉 羚 〈Cazelia subgutturosa) 等 野生 动物 到 河 边 饮 水 , 汐 (Ciconia sp.) 类 等 水 禽 在 水 中 砚 食 鱼 、 虾 。 调 查 记 录 有 鱼 类 11 种 、 两 栖 类 1 种 、 疏 行 类 4 种 、 鸟 类 25 种 、 兽 类 2 种, 以 荒漠 类 群 动 物 为 主 。 在 区 域 性 物种 中 , 各 类 都 有 代表 种 分 布 〈 马 鸣 ,2001) 。 如 鱼 类 的 塔里木 裂 腹 鱼 ( Schizothorax biddulphi), MG 47 2 HY Hh HB RM (Agama stoliczkana), SEWHAKB WBS (Podoces biddulphi) 、 兽 类 的 塔里木 兔 (Lepus yarkandensis) 等 , 表 现 出 干旱 区 荒漠 极端 环境 下 的 抗 高 温 、 严 寒 、 干 燥 、 耐 盐 碱 等 抗 逆 性 特点 , 在 整个 动物 界 是 不 可 多 得 的 , 是 抗 道 物种 的 品种 库 和 基因 库 〈 李 卫 红 等 ,2003b ) 。 150 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 5. 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 对 地 质地 貌 的 影响 大 西海 子 水 库 以 下 原 属 于 塔里木 河 下 游 的 冲积 泛滥 平原 , 地 表 物 质 由 细 沙 和 粉 沙 组 成 , 抗 蚀 能 力 弱 , 地 表 为 游 功 性 辫 状 水 系 , 河 曲 发 育 , 河 床 坡 缓 、 宽 浅 。 大 西海 子 水 库 的 建成 , 使 下 游 断 流 , 其 下 游 地 质地 瑶 过 程 也 发 生 了 很 大 的 变化 , 由 风力 和 水 力 共 同 作 用 变 为 单一 的 风力 作用 , 加 之 区 域 荒漠 植被 的 加 剧 退 化 , 风 蚀 、 风 积 作 用 不 断 加 强 , 在 阿 克 壤 一带 可 以 看 到 较 好 的 “V” 形 , 河床 ; 而 在 亚 合 甫 马 汗 以 下 , 河 床 形态 呈 不 规则 的 变化 ; 在 阿布 达 勒 和 喀 尔 达 依 一 带 , 由 于 强烈 的 风蚀 作用 , 河 床 形态 呈现 为 浅 而 宽 缓 的 “U” 形 , 并 有 多 处 河床 被 积 沙 挤占 , 严 重 影 响 河 水 的 输送 。 实 施 应 急 输 水 后 , 河 水 在 输送 过 程 中 , 沿 风蚀 沟 槽 下 切 , 侧 蚀 和 淹 源 侵蚀 加 剧 , 河 槽 得 到 较 好 的 水 力 修复 , 为 以 后 的 输 水 创造 了 较 好 的 条 件 , 使 输 水 过 程 大 为 加 快 〈 李 卫 红 等 ,2003b) 。 6. 其 他 研究 博 斯 腾 湖 位 于 大 西海 子 水 库 西北 530 km 处 , 是 我 国 最 大 的 内 陆 淡水 湖 , 部 分 年 份 水 量 很 大 , 如 1999 年 、2000 年 开 都 河 连续 两 年 丰 水 注入 , 使 其 水 位 大 大 超过 正常 蓄 水 位 〈1 047. 50 m), 达到 历史 最 高 水 位 (1 048. 95 m) ( 杜 榜 清 等 ,2001; 徐 海量 等 ,2003e) , 对 环 湖 地 区 房屋 、 赫 地 及 人 民生 命 财 产 造成 巨大 威胁 。 通 过 向 塔里木 河 下 游 输 水 , 也 能 减轻 博 斯 腾 湖 的 防洪 压力 。 塔 里 木 河 下 游 的 生态 输 水 工程 在 一 定 范围 内 对 下 游 地 区 的 沙漠 化 带 来 明显 的 抑制 作用 , 但 影响 范围 较 小 , 距 完全 遏止 和 逆转 下 游 的 沙漠 化 趋势 还 有 很 大 距离 ( 徐 海量 等 ,2004a) 。 利 用 遥感 定量 提取 技术 及 植被 盖 度 信 息 提取 模型 , 通 过 输 水 前 与 输 水 后 遥感 数据 的 图 像 解 译 、 分 类 以 及 植被 指 数 等 方面 的 对 比分 析 , 监 测 塔里木 河 应 急 输 水 工程 对 下 游 绿 色 走 廊 生 态 恢复 的 效果 , 并 对 输 水 效 果 进 行 评 价 , 该 方法 技术 路 线 易 于 实现 , 且 具有 宏观 、 快 速 、 准 确 的 特点 〈 闫 正 龙 和 汤 国 安 , 2004; 孙涛 等 ,2004) 。 人 采用 沿 自然 河道 “线形 ” 输 水 方式 对 植被 的 影响 范围 极为 有 限 , 距 保护 “绿色 走廊 ”的 目 标 还 有 很 大 距离 。 为 此 , 应 逐步 实施 双 河 道 输 水 以 及 河道 输 水 与 面 上 供水 相 结合 的 方式 , 有 计 划 、 分 区 段 地 进行 面 上 供水 , 逐 步 扩 大 恢复 范围 , 并 在 分 区 段 面 上 给 水 的 基础 上 , 结 合 塔里木 河 下 游 主 要 建 群 种 胡杨 和 树 柳 的 落 种 时 间 , 优 选 输 水 时 段 , 确 立 每 年 8 ~9 月 为 最 佳 输 水 时 期 , 为 种 子 萌发 提供 条 件 , 扩 大 输 水 的 生态 效应 , 对 以 胡杨 为 代表 的 荒漠 河岸 林 生 态 系 统 自 我 恢复 和 自 我 更 新 机 制 的 建立 也 更 加 有 效 〈 崔 旺 诚 等 ,2004) , 同 时 还 可 以 有 效 洗 盐 、 压 盐 , 减 轻 盐 涡 化 和 抑制 沙漠 化 , 而 它 的 可 靠 性 在 新 疆 很 多 地 区 已 经 得 到 了 证 明 ( 张 慧 等 ,2000; 朱 震 达 和 陈 广 庭 , 1994) 。 鉴 于 输 水 后 地 下 水 在 不 同 断 面 上 响应 程度 的 巨大 差异 , 生 态 输 水 工作 有 必要 继续 长 期 开展 。 从 生态 输 水 的 角度 考虑 , 由 于 本 段 极端 严重 的 沙漠 化 和 盐 渍 化 , 以 及 极度 退化 的 植被 现状 , 随 着 今后 继续 进行 的 生态 输 水 , 必 然 会 带 来 地 下 水 位 的 大 幅 升 高 , 通 过 复杂 的 水 化 学 运动 , 地 下 水 的 含 盐 量 将 大 幅 波动 , 而 这 一 过 程 对 植被 的 恢复 和 减轻 地 表 的 土地 盐 渍 化 意义 重大 , 也 将 会 产 生 许多 新 的 生态 变化 , 所 以 , 今 后 还 将 继续 进行 监测 和 研究 。 塔里木 河 下 游 应 急 输 水 后 的 生态 响应 研究 进展 151 另外 , 应 急 输 水 对 下 游 生态 的 影响 是 多 方面 的 ,在 土壤 微生物 、 土 壤 水 化 学 、 植 物 群 落 演 蔡 、 土 壤 种 子 库 、 地 表 生 物 结 皮 等 方面 还 缺乏 深入 的 了 解 , 一 些 植物 在 生理 上 的 响应 还 不 清楚 , 因此 , 对 塔里木 河 下 游 输 水 后 的 生态 响应 还 应 继续 深入 研究 。 塔里木 河 下 游 的 输 水 是 专门 针对 改善 当地 的 生态 环境 而 进行 的 生态 输 水 , 体 现 了 中 国政 府 对 于 生态 建设 的 高 度 重 视 。 塔 里 木 河 整个 流域 及 其 所 在 的 广大 地 区 是 世界 主要 的 干旱 区 之 一 , 其 上 中 下 游 和 相 邻 流域 的 水 资源 开发 过 程 中 的 经 济 与 生态 的 矛盾 日 趋 突出 , 塔 里 木 河 下 游 生态 系统 的 急剧 退化 正 是 由 缺 水 引起 的 。 并 且 , 随 着 流域 社会 、 经 济 发 展 和 人 口 的 增长 , 势 必 对 水 资源 的 压 力 和 需求 更 为 强烈 , 生 产 、 生 活 和 生态 用 水 的 地 盾 更 显 突出 。 为 此 , 能 和 否 确保 常年 都 有 一 定量 的 水 向 断 流 30 年 之 久 的 塔里木 河 下 游 输送 的 问题 已 引起 了 人 们 思考 。 从 干旱 区 节约 和 高 效 地 利用 水 资源 , 加 快 实现 塔里木 河 下 游 受 损 生 态 系统 的 恢复 与 重建 角度 出 发 , 合 理 调配 水 资源 , 优 化 输 水 方案 〈 包 括 输 水 方式 、 输 水 时 间 等 ) , 成 为 确保 塔里木 河 下 游 生 态 安全 的 关键 所 在 , 是 值得 我 们 进一步 研究 的 内 容 。 参考 文献 ‘AEH. 生态 系统 退化 的 过 程 及 其 特点 [J]. 生态 学 杂志 ,1999,18 (2) : 36-42. 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In order to make college students harvested in the knowledge and able to solve ecological problems, courses and curricula, relevant textbook systems in ecology should be well organized and constructed. This paper generally reviewed the situation of ecology program in universities in China and abroad, and some main textbooks in ecology were documented, and several ideas and suggestions were also put forward in textbook system construction in future China. Key words _ organization of courses and curricula; construction of textbook systems; university 基金 项 目 : 教育 部 教材 研究 项 目 , 生 态 学 国家 精品 课程 建设 项 目 , 高 等 学 校 特色 专业 建设 项 目 (7TS10528) 共同 资助 。 * “通讯 作者 : chqduan@ yun. edu. cn 158 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) teaching; ecology program 教材 是 大 学 本 科教 育 及 其 人 才 培 养 的 知识 载体 , 教 材 的 编写 及 使 用 与 人 才 培 养 的 定位 、 教 学 的 组 织 密 不 可 分 。 为 了 对 国内 外 高 等 学 校生 态 学 教材 进行 比较 分 析 , 必 须 对 国内 外 生态 学 专业 的 教育 状况 进行 分 析 , 调 研 教学 安排 和 课程 设置 , 进 而 对 教材 的 编写 和 建设 提出 建议 。 1. 国内 外 生态 学 教学 现状 作为 研究 生物 与 环境 关系 规律 的 生态 学 , 其 本 质 就 是 探究 生物 生存 的 问题 。 经 过 环境 危机 轩 扰 和 认真 反思 后 , 人 类 接受 了 这 个 事实 : 人 类 只 是 地 球 生物 圈 大 家 庭 的 一 个 成 员 , 人 类 并 不 能 逃 脱 作为 其 生存 环境 的 地 球 的 种 种 变化 对 其 前 途 的 影响 , 人 类 社会 只 有 遵循 生态 规律 , 与 其 他 生物 和 谐 相 处 , 才 能 走向 可 持续 发 展 〈 美 国 总 统 科 学 技术 办 公 室 ,1999; Graham et al., ,2002 ) 。 现 代 生 态 学 不 仅 以 认识 自然 生态 规律 、 探 索 生 物 奥秘 为 其 使 命 , 而 且 在 指导 人 类 如 何 保护 和 合理 利 用 生物 资源 方面 也 发 挥 着 独特 作用 。 生 态 学 是 现代 社会 指导 人 类 行为 准则 的 一 门 重要 科学 (Palmer et al. , 2005; The Ecological Vision Committee ,2004 ) 。 正 因 为 生态 学 的 特殊 地 位 和 作用 , 国 内 外 著名 大 学 纷纷 把 生态 学 专业 作为 自己 的 办 学 重点 之 一 (&B#, 2001; The Ecological Vision Committee ,2004 ) 。 同 时 , 由 于 不 同 国家 和 地 区 , 甚 至 不 同 的 学 校 面临 的 生态 环境 问题 不 同 , 对 人 才 培 养 的 定位 也 有 显著 差异 , 从 而 在 教学 方面 也 存在 一 定 的 差异 。 1.1 国外 生态 学 教学 情况 1.1.1 美国 生态 学 教学 情况 美国 是 世界 上 公认 生态 学 最 发 达 的 国家 。 在 2004 年 , 美 国有 98 所 大 学 设 有 生态 学 专业 或 相 KEW, Ail 30 所 大 学 设 有 生态 学 与 进化 生物 学 系 , 有 20 多 所 大 学 设 有 与 生态 学 紧密 相关 的 保护 生物 学 方向 , 有 40 多 所 大 学 设 有 生态 学 及 环境 生物 学 方向 组 。 在 学 位 授予 方面 , 排 名 前 100 名 的 美国 大 学 中 有 70 多 所 大 学 授予 生态 学 方向 的 博士 学 位 , 有 63 所 大 学 授予 生态 学 硕士 学 位 。 美 国 还 拥有 世界 上 规模 最 大 的 生态 学 会 — 美国 生态 学 会 (ESA ) , 会 员 达 10 000 BA, 成 员 数 量 远 远 超过 国际 生态 学 会 (The Ecological Vision Committee ,2004 ) 。 美 国 很 多 大 学 的 生态 学 教学 和 人 才 培 养 都 名 列 世界 前 茂 , 人 才 培 养 水 平 高 , 特 色 十 分 明显 。 美 国生 态 学 专业 教育 具有 的 特点 是 : 理论 与 应 用 并 重 。 美 国 很 多 大 学 生态 学 专业 以 生态 学 与 进化 生物 学 命名 , 比 较 偏 重 理论 研究 和 基础 科学 研究 人 才 的 培养 , 其 他 大 部 分 学 校生 态 学 与 国家 公园 和 自然 保护 区 管理 、 农 业 生 态 保护 生态 、 恢 复生 态 、 生 态 毒 理 、 全 球 变化 等 应 用 性 较 强 的 学 科 方 向 密切 联系 , 还 有 部 分 高 校 设 在 文理 学 院 、 农 学 院 、 森 林 与 国家 公园 、 野 生生 物 保护 与 管理 、 资 源 管理 等 直接 面向 社会 行业 需 求 培养 生态 学 专业 人 才 (Palmer et al. ,2005 ) 。 路 学 科 培 养 人 才 。 美 国 很 多 大 学 将 生态 学 设置 为 跨 系 、 跨 学 科 的 专业 组 或 方向 , 通 过 多 学 科 交叉 和 融合 实现 综合 性 培养 生态 学 人 才 的 目标 。 如 在 美国 加 州 大 学 DAVIS 校区 的 生态 学 方向 组 将 近 30 个 与 生态 学 相关 的 系 科 组 合 起 来 , 培 养生 态 学 专业 人 才 , 这 些 人 才 根 据 学 生 兴 趣 和 教师 的 研究 方向 , 设 为 生态 系统 、 保 护 生 态 、 生 态 毒 理 、 恢 复生 态 、 功 能 生态 、 农 业 生 态 、 人 类 生态 S94. 十 分 注重 实践 性 教学 和 解决 实际 问题 。 美 国 绝 大 多 数 生 态 学 专业 方向 在 人 才 培 养 中 , 都 安排 相等 学 分 让 学 生 进 入 科研 机 构 及 其 野外 研究 站 , 在 驱使 和 诱导 学 生 认 识 生 态 现象 、 发 现 生 态 问 大 学 生态 学 教学 及 教材 建设 进展 : 国内 外 比较 159 题 、 解 决 实际 问题 中 获得 银 炼 和 提高 。 美 国 国家 自然 科学 基金 会 (NSF) 建立 起 来 的 野外 长 期 生 态 学 研究 计划 网 络 (LTER) , 都 要 求 接受 生态 学 专业 人 才 培 训 和 实习 锻炼 的 任务 , 并 设 有 专门 的 野外 实习 基金 , 为 生态 专业 和 相关 专业 的 学 生 增 强 实 践 培训 提供 机 会 。 课程 设置 繁多 , 可 选 性 很 强 。 美 国 除了 一 些 基 础 课程 设置 为 必修 课 以 外 , 大 多 数 专业 课程 为 选修 课 , 而 且 课程 名 目 繁多 。 据 不 完全 统计 , 美 国 高 校 开 设 的 与 生态 学 直接 相关 的 课程 多 达 200 多 门 , 很 多 课程 即 直 接触 及 前 沿 领 域 , 如 产业 生态 学 、 进 化 生态 学 、 分 子 生 态 学 、 进 化 生态 毒 理 学 等 , 也 有 很 多 直接 面向 应 用 , 如 公园 和 原野 管理 、 湿 地 生态 学 、 野 生动 物 保护 、 规 划 和 设计 的 生态 学 基础 、 森 林 生 态 系统 的 管理 、 流 域 管理 与 生态 规划 等 , 更 有 不 少 课 程 就 是 基于 生态 教育 的 , 如 人 类 生态 学 、 社 会 生态 学 、 生 态 旅游 、 生 态 伦理 等 。 1.1.2 英国 生态 学 专业 教育 英国 是 世界 上 生态 学 教育 开展 最 早 的 国家 之 一 。 英 国 具 有 浓重 的 关注 自然 、 向 大 自然 学 习 的 历史 氛围 , 产 生 了 多 位 对 生态 学 做 出 划时代 贡献 的 生态 学 家 , 如 提出 进化 论 的 达尔 文 (Darwin ) 、 提出 “生态 系统 ”概念 的 Tansley、 提 出 “生态 位 ”理论 的 Elton 等 。 英 国 拥 有 很 长 的 “博物 学 ” 历史 , 人 往往 将 生态 学 融合 贯通 在 生物 学 或 其 他 自然 科学 之 中 (Sutherland et al. ,2006 ) 。 虽 然 没 有 和 冠 以 生态 学 的 名 称 , 但 生态 学 专业 教育 水 平 很 高 , 具 有 显著 的 特色 。 注重 学 生 在 解决 实际 问题 的 同时 提高 理论 创新 能 力 。 英 国 从 事 生 态 学 教学 和 研究 的 机 构 , 经 常 以 解决 实际 问题 为 突破 口 , 特 别 注 重 通过 对 生态 现象 的 认识 , 提 高 学 生 抽象 思维 、 理 论 研 究 的 能 力 。 如 牛津 大 学 、 赫 尔 大 学 等 著名 高 校 , 即 使 是 一 个 很 小 的 实验 或 野外 观察 , 都 要 求学 生 提 出 假设 , 设 计 实 验 或 观察 过 程 , 检 验 假设 以 上 升 到 理论 思想 的 高 度 。 高 度 重 视野 外 教学 和 研究 基地 的 建设 , 仪 器 设备 先进 。 英 国 很 多 高 校 都 建 有 野外 研究 站 或 定 点 观测 点 , 并 有 固定 人 员 留 守 和 记录 , 为 配合 学 生 野 外 实习 或 研究 , 提 供 相 关 资 料 , 使 学 生 能 将 短暂 的 工作 纳入 到 长 期 的 研究 工作 中 , 对 培养 学 生 的 生态 素养 具有 重要 的 作用 。 11.3 其 他 国家 的 生态 学 专业 教育 德国 是 生态 学 的 发 源 地 , 并 且 在 全 社会 形成 了 重视 生态 学 的 浓厚 风气 。 德 国 的 绿 党 以 “ 生 态 创 造 工 作 机 会 ”为 口号 , 使 之 成 为 德国 重要 的 在 野党 。 德 国 在 植物 生态 学 (地 植物 学 ) 方面 拥有 优良 的 传统 , 并 且 还 是 植被 生态 学 、 景 观 生 态 学 、 生 态 毒 理 学 等 重要 新 兴学 科 的 首倡 国 。 德 国 的 生态 学 专业 大 多 隶属 生物 学 系 , 十 分 重视 学 生 的 生物 学 基础 和 地 学 基础 , 高 度 重视 学 生 的 实 验 动 手 能 力 和 野外 观测 实习 等 教学 环节 。 以 前 , 生 态 学 专业 仅 限 于 综合 性 大 学 , 近 年 来 很 多 工科 院 校 十 分 注重 生态 学 专业 和 教学 内 容 的 设置 。 俄罗斯 是 国际 生态 学 领域 有 重要 影响 的 国家 。 苏 联 解体 以 前 , 生 态 学 的 人 才 培 养 主要 集中 在 莫斯科 大 学 和 圣彼得堡 大 学 ; 进入 20 世纪 80 年 代 以 后 , 很 多 综合 性 大 学 和 工科 院 校 也 设立 了 生 态 学 专业 和 课程 ; 进入 90 年 代 以 后 , 俄 罗斯 虽然 设 有 生态 学 专业 的 高 校 有 所 减少 , 但 大 多 数 高 校 都 设 有 生态 学 系列 讲座 。 俄 罗斯 十 分 重视 野外 工作 , 各 大 学 都 有 稳定 的 野外 实习 工作 站 , 这 些 工作 站 与 国家 自然 保护 区 结合 , 有 较 好 的 野外 观测 条 件 和 系统 的 资料 支持 。 1.2 国内 生态 学 教学 情况 新 中 国 成 立 前 , 国 内 仅 有 北京 大 学 李 继 侗 教授 、 复 旦 大 学 曲 仲 湘 教授 、 云 南大 学 朱 彦 承 教 授 、 厦 门 大 学 何 景 教 授 、 江 西 大 学 林 英 教授 等 , 在 个 别 大 学 开设 生态 学 或 生态 学 相关 课程 。 新 中 国 成 立 后 , 尤 其 是 全 国 高 校 院 系 的 调整 , 直 到 20 世纪 70 年 代 , 因 国家 建设 需要 实施 “以 任务 带 动 学 科 ” 的 方式 推动 了 我 国生 态 学 的 发 展 , 特 别 是 围绕 自然 区 划 、 农 业 区 划 、 林 业 区 划 、 天 然 林 区 调查 、 热 带 橡胶 宜 林 地 及 农 明 区 的 遂 选 等 , 推 动 了 人 才 的 培养 。 如 北京 大 学 李 继 侗 教授 赴 内 EE 160 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) 蒙古 大 学 建立 了 以 草原 或 荒漠 为 研究 对 象 的 生态 学 人 才 培 养 基地 , 留 美 归来 的 曲 仲 湘 教授 赴 云 南 大 学 建立 了 以 热带 、 亚 热带 植被 为 研究 对 象 的 生态 学 人 才 培 养 体系 。20 世纪 50 年 代 后 期 , 从 师 于 法 瑞 学 派 创始 人 Braun Blanquant 的 朱 彦 承 教授 回国 到 云南 大 学 工作 , 同 时 生态 学 中 的 苏联 学 派 代表 人 、 科 学 院 院 士 苏 卡 乔 夫 来 以 云南 大 学 为 依托 在 云南 建立 热带 森林 定位 站 , 并 维持 工作 近 10 年 。1956 一 1958 年 , 苏 联 阿 . 库 加 爹 教授 等 在 东北 师范 大 学 举办 了 “动物 生态 学 研究 班 "。 此 时 , 我 国 出 现 了 集 英 美学 派 、 法 瑞 学 派 、 苏 联 学 派 于 一 体 的 情势 , 培 养 了 一 批 生态 学 科研 和 教 学 的 优秀 人 才 。“ 文 化 大 革命 ”期 间 , 生 态 学 受到 了 很 大 的 冲击 ,“ 文 化 大 革命 ”后 即 到 20 世纪 70 年 代 后 期 , 这 批 人 才 得 以 迅速 成 长 , 成 为 生态 学 教学 和 科研 的 骨干 力量 , 生 态 学 教育 才 逐 步 得 到 发 展 , 成 为 规模 较 大 的 重要 学 科 。 现在 , 我 国 大 多 数 综合 性 大 学 和 师范 院 校 , 都 开设 了 生态 学 课程 , 全 国有 近 70 所 高 校 设 有 生 态 学 本 科 专 业 。 生 态 学 专业 有 的 设 在 生物 科学 院 系 中 , 有 的 设 在 环境 和 资源 科学 相关 的 院 系 中 。 全 国有 60 多 所 高 校 授予 生态 学 硕士 学 位 , 有 30 多 所 高 校 授予 生态 学 博士 学 位 , 有 北京 师范 大 学 、 东 北 师范 大 学 、 云 南大 学 、 华 东 师范 大 学 、 浙 江 大 学 、 南 京 林 业 大 学 、 东 北林 业 大 学 、 复 旦 大 学 、 兰 州 大 学 9 所 高 校 的 生态 学 入选 为 国家 级 重点 学 科 , 其 中 5 个 在 南方 ,4 个 在 北方 。 生态 学 专业 分 布 的 区 域 性 格局 明显 , 分 布 基本 合理 , 学 科 整 体 优势 和 特色 基本 形成 〈( 段 昌 群 ,2002) 。 生态 学 本 科 毕 业 生 考 取 研 究 生 比例 较 高 , 就 业者 主要 去 向 是 教学 科研 部 门 、 环 保 部 门 , 部 分 在 农林 、 水 利 部 门 。 通 过 用 人 单位 调查 了 解 到 , 生 态 学 专业 本 科 生 毕业 后 能 独立 地 开展 专业 性 的 . 工作 往往 需要 3 年 左右 的 时 间 , 而 硕士 研究 生 毕 业 往往 即 可 适应 专业 工作 , 从 而 很 多 专业 部 门 对 硕士 生 普遍 较为 欢迎 。 从 学 生 就 业 看 , 本 科 毕 业 生 找 工作 相对 较 难 , 而 且 待遇 不 高 , 从 而 更 多 地 倾向 考研 究 生 进行 深造 。 近 年 来 全 国 高 校 普遍 扩招 , 生 物 学 和 环境 科学 类 各 专业 就 业 情 况 比 较 相 近 , 但 生态 学 专业 就 业 的 供需 矛盾 相对 突出 些 。 从 招生 情况 来 看 , 鉴 于 生态 学 专业 的 特点 , 大 多 数学 校对 本 专业 的 招生 采取 相对 谨慎 的 态 度 , 普 遍 招生 数量 不 大 , 或 按 院 招生 进行 专业 分 流 时 适当 控制 规模 。 一 般 很 少 超过 50 A, KS 在 30 ~40 人 之 间 。 社会 的 直接 需要 在 一 定 程度 上 决定 了 本 科教 育 的 实际 地 位 。 与 国外 相 比 , 国 内 生态 学 本 科教 育 普遍 存在 着 这 样 的 问题 : 各 级 部 门 理论 上 都 认为 生态 学 十 分 重要 , 但 在 具体 实践 环节 中 重视 程 度 偏 低 。 生 态 学 是 一 个 综合 性 很 强 的 学 科 , 贯 通 多 个 学 和 领域, 如 生物 学 、 地 球 科 学 , 甚 至 还 渗 透 到 其 他 自然 科学 和 社会 科学 体系 中 , 在 目前 我 国 的 政府 职能 部 门 和 产业 部 门 体系 中 , 生 态 学 没 有 一 个 直接 “对 口 ” 的 政府 职能 部 门 和 产业 领域 , 而 是 与 很 多 的 职能 部 门 和 产业 部 门 横向 穿插 。 当前 的 情况 仍然 是 条 块 分 割 、 对 口 不 畅 , 消 化 、 吸 纳 该 专业 人 才 的 渠道 狭小 , 容 量 过 低 。 生态 学 基本 信息 、 理 论 和 作用 未 能 真正 得 到 社会 的 广泛 了 解 , 也 未 真正 得 到 决策 部 门 的 纵深 认同 。 一 方面 , 生 态 学 是 指导 可 持续 发 展 的 核心 科学 , 另 一 方面 生态 学 的 基本 知识 和 理论 并 没有 真正 被 社会 所 接纳 。 很 多 公文 和 媒体 在 文字 上 演 染 了 生态 环境 问题 , 但 在 整个 社会 中 并 没有 形成 自觉 运用 生态 学 知识 的 氛围 , 生 态 学 理论 指导 社会 经 济 活动 的 土壤 远 没有 形成 。 生态 学 属于 宏观 生物 学 领域 , 但 从 世界 上 整体 来 看 , 宏 观 生 物 学 人 才 培 养 一 度 被 削弱 。 在 20 世纪 50 年 代 之 前 , 高 校生 命 科 学 教学 的 基本 内 容 是 宏观 生物 学 。50 ~70 年 代 , 世 界 分 子 生物 学 的 快速 发 展 取得 了 辉煌 的 成 就 , 不 仅仅 是 该 领域 的 科学 家 更 容易 做 出 成 果 、 更 有 可 能 获得 诺 贝 尔 奖 等 国际 科学 大 奖 , 与 分 子 生物 学 相关 的 以 细胞 、 基 因为 主要 对 象 的 生物 产业 也 获得 了 极 大 的 发 展 , 创 造 出 令 人 瞩目 的 经 济 利益 。 整 个 生命 科学 研究 及 研究 领域 由 宏观 转向 微观 , 我 国 高 校 的 生命 科学 教学 课程 的 比重 也 相应 地 发 生 了 重要 变化 : 由 原来 的 以 宏观 生物 学 教学 为 主 转 为 了 以 微 大 学 生态 学 教学 及 教材 建设 进展 : 国内 外 比较 161 观 生物 学 教学 为 主 , “ 言 必 称 分 子 ” 成 了 高 校生 命 科 学 教学 的 一 大 特点 。 例 如 , 依 据 北京 大 学 1959 年 的 教学 计划 , 宏 观 生物 学 课程 占 绝 大 部 分 , 目 前 北京 大 学 的 宏观 生物 学 的 课程 只 占 1959 年 教学 计划 学 时 数 的 1X3。 但 是 这 种 教学 及 人 才 培 养 模式 也 带 来 了 种 种 问题 , 对 宏观 生物 学 领域 教学 的 忽视 让 该 学 科 的 科研 后 劲 不 足 , 能 做 实际 工作 的 人 多 了 , 对 整个 学 科 发 展 具 有 自己 独特 理 解 的 、 真 正 具有 生物 学 思想 的 人 少 了 。 从 20 世纪 末 以 来 , 国 外 很 多 生物 学 研究 机 构 和 企业 发 现 , 如 果 不 能 深入 认识 生命 现象 的 生态 过 程 和 生态 学 特点 , 微 观 层 次 上 无 论 怎 样 深 入 也 仅仅 只 是 一 个 方面 , 而 且 影响 整个 生命 科学 和 技术 的 健康 发 展 。 为 此 , 开 始 对 包括 生态 学 在 内 的 宏观 生物 学 进行 重点 建设 。 我 国 为 此 也 在 全 国 19 个 高 校 建 设 了 国家 理科 基础 科学 与 教学 人 才 培 养 (生物 学 ) 基地 , 对 分 类 学 、 生 态 学 等 生物 学 传统 学 科 进 行 了 挽救 式 的 保护 和 投入 。 现 在 , 很 多 学 校 开 始 重 视 生 态 学 及 宏观 生物 学 的 教学 工作 。 2. 国内 外 生态 学 教学 安排 与 课程 设置 生态 学 面临 的 实际 问题 及 其 具体 对 象 具 有 很 强 的 区 域 性 , 同 时 人 才 培 养 往往 也 是 问题 导向 型 和 任务 驱动 型 的 , 从 而 不 同 国家 和 地 区 及 其 高 校 在 教学 安排 上 往往 也 具有 很 强 的 区 域 性 。 2.1 国外 生态 学 教学 安排 和 课程 设置 2.1.1 美国 加 州 大 学 戴 维 斯 分 校 加 州 大 学 戴 维 斯 分 校 (UC Davis) 的 生态 学 专业 多 年 排名 全 美 第 一 。 该 校 的 生态 学 与 进化 科 学 专业 (EEB) 在 教学 中 十 分 重视 理科 基础 课程 , 尤 其 是 生物 学 基础 课程 , 其 中 的 数学 、 物 理 学 、 化 学 、 生 物 学 等 基础 性 课程 占 一 半 以 上 的 学 分 ; 专业 课程 分 必修 课程 和 选修 课程 , 其 中 必修 课程 不 多 , 选 修 课 程 十 分 丰富 。 在 这 些 课程 中 , 十 分 重视 两 类 课程 , 一 是 野外 调查 类 课程 : 生物 多 样 性 调查 、 进 化 与 生态 学 调查 , 二 是 各 类 跨越 和 综合 不 同 生 物 层次 解决 和 分 析 生 态 问题 方面 的 课程 。 研 究 性 、 实 验 性 、 野 外 实践 性 课程 占据 很 高 比例 。 针对 生态 学 方面 的 课程 主要 有 : 生态 学 导论 、 种 群 和 数量 遗传 学 、 进 化 论 、 系 统 发 育 及 宏观 进化 、 生 物 数 学 、 群 落 生态 学 、. 兰 椎 动物 结构 的 系统 学 分 析 、 动 物 的 交流 、 种 子 植物 的 系统 学 与 进化 、 海 洋 生 态 学 、 植 物 生 态 学 、 杂 草 的 种 群生 物 学 、 两 栖 生物 学 及 野外 实习 、 上 古 植物 学 、 系 统 生物 学 原理 、 生 物 地 理学 、 生 态 系统 的 进化 、 动 物 发 育 的 进化 、 计 算 遗 传 学 、 生 物 学 研究 导论 、 生物 学 教学 等 。 2.1.2 美国 耶鲁 大 学 耶鲁 大 学 的 生态 学 与 进化 科学 专业 在 世界 享有 尝 高 声誉 。 该 专业 向 来 以 基础 广博 、 专 业 深 厚 、 内 容 新 颖 为 特色 , 尤 其 强调 实证 和 动手 研究 。 本 专业 开设 的 生态 学 类 课程 主要 有 : 普通 生态 学 、 人 类 遗传 变异 与 进化 、 进 化 论 、 生 态 学 与 行为 学 原理 实验 、 生 命 史 、 生 命 多 样 性 、 生 命 科 学 的 统计 学 、 普 通 生 态 学 、 进 化 生物 学 、 进 化 生 物 学 实验 、 流 行 性 疾病 的 生态 学 与 进化 、 野 外 生态 学 、 动 物 行为 学 、 植 物 多 样 性 与 进化 、 植 物 多 样 性 与 进化 实验 、 鱼 类 学 、 人 和 全 全 的 于 CC 分 子 系统 生物 学 实验 、 保 育 遗 传 学 、 野 生 动物 保育 生态 学 、 景 观 生 态 学 、 水 生生 态 学 、 生 物 发 育 的 进化 、 生 态 学 实验 研究 、 生 态 学 及 进化 生物 学 高 级 研修 课程 、 无 兰 椎 动物 生物 学 专题 、 进 化 与 保护 中 传 学 专题 :系统 生物 学 研究 设计 、 生态 学 与 进化 科学 的 数学 模型 和 量化 分 析 、 进 化 系统 的 动态 等 。 2.1.3 美国 艺 加 哥 大 学 芝加哥 大 学 的 进化 与 生态 学 (EEB) 专业 名 列 全 美 前 5 名 。 该 校 的 生态 学 专业 要 求学 生 先 修 162 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 完 科 学 课程 、 生 物 学 课程 后 , 再 进入 到 专业 课程 。 专 业 课程 的 学 习 中 将 课 和 党 理 论 教学 与 导师 指导 下 的 实践 教学 有 机 融合 。 他 们 开设 的 重点 课程 主要 有 : 生态 学 : 本 课程 内 容 为 人 与 自然 环境 相互 作用 的 一 些 生 态 的 和 进化 的 基本 理论 , 包 括 种 群 增 长 、 适 应 、 生 态 系 统 的 结构 和 功能 、 生 物 多 样 性 的 重要 性 及 其 调节 机 制 。 进化 生态 学 : 对 于 将 在 生物 学 或 医学 领域 择业 的 学 生 , 本 课程 为 必须 完成 的 学 科 之 一 。 这 门 课程 着 重 前 明 了 生态 学 和 进化 生物 学 的 主要 理论 。 其 中 生态 学 的 主要 内 容 包括 : 种 群 统计 学 、 生 活 史 、 竞 争 、 捕 食 和 生态 群落 等 ; 进化 生物 学 的 内 容 包括 进 化 的 证 据 、 生 命 形 成 过 程 、 进 化 机 制 (突变 、 选 择 、 遗 传 漂 变 ) 、 适 应 、 物 种 的 形成 、 进 化 的 起 源 、 生 命 的 起 源 和 人 类 的 进化 。 生态 学 在 保护 生物 学 中 的 应 用 : 这 门 课程 主要 是 将 生态 学 理论 贯穿 到 当前 的 生物 保护 的 活动 中 。 课 程 着 重 强调 数量 方法 在 生态 学 中 的 具体 运用 , 例 如 , 自 然 资 源 的 利用 、 灭 绝 的 危险 性 评 价 、 生 物 量 的 最 大 获得 、 物 种 人 侵 的 动态 以 及 种 间作 用 的 重要 性 。 课 程 的 材料 主要 来 自 当 前 的 学 术 刊 物 上 。 本 课程 内 容 还 包括 两 个 星期 的 野外 考察 和 计算 机 模型 的 实验 室 设计 。 野外 生态 学 : 本 课程 是 对 拟 攻读 硕士 学 位 的 本 科 生 而 开设 的 。 针 对 进化 的 重要 课题 , 本 课程 主要 对 北美 洲 的 动物 栖息 地 、 植 物产 地 以 及 如 何 组 织 生 态 学 和 行为 学 方面 的 野外 调查 。 课 程 包括 在 寒暑 假 内 两 周 的 野外 调查 。 调 查 中 有 非 正式 的 演讲 和 讨论 、 个 人 和 集体 的 项 目 研究 。 每 年 的 下 学 期 初 将 举行 有 关 调 查 地 点 的 生态 学 以 及 野外 调查 研究 技术 和 方法 的 讲座 。 2.1.4 美国 乔治 亚 大 学 乔治 亚 大 学 是 美国 最 早 的 州立 大 学 之 一 。 该 校 有 国际 知名 的 现代 生态 学 宗师 EP. O0dum。 该 校生 态 学 专业 要 求学 生 具 有 扎实 的 理科 和 数学 基础 。 生 态 学 专业 设置 了 物理 、 普 通化 学 、 有 机 化 学 、 生 物 学 及 微 积分 课程 , 作 为 基础 课 的 学 习 , 要 求 每 位 学 生 在 每 项 课程 中 必须 选 两 门 课 。 攻 读 生态 学 学 士 学 位 的 学 生 一 般 在 大 学 一 年 级 的 第 一 学 期 就 进入 这 些 课程 。 生态 学 专业 的 课程 还 有 必修 课 和 选修 课 。 首 先 开 的 课程 为 普通 生态 学 和 初级 研究 班 课 程 。 在 上 普通 生态 学 课程 之 前 , 必 须 完成 普通 化 学 和 普通 生物 学 的 课程 。 学 完善 通 生态 学 后 , 接 着 就 要 进行 两 门 必 修 课 的 学 习 。 这 两 门 必修 课程 为 种 群 和 群落 生态 学 及 生态 系统 和 景观 生态 学 。 此 外 高 年 级 的 学 生还 要 选修 高 级 研究 班 课程 。 生态 学 选修 课 由 弗兰克 林学 院 和 生态 研究 所 共同 确定 。 课 程 设置 的 目的 在 于 扩大 学 生 的 知识 面 和 拓展 生态 学 的 应 用 领域 。 对 生态 专业 的 学 生 , 在 分 类 学 和 博物 学 中 必须 选 一 门 , 这 样 才 能 使 他 们 对 植物 类 群 或 动物 类 群 有 一 个 认识 。 在 如 下 的 一 个 课程 组 合 中 : 遗传 学 、 生 物化 学 、 微 生物 学 、 统 计 学 、 地 瑶 学 、 生 物 气候 学 、 历 史 地 理学 、 海 洋 生 态 学 , 学 生 需 从 中 任 选 三 门 课程 。 为 使 学 生 在 生态 学 方面 达到 专业 水 准 , 学 习 不 仅仅 只 是 课堂 上 听课 。 该 研究 所 提供 了 许多 动 手 实 践 的 机 会 。 为 了 更 好 地 进行 研究 、 到 野外 实习 或 写 毕业 论文 , 学 生 们 可 以 与 教授 进行 正式 联 系 , 所 有 这 些 学习 内 容 都 与 本 专业 的 选修 课 直 接 挂钩 。 生 态 学 专业 的 学 生 组 建 了 生态 俱乐部 , 主 要 组 织 一 些 具 有 一 定 科 技 水 平 的 社会 实践 活动 。 本 科 生 态 学 专业 设置 的 课程 : © 环境 问题 的 生态 基础 : 以 生态 的 观点 理解 环境 问题 。 本 课程 的 内 容 包括 : AOR, ED 多 样 性 的 丧失 , 资 源 极 限 、 污 染 和 全 球 气候 的 变化 。 。 环境 与 人 类 : 从 历史 的 观点 , 遵 循 主宰 人 与 自然 界 相互 作用 结果 的 自然 规律 和 生态 进程 来 研究 全 球 环境 问题 。 © 初级 研讨 班 课程 : 生态 研讨 班 课 程 用 于 给 大 一 的 学 生 介 绍 生态 学 的 组 织 方法 , 说 明 本 专业 的 要 求 , 并 可 根据 学 生 兴 趣 、 就 业 或 继续 教育 的 要 求 , 提 供 一 些 可 创建 个 人 项 目的 选择 。 大 学 生态 学 教学 及 教材 建设 进展 : 国内 外 比较 163 。 生 态 学 及 实验 : 种 群 的 结构 与 动态 、 群 落 的 结构 和 分 类 、 生 态 系统 的 物质 和 能 量 流动 为 本 课程 的 主要 内 容 ;生态 实验 : 让 学 生 获 得 用 于 评估 有 机 体 、 种 群 、 群 落 和 生态 系统 的 相互 作用 的 技能 和 方法 。 野 外 实习 根据 实习 的 时 间 安 排 , 可 安排 一 些 额外 的 校内 论坛 。 。 应 用 生态 学 : 通过 学 习 确 定 人 与 自然 的 不 协调 性 及 对 生态 系统 结构 与 功能 的 影响 。 通 过 个 案 研究 , 阐 明 环 境 毒 理 生 态 学、 保护 生态 学 、 农 业 生态 系统 生态 学 、 恢 复生 态 学 等 领域 的 工作 方法 。 。 保 护 生态 学 : 内 容 包括 生态 学 在 物种 多 样 性 保护 中 的 应 用 , 科 学 家 在 生态 保护 中 的 方法 设 计 和 政策 制定 方面 的 作用 。 。 指 导 性 阅读 : 在 教师 的 指导 下 , 通 过 对 有 独创 性 论文 和 评论 性 文章 的 阅读 与 讨论 , 从 而 获 得 生态 学 某 一 领域 的 详实 的 知识 。 。 生 态 学 专题 : 生理 生态 学 : 有 机 体 对 环境 因子 的 生理 反应 ;种 群 和 群落 生态 学 : 内 容 主要 为 生物 有 机 体 的 出 生 、 死 亡 和 迁移 , 着 重 研究 种 群 的 动态 , 植 物 和 动物 群落 的 构成 及 动力 ; 生态 系统 生态 学 : 自然 和 人 为 生态 系统 的 结构 及 功能 , 尤 其 以 从 小 区 域 到 全 球 范围 的 能 量 循环 和 生物 地 球 化 学 循环 过 程 为 本 课程 的 主要 内 容 ; 生物 圈 的 进化 : 与 生命 起 源 和 进化 相关 的 基本 概念 及 对 新 观点 的 批判 性 评价 , 生 物 多 样 性 及 其 在 生物 地 化 循环 和 生态 系统 中 的 功能 。 。 野 外 系统 生态 学 : 通过 经 验 性 的 调控 和 系统 模型 的 共同 作用 研究 野外 生物 和 陆地 及 水 生生 态 系统 的 动态 过 程 。 。 生 态 学 研究 与 分 析 : 古生物 学 : 考古 动物 学 、 环 境 考古 学 ;自然 标本 管理 学 : 自然 标本 管 理 的 理论 、 措 施 , 包 括 高 级 分 类 、 鉴 别 、 野 外 收集 、 评 估 、 准 备 、 补 救 及 数据 处 理 ; 湖沼 学 : 水 生生 态 系统 〈 湖 泊 和 河流 ) 及 其 生物 的 研究 , 陆 地 生态 系统 和 水 生生 态 系统 的 联系 ; 自然 史实 习 : 学 会 在 收集 人 员 的 指导 下 , 了 解 对 收集 材料 的 管理 技术 和 其 他 管理 程序 。 。 生 态 学 调研 : 在 公共 机 构 、 非 营业 性 环境 组 织 或 与 生态 相关 工业 中 进行 的 有 学 校 监督 的 =e © 高 级 研讨 班 : 对 有 独创 性 的 报告 或 生态 科技 论文 进行 讨论 或 批评 性 的 评价 , 学 生 也 可 以 对 具有 时 代 性 的 课题 进行 讨论 。 (MAMA: 在 教师 的 指导 下 , 由 学 生 独 立 完成 某 一 项 目的 研究 。 。 论文 写作 : 在 教师 的 指导 下 , 根 据 所 做 的 研究 写 出 有 较 高 水 平 的 论文 。 2.1.5 英国 剑桥 大 学 剑桥 大 学 〈University of Cambridge) 是 世界 上 最 为 古老 的 大 学 之 一 , 它 以 深厚 的 学 术 研究 传 统 、 严 说 求实 的 治学 态度 以 及 丰富 多 彩 的 教学 方式 , 数 百年 来 一 直 持 世 界 知名 大 学 之 牛 耳 。 政 治 、 法 律 、 历 史 、 文 学 、 语 言 学 、 建 筑 、 物 理 等 学 科 是 剑桥 大 学 的 传统 优势 学 科 , 长 期 以 来 它 在 这 些 领域 内 的 研究 一 直 走 在 世界 的 前 列 。 剑 桥 大 学 在 生物 学 , 特 别 是 在 生态 学 领域 的 国际 知名 度 或 许 没 有 上 述 学 科 那 么 显赫 , 但 是 依托 于 剑桥 这 样 一 个 良好 的 研究 氛围 , 其 研究 也 有 不 少 独到 之 处 , 而 且 研 究 水 平 也 是 国际 水 准 的 。 该 校 的 生态 学 作为 生物 学 学 士 学 位 的 一 个 专业 方向 , 主 要 以 生态 学 及 环境 生物 学 为 重点 , 强 调 生态 过 程 的 分 析 、 全 球 环境 问题 、 多 学 科 的 交叉 融合 等 。 进 入 专业 课程 学 习 之 前 , 必 须 学 习 基 因 、 细胞 、 个 体 、 种 群 等 生物 层次 上 的 生物 学 、 生 态 学 课程 , 在 此 基础 上 再 学 习 进 化 与 系统 生物 学 成 套 课程 , 包 括 系统 生物 学 、 古 生物 学 、 适 应 、 自 然 选择 、 分 子 进化 、 性 选择 等 重要 内 容 。 另 外 定量 分 析 方 法 也 是 重要 的 必修 课程 , 包 括 观 测 和 实验 设计 、 数 据 的 计算 机 分 析 等 。 选 修 课 程 包括 全 球 变 化 、 生 态 基 因 组 学 、 生 态 系统 过 程 分 析 等 处 在 学 科 前 沿 的 理论 水 平 十 分 高 深 的 相关 内 容 。 丸 外 还 有 很 多 研究 性 课程 , 包 括 : 中 植物 生理 生态 学 、 真 菌 生态 学 、 气 候 土壤 和 植物 的 相互 Se 164 生态 科学 进展 〈 第 四 卷 ) KA; 四 进化 生物 学 、 生 态 学 和 行为 生态 学 : 河口 岸 、 海 岸 和 淡水 生态 学 , 受 精 生 殖 生 态 学 , 微 型 哺乳 动物 及 寄生 生物 的 种 群生 态 学 , 昆 虫 的 群体 生活 及 社会 行为 , 鸟 类 的 驶 食 行 为 及 社会 性 行 为 , 昆 虫 的 领域 行为 , 生 物 的 生殖 策略 和 性 选择 模式 ; @ 生 物 地 理学 : 当代 热带 地 区 的 生物 地 理 , 主 要 涉及 资源 保护 和 管理 ; 由 环境 问题 中 的 生态 学 : 发 展 中 国家 的 环境 决策 、 农 业 生 态 系 统 , 热 带 非洲 及 热带 太平 洋 地 区 的 环境 和 生态 系统 〈 硕 士 、 博 士 学 位 /研究 式 ) , 全 球 或 局 部 地 区 的 环境 问题 及 其 控制 、 资 源 利 用 的 评估 。 2.2 国内 生态 学 教学 安排 与 课程 设置 情况 我 国 的 生态 学 专业 课程 设置 有 一 定 的 区 域 性 , 但 差异 不 像 国 外 那样 大 。 从 课程 体系 来 看 , 设 置 在 生命 科学 院 及 生物 系 中 的 生态 学 专业 , 有 关 生 物 学 的 课程 比例 较 高 , 设 置 在 环境 〈 资 源 ) 科学 院 〈 系 ) 中 的 生态 学 专业 , 有 关 生 物 学 的 课程 比较 低 。 农 林 院 校 的 生物 学 比较 偏重 一 些 生 物 学 的 应 用 学 科 , 如 农学 、 林 学 、 病 虫害 等 课程 。 各 校 开设 的 生态 学 课程 , 在 专业 基础 课程 上 基本 相近 , 主 要 有 普通 生态 学 〈 或 基础 生态 学 、 生态 学 概论 ) 、 植 物 生态 学 、 动 物 生态 学 、 景 观 生态 学 等 。 主 干 课程 及 选修 课程 有 : 污染 生态 学 、 环 境 生物 学 〈 或 环境 生态 学 ) 、 大 自然 保护 、 生 态 工程 学 、 生 态 经 济 学 、 恢 复生 态 学 、 进 化 生态 学 、 生 态 规划 、 保 护 生 物 学 等 。 在 农林 院 校 中 , 还 普遍 开设 了 农业 生态 学 、 和 森林 生态 学 、 生 态 农 业 、 水 土 保 持 等 。 生 态 学 专业 主干 课程 和 选修 课程 的 设置 , 与 各 高 校 所 在 区 域 的 特点 和 优势 科研 方向 密切 相关 , 如 北京 师范 大 学 的 鸟 类 生态 、 能 量 生态 、 理 论 生 态 等 ; 东北 师范 大 学 的 草地 生态 、 湿 地 生态 等 ; 云南 大 学 的 污染 生态 、 植 被 生态 等 ; 华东 师范 大 学 的 城市 生态 、 植 被 生态 等 。 根据 国内 生态 学 专业 课程 的 基本 情况 , 可 以 把 课程 体系 归纳 如 表 1。 从 表 1 中 可 以 看 出 , 国 内 生态 学 层次 性 比较 强 , 从 基础 课程 到 专业 理论 课程 、 应 用 性 课程 、 交 叉 性 课程 等 ; 另外 , 理 论 教学 分 量 重 , 系 统 性 强 , 便 于 学 生 在 较 短 的 时 间 内 记忆 ; 主要 偏重 实际 需要 设置 课程 , 理 性 思维 方面 的 课程 较 少 。 与 国外 相关 课程 比较 来 看 , 我 们 的 课程 名 称 相 对 比较 宽泛 , 教 学 深度 不 够 , 同 时 反映 学 科 前 沿 动态 性 的 教学 内 容 总 体 上 比较 欠缺 , 实 验 和 实践 教学 环节 分 量 小 , 而 且 缺 乏 系统 性 。 表 1 国内 生态 学 课程 体系 概览 课程 定位 与 类 型 课程 体系 反映 基础 知识 和 整体 杠 通 生 态 学 /基础 生态 学 /生态 学 原理 ip Hy HE 普 = 学 学 原 基础 理论 课程 i 着 重生 态 过 程 及 其 机 理 a ia & pet 动物 生态 学 景观 生态 学 应 用 生态 学 , 污 染 生态 学 , 生 态 毒 理 学 应 用 基础 性 ‘ 下 大 自然 保护 /保护 生物 学 35 iy 9 生态 监测 与 评 aa at dite: 技术 及 应 用 , 生 态 监测 与 评价 恢复 生态 学 , 生 态 工程 学 生态 专业 知识 进入 社会 决策 途径 的 课程 生态 经 济 学 , 生 态 规划 农业 生态 学 , 森 林 生 态 学 , 人 类 生态 学 , 城 市 生态 学 , 化 学 Mu, 生态 学 , 行 为 生态 学 , 全 球 变化 生态 学 其 他 专业 课程 大 学 生态 学 教学 及 教材 建设 进展 : 国内 外 比较 165 3. 国内 外 生态 学 教材 及 其 编写 比较 分 析 全 球 范 围 内 以 英语 为 教学 语言 的 国家 和 地 区 , 生 态 学 教材 的 共享 程度 、 国 际 化 程度 很 高 。 长 期 以 来 , 欧 美发 达 国 家 , 尤 其 是 美国 和 英国 在 生态 学 研究 和 人 才 培 养 方面 走 在 世界 前 列 , 国 际 上 知名 高 校 和 研究 机 构 的 教授 和 科研 人 员 大 多 也 在 这 些 国 家 接受 教育 , 从 而 承袭 英美 等 英语 国家 生 态 学 教学 组 织 、 课 程 结 构 、 教 材 选 用 模式 。 即 使 是 非 英 语 作为 教学 语言 的 国家 和 地 区 , 在 积极 向 发 达 国 家 学 习 生 态 学 科学 研究 和 人 才 培 养 的 同时 , 也 基本 上 沿用 了 他 们 的 教材 。 因 此 , 国 内 外 教 材 的 比较 在 本 质 上 就 是 英语 教材 与 国内 汉语 教材 之 间 的 比较 。 3.1 英语 生态 学 主流 教材 及 教学 重要 参考 书 1) Manuel C. Molles (美国 新 墨西哥 大 学 教授 ) 编著 ,Ecology: Concepts and Applications (2006 第 四 版 ) , 英 文 软包装 608 页 。 由 McGraw-Hill Science/Engineering 出 版 。2000 年 中 国 科 学 院 研究 生 院 将 该 教材 列 为 研究 生 教学 丛书 并 由 科学 出 版 社 出 版 影印 本 ; 该 书 英 文 第 二 版 由 高 等 教 育 出 版 社 在 2002 年 出 版 影印 本 ; 第 四 版 的 影印 版 于 2007 年 9 月 份 已 在 高 等 教育 出 版 社 出 版 发 行 。 2) Robert E. Ricklefs. The Economy of Nature. 5th Edition W. H. Frennman & Company, 2001. 2004 年 7 月 由 高 等 教育 出 版 社 组 织 翻译 出 版 影印 本 。 3) Krebs C J. Ecology: The Experimental Analysis of Distribution and Abundance. Sth Edition. New York; Harper & Row, 2001. 2003 年 由 科学 出 版 社 在 中 国 出 版 影印 本 。 4) Monroe W. Strickberger. Evolutionary Biology. 3rd Edition. Jones and Bartlett Publishers. 2002 年 由 科学 出 版 社 在 中 国 出 版 影印 本 。 5) Begon M, Haper J L and Townsend C R. Ecology-Individuals Populations and Communities, 3rd Edition. 1996. Oxford: Blackwell Sciences. 6) Briggs D and Walters S M. Plant Variation and Evolution, 3rd Edition. Cambridge; Cambridge University Press, 1997. 7) Chapman S B. Method in Plant Ecology. Oxford; Blackwell Sciences, 1976. 8) Cox G W and Atkins M D. Agricultural Ecology. San Francisco; W. H. Freeman, 1979. 9) Cox C P.and Moore P D. Sth Edition. Biogeography-An Ecological and Evolutionary Approach. Oxford: Blackwell Sciences, 1993. 10) Crawley M J. Plant Ecology. Oxford: Blackwell, 1986. 11) Dodson S I. Ecology. Oxford University Press, 1998. 12) Forman R T T and Shmida A. Landscape Ecology. New York: John Wiley, 1986. 13) Foy C D. Origins and Development of Adaptation. Pitman Publishing Ltd. 1984. 14) Futuyma D J. Evolutionary Biology. 3rd Edition. Sunderland; Sinauer Associates, 1998. 15) Futuyma D J. Science on Trial: The Cause for Evolution. Sunderland; Sinauer Associates, 1995. 16) Gotelli N J. A Primer of Ecology. 2nd Edition , Sundeland; Sinauer Association. 1998. 17) Grime J P. Plant Strategies and Vegetation Processes. Chichester; Wiley, 1979. 18) Harborne J B. Introduction to Ecological Biochemistry. New York; Academic Press, 1977. 19) Harper J L. The Population Biology of Plants. London; Academic Press, 1977. 166 生态 科学 进展 (第 四 卷 ) 20) Hutchinson G E.The Ecological Theater and the Evolutionary Play. Newhaven; Yale University Press, 1965. 21) Kormondy E J. Concepts of Ecology. 4th Edition. Englewood Cliffs; Prentice Hall, 1996. 22) Krebs C J. Ecology, 4th Edition. New York; Harper Collins. 1994. 23) Larcher W. Physiological Plant Ecology, Sth Edition. Berlin; Springer, 1997. 24) Merrell D J. Ecological Genetics. London; Longman, 1981. ( 黄 瑞 复 等 译 . 生态 遗传 学 . 北京 : 科学 出 版 社 ,1991. ) 25) Newman M C. and Jagoe C H. Ecotoxicology-A Hierachical Treatment. New York; Lewis, 1997. 26) Niklas K J. The Evolution Biology of Plants. Chicago; The University of Chicago Press, 1997. ; 27) Odum E P. Fundamentals of Ecology, Sth Edition. Philadelphia; Saunders, 1989. 28) Pianka E R. , Evolutionary Ecology, 3rd Edition. New York: Harper and Row, 1997. 29) Pollard J W. Evolutionary Theory; Paths into the Future. Chichester; Wiley, 1984. 30) Rice E R. Allelopathy. New York: Academic Press, 1974. 31) Ricklefs R E. Ecology. 4th Edition, W.H. Freeman & Company, 1999. 32) Rose M R and Lauder G V. Adaptation. San Diego: Academic Press, 1996. 33) Schierwater B, Streit B and Wagner G P. Molecular Ecology and Evolution; Approaches and Applications. Basel and Boston; Birkhauser Verlag, 1994. 34) Smith R L. Ecology and Field Biology, 3rd Edition. New York; Harper, 1980. 35) Smith R L. Elements of Ecology. 4th Edition, Addison-Wesley ( Benjamin/Cummings ) , 1998. 36) Sorbrig O T and Solbrig D C. An Introduction to Population Biology and Evolution. Addison- Wesley, 1979. Reading. 37) Stiling Peter. Ecology; Theories and Applications, 3rd Edition. Prentice Hall, 1998. 38) Tilman D. Plant Strategies and the Dynamics and Structure of Plant Communities. Princeton; Princeton University Press, 1988. 39) Townsen C R and Calow P. Physiological Ecology; An Evolutionary Approach to Resource Use. Oxford: Blackwell Sciences, 1981. 40) Wallace Arthur,. Mechanisms of Morphological Evolution; A Combined Genetic, Developmental and Ecological Approach. Chichester; John Wiley & Sons, 1984. 41) Walter H. Vegetation of the Earth. Berlin; Springer, 1979. 42) Wilson E O. The Diversity of Life. Cambridge; Harvard University Press, 1992. 3.2 国内 的 生态 学 教材 建设 与 发 展 在 20 世纪 80 年 代 , 我 国 的 生态 学 教材 比较 少 而 且 也 很 单一 , 主 要 使 用 曲 仲 湘 等 编写 的 《 植 物 生 态 学 》( 人 民 教 育 出 版 社 〈 第 一 版 ) ,1980; 高 等 教育 出 版 社 (第 二 版 ) ,1983 ) 、 孙 儒 泳 纺 写 的 《动物 生态 学 原理 》 (北京 师范 大 学 出 版 社 ,1987) , 另 外 还 有 祝 廷 成 等 编写 的 《植物 生态 学 》 (高 等 教育 出 版 社 ,1988 ) 。 进入 90 年 代 以 后 , 一 批 生态 学 教材 出 版 面世 , 使 用 较 多 、 影 响 较 大 的 教材 主要 有 , 尚 玉昌 等 编写 的 《普通 生态 学 》 (高 等 教育 出 版 社 ,1992 (上 ),1995 (下 ) ) , 孙 儒 泳 、 李 博 等 编写 的 大 学 生态 学 教学 及 教材 建设 进展 : 国内 外 比较 167 《普通 生态 学 》 (高 等 教育 出 版 社 ,1993 ) , 郑 师 章 等 编写 的 《普通 生态 学 一 一 原理 、 方 法 与 应 用 》( 复 旦 大 学 出 版 社 ,1994) , 另 外 还 有 专业 课程 教材 如 王 焕 校 编写 的 《污染 生态 学 》 (云南 大 学 出 版 社 ,1990) , 徐 汝 梅 编写 的 《昆虫 种 群生 态 学 》 (北京 师范 大 学 出 版 社 ,1987) 等 。 进入 新 世纪 以 后 , 各 种 层次 的 生态 学 教材 不 断 涌现 , 如 李 博 等 主编 的 《生态 学 》( 高 等 教育 出 版 社 ,2000) , 李 振 基 等 编写 的 《生态 学 》 (科学 出 版 社 ,2000) , 宋 永昌 编 的 《植被 生态 学 》 (华东 师范 大 学 出 版 社 ,2001) , 常 杰 等 编写 的 《生态 学 》 (浙江 大 学 出 版 社 ,2001) , 王 焕 校 主 编 的 《污染 生态 学 》 (高 等 教育 出 版 社 ,( 第 二 版 ) ,2001) , 盛 连 喜 主编 的 《环境 生态 学 概论 》 (高 等 教育 出 版 社 ,2002) 、 曹 凑 贵 编写 的 《生态 学 概论 》 (高 等 教育 出 版 社 ,2002, 面 向 农业 院 校 ) , 戈 峰 主 编 的 《现代 生态 学 》( 科 学 出 版 社 ,2002 , 科 学 院 系统 研究 生 用 书 ) , 姜 汉 侨 等 编写 的 《植物 生态 学 》 (高 等 教育 出 版 社 ,2004) 等 。 还 出 现 了 一 批 生态 学 教材 参考 用 书 , 如 《生态 系统 生态 学 》 ( 蔡 晓 明 , 科 学 出 版 社 ,2000) 、《 理 论 生 态 学 》 (张大 勇 , 高 等 教育 出 版 社 , 2000)、《 生 态 工 程 学 》( 钦 佩 等 , 南 京 大 学 出 版 社 ,1998)、《 全 球 生 态 学 一 一 气候 变化 与 生态 响 WM) ( 方 精 云 等 , 高 等 教育 出 版 社 ,2000) 等 。 与 此 同时 , 国 外 一 批 优秀 生态 学 教材 被 引入 国 内 , 高 等 教育 出 版 社 和 科学 出 版 社 相继 影印 出 版 了 多 本 具有 重要 国际 影响 的 教材 。 2000 年 以 来 , 有 关 生 态 学 的 教学 参考 丛书 也 相继 问世 , 如 高 等 教育 出 版 社 出 版 的 系列 评述 处 书 《植物 科学 进展 》( 李 承 森 主编 )、《 现 代 生 态 学 讲座 》( 乌 建国、 葛 剑 平等 主编 )、《 生 态 科 学 进展 》( 段 昌 群 主编 ) 。 另 外 还 有 一 些 教学 研究 报告 , 如 《生态 学 教学 理论 探索 与 实践 — 21 世纪 大 学 生态 学 教学 内 容 优化 及 课程 体系 建设 》( 段 昌 群 主编 , 高 等 教育 出 版 社 ,2001)、《 环 境 科学 类 专业 教学 改革 研究 报告 》( 教 育 部 高 教 司 等 , 高 等 教育 出 版 社 ,2003 ) 。 目前 , 国 内 基础 生态 学 教学 使 用 较为 普遍 的 国内 外 教材 主要 有 (以 拼音 为 序 ) : 1) Barbour MG, Burk JH, Pitts W D, Gilliam F S and Schwartz M W. 1999. Terrestrial Plant Ecology. Addison Wesley Longman Inc. 2) Charles J. Krebs. 2002. Ecology (影印 版 ). 北京 : 科学 出 版 社 . 3) Manuel C. Molles. Ecology; Concepts and Applications. 科学 出 版 社 2000 年 出 版 了 其 影印 本 , 第 四 版 影印 版 2007 年 由 高 等 教育 出 版 社 出 版 。 4) Mackenzie 4. 2000. 生态 学 (PRA, BoM). 孙 儒 泳 等 译 . dom: 科学 出 版 社 . 5) Robert Ricklefs #. 2004. 生态 学 (第 五 版 , 中 译本 ). MKS. 北京 : 高 等 教育 出 版 社 . 6) Walter Larcher. 1997. 植物 生理 生态 学 . 翟 志 席 , 郭 玉 海 等 译 . 北京 : 中 国 农 业 大 学 出 版 社 . 7) SBA. 2000. 生态 系统 生态 学 . 北京 : 科学 出 版 社 . 8) Mew Ee. 2002. 生态 学 概论 . 北京 : 高 等 教育 出 版 社 . 9) 方 精 云 主编 . 2000. 全 球 生 态 学 气候 变化 与 生态 响应 . 北京 : 高 等 教育 出 版 社 和 Springer 出 版 社 . 10) ) | | | | | BN 978-7-04-0 | || I : 中 AN A | | | | | | | iat | 9"787040'24% ry Ol