有机农业生物多样性管理促进农业可持续发展

2021年2月19日 没有评论

有机农业生物多样性管理促进农业可持续发展

刘海涛、孟杰、博文静、程达、李勇、郭立月、李彩虹、郑延海、刘美珍、宁堂原、吴光磊、虞晓凡、冯素飞、乌云塔娜、李静、李立君、曾彦、刘实、蒋高明

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京,100093

中国科学院大学,北京玉泉路19号,100049

中国科学院生态环境科学研究中心,北京市海淀区双清路18号,100085

中国科学院地理科学与自然资源研究所,北京市朝阳区大屯路11A号,100101

山东农业大学作物生物学国家重点实验室,泰安市岱宗大道61号,泰安271018

弘毅有机农场,山东平邑 273300

美国北卡罗来纳州伊格尔分子医学研究所

科学报告第6卷,文章编号:23816(2016)(影响因子 4.122)

【摘要】 有机农业被认为能够减少与化学农业有关的有害物质影响。然而,有机农业是否能够养活一个不断增长的世界人口,存在着很多争论。我们假设通过有机农业的改良可以生产出足够的食物,减少环境污染。在弘毅生态农场(HOF),针对有机生物多样性管理模式(BMOF)与化学农业模式(CF),开展了8年以上的比较研究,探索有机农业生物多样性管理下土壤有机质和经济效益变化。将作物生产与牲畜养殖有机结合起来,最大限度地利用每种农产品的副产品,避免外源化学物质投入。在土壤特性改善、病、虫、草害防治方面,取得了明显的生态效益,并提高了作物产量。经过8年试验,农作物产量逐步稳定增长,生态农场纯收入增长9.6倍。2014年和2007年,HOF净收入分别为258827美元和24423美元。因此,BMOF不仅可以养活更多的人口,而且提高农业生态系统适应能力,同时获得更高的经济效益。

Biodiversity management of organic farming enhances agricultural sustainability

Haitao Liu,Jie Meng,Wenjing Bo,Da Cheng,Yong Li,Liyue Guo,Caihong Li,Yanhai Zheng,Meizhen Liu,Tangyuan Ning,Guanglei Wu,Xiaofan Yu,Sufei Feng,Tana Wuyun,Jing Li,Lijun Li,Yan Zeng,Shi V. LiuGaoming Jiang

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Nanxincun 20, Xiangshan, 100093, Beijing, China

University of the Chinese Academy of Sciences, No. 19, Yuquan Avenue, Beijing, 100049, PR China

Research Center for Eco-Environmental Sciences, The Chinese Academy of Sciences, 18 Shuangqing Road, Haidian District, Beijing, 100085, China

Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, The Chinese Academy of Sciences, 11A, Datun Road, Chaoyang District, Beijing, 100101, China

State Key Laboratory of Crop Biology, Shandong Agricultural University, No. 61, Daizong Avenue, Tai’an, 271018, China

Hongyi Organic Farm, Pingyi, 273300, China

Eagle Institute of Molecular Medicine, Apex, NC, USA

Scientific Reportsvolume6, Articlenumber:23816(2016)(IF=4.122)

Abstract Organic farming (OF) has been believed to be capable of curtailing some hazardous effects associated with chemical farming (CF). However, debates also exist on whether OF can feed a world with increasing human population. We hypothesized that some improvements on OF may produce adequate crops and reduce environmental pollutions from CF. This paper makes comparative analysis of crop yield, soil organic matter and economic benefits within the practice on Biodiversity Management of Organic Farming (BMOF) at Hongyi Organic Farm (HOF) over eight years and between BMOF and CF. Linking crop production with livestock to maximal uses of by-products from each production and avoid enobiotic chemicals, we have achieved beneficial improvement in soil properties, effective pest and weed control, and increased crop yields. After eight years experiment, we have obtained a gradual but stable increase in crop yields with a 9.6-fold increase of net income. The net income of HOF was 258,827 dollars and 24,423 dollars in 2014 and 2007 respectively. Thus, BMOF can not only feed more population, but also increase adaptive capacity of agriculture ecosystems and gain much higher economic benefits.

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臭氧诱导的冬小麦品种抗旱可塑性种间差异研究

2021年2月19日 没有评论

臭氧诱导的冬小麦品种抗旱可塑性种间差异研究

毕斯沃斯、蒋高明*

*通讯作者

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京香山南辛村20号 100093

中国科学院大学资源与环境学院,北京玉泉路 19号,100049

实验植物学报,2011, 62(2): 1-10(影响因子 5.345)

【摘要】 最近报道指出,干旱可以保护植物免受臭氧(O3)破坏,该观点挑战了人们对于臭氧胁迫下植物抗干旱能力的认识。然而,干旱对冬小麦品种耐O3能力的影响却鲜为人知。本研究比较了两个冬小麦品种对O3(耐O3,原始小麦,T.turgidum;小偃22号,O3敏感,现代品种)臭氧敏感性。从开花到籽粒成熟期间,将实验材料暴露于O3(83ppbO3,7h-d1)和/或干旱(42%土壤含水量)中,以评估干旱诱导的O3耐性调节。通过测定体内生化参数、气体交换、叶绿素a荧光和籽粒产量来评估不同品种小麦对臭氧与干旱胁迫的响应。原始品种比现代品种表现出更高的耐O3性,现代品种表现出更高的耐旱性。这表明,这两种胁迫单独应用于冬小麦品种时,不存在交叉耐受性。原始小麦对O3耐性丧失,而现代品种在干旱和O3联合作用下对O3耐性提高。这表明两种小麦在单种胁迫和两种胁迫的组合之间存在差异行为。两种小麦在干旱和O3胁迫下的耐旱性与其耐旱程度有关。结果表明,在干旱和O3共同作用下,对干旱敏感的冬小麦品种的耐O3能力完全丧失。

上述观点引起了国外同行的关注。英国兰卡夏大学(University of Lancaster) Sally Wikinson等人的综述文章《How is ozone pollution reducing our food supply》(臭氧污染怎样减少我们的食物供应)引用了我们论文的大部分内容,包括introduction, mechanisms for ozone induced yield loss, basis for genotypic sensitivity to ozone, changes in stomatal conductance, changes in photosynthetic capacity, ozone by environment interactions sections等。

Sally Wikinson博士是兰卡夏大学环境研究中心的Senior Research Associate,长期从事臭氧污染与作物生理生态响应研究。她的综述文章在Journal of Experimental Botany第10期,当年投稿当年发表。说明我们进行的臭氧对作物产量影响的文章获得国外同行高度关注。

我们文章第一作者为Dilip Kumer Biwas,他是植物所第一个全程培养的外国留学生,毕业后附加拿大做博士后研究。他在笔者课题组从事博士论文研究期间发表IF5文章4篇(含一篇IF 8.88),是目前为止笔者最得意的毕业生之一。

英国学者引用我们团队文章及其作者背景情况链接如下:

http://jxb.oxfordjournals.org/content/early/2011/10/17/jxb.err317.full

http://www.lec.lancs.ac.uk/people/Sally_Wilkinson

Differential drought induced modulations of ozone tolerance in winter wheat species

Biswas DK Jiang Gaoming*

*Correspondence author

State Key Laboratory of Vegetation and Environment Change, Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, 20 Nanxincun, Xiangshan, Beijing 100093, China

College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, 19 Yuquan Avenue, Beijing 100049, China

Journal of Experimental Botany, 62(2): 1-10(IF=5.345)

Abstract: Recent reports challenge the widely accepted idea that drought may offer protection against ozone (O3) damage in plants. However, little is known about the impact of drought on the magnitude of O3 tolerance in winter wheat species. Two winter wheat species with contrasting sensitivity to O3 (O3 tolerant, primitive wheat, T. turgidum ssp. durum; O3 sensitive, modern wheat, T. aestivum L. cv. Xiaoyan 22) were exposed to O3 (83ppb O3, 7h da’1) and/or drought (42% soil water capacity) from flowering to grain maturity to assess drought-induced modulation of O3 tolerance. Plant responses to stress treatments were assessed by determining in vivo biochemical parameters, gas exchange, chlorophyll a fluorescence, and grain yield. The primitive wheat demonstrated higher O3 tolerance than the modern species, with the latter exhibiting higher drought tolerance than the former. This suggested that there was no cross-tolerance of the two stresses when applied separately in these species/cultivars of winter wheat. The primitive wheat lost O3 tolerance, while the modern species showed improved tolerance to O3 under combined drought and O3 exposure. This indicated the existence of differential behaviour of the two wheat species between a single stress and the combination of the two stresses. The observed O3 tolerance in the two wheat species was related to their magnitude of drought tolerance under a combination of drought and O3 exposure. The results clearly demonstrate that O3 tolerance of a drought-sensitive winter wheat species can be completely lost under combined drought and O3 exposure.

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播娘蒿竞争下臭氧污染对冬小麦产量和品质的影响

2021年2月19日 没有评论

播娘蒿竞争下臭氧污染对冬小麦产量和品质的影响

李彩虹 孟杰 郭立月 蒋高明*

*通讯作者

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京香山南辛村20号 100093

中国科学院大学资源与环境学院,北京玉泉路19号,100049

环境与实验植物学报,2016, 129: 77–84(影响因子:5.345)

主要发现:小麦净光合速率受到高浓度O3和播娘蒿竞争的双重抑制;脯氨酸积累可增强对O3的耐受性;O3和播娘蒿竞争降低了冬小麦生物量和产量;O3改变了籽粒中粗蛋白和矿质元素含量;播娘蒿竞争加剧了O3对小麦生长抑制作用。

摘要:由于人为活动影响大气中的臭氧(O3)浓度而不断增加,严重影响了冬小麦(Triticum aestivum)生长发育和籽粒品质。播娘蒿(Descurainia sophia)是麦田最为棘手的一年生双子叶杂草之一。作为一个强有力的竞争对手,小麦播娘蒿的存在是影响小麦产量的主要因素。在播娘蒿竞争的条件下,很少有人研究臭氧对小麦生长和产量的影响。本文报道了不同密度播娘蒿竞争条件下,小麦对O3胁迫的生理生态响应。研究发现,高浓度O3降低了叶绿素浓度和叶面积。高浓度O3和播娘蒿都抑制了小麦的气体交换。此外,由于在转录水平上吡咯啉-5-羧酸合成酶的上调,小麦在O3升高下表现为脯氨酸累积,表明脯氨酸可能赋予O3污染引起的一定的氧化应激耐受性。高浓度O3对小麦地上生物量、产量和收获指数都有显著的不利影响,而播娘蒿的存在加剧了这些影响。高浓度O3使小麦籽粒粗蛋白含量显著增加,矿质元素含量降低。我们的研究结果表明,在今后的育种和栽培中,应考虑臭氧污染下播娘蒿竞争对冬小麦的影响。

关键词:冬小麦;播娘蒿;臭氧;种间竞争;产量;品质

Effects of ozone pollution on yield and quality of winter wheat under flixweed competition

CaihongLi, Jie Meng, Liyue Guo, Gaoming Jiang*

State Key Laboratory of vegetation and environmental change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, No. 20, Nanxin village, Xiangshan, Beijing 100093

School of Resources and Environment, Chinese Academy of Sciences, 19 Yuquan Road, Beijing, 100049

Environmental and Experimental Botany, 2016, 129: 77–84(IF=5.345)

Highlights:Net photosynthesis of wheat was suppressed by both elevated O3and competition;The accumulation of proline may enhance O3tolerance;O3and flixweed competition decreased biomass and yield of winter wheat;O3changed crude protein and mineral element concentrations in grains;Flixweed competition aggravated the negative effects of O3in some extent.

Abstract:The concentration of ozone (O3) is believed to continually increase due to anthrogenic activity, which might affect severely the growth and grain quality of winter wheat (Triticum aestivum). Flixweed (Descurainia sophia) is one of the most troublesome annual dicot weeds in wheat fields. As a vigourous competitor, the presence of flixweed in wheat field is a major factor to reduce wheat production. However, few studies have investigated the effects of ozone on wheat growth and yield under competition with flixweed. In the present study, physiological and ecological responses of wheat to O3stress with different density of flixweed competition were reported. Chlorophyll concentration and leaf area were reduced by elevated O3. Gas exchange of wheat was suppressed by both elevated O3and the presence of flixweed. Moreover, exposure of wheat to elevated O3induced accumulation of Proline due to the up-regulation ofpyrroline-5-carboxylate synthetaseat transcriptional level, suggesting that Proline may confer tolerance to oxidative stress induced by O3pollution. Finally, elevated O3had significant adverse impacts on wheat above-ground biomass, grain yield and harvest index, and these impacts were intensified by the presence of flixweed. Exposure of wheat to elevated O3led to a significant increase in crude protein concentration of grain, while decreases in mineral element concentrations of grain were observed. Our findings indicate that effects of ozone and flixweed competition on winter wheat should be considered for the future breeding and cultivation.

Keywords: Winter wheat;Flixweed;Ozone;Species competition;Yield;Grain quality

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臭氧对不同年代推广的冬小麦光合作用和生长的影响

2021年2月19日 没有评论

臭氧对不同年代推广的冬小麦光合作用和生长的影响

毕斯沃斯 许宏 李永庚 马宝林 蒋高明*

*通讯作者

中国科学院植物学研究所植被与环境变化国家重点实验室,中国北京香山南辛村20号,100093

实验植物学报, 2013, 64(6): 1485-1496. (影响因子:5.345)

【摘要】二氧化碳升高对植物光合的有益影响,将受到其它全球变化所带来的负面影响所抵消,不同O3敏感性植物对于臭氧(O3)的响应,尤其在高CO2环境下的调节还知之甚少。本文研究了老品种小麦(北京6号,耐臭氧型)和现代品种(中麦9号,O3敏感型)暴露于CO2(714ppm)和O3(72ppb,7h d-1)中,在开顶室同化箱( OTC)中培养21d后的光合生理与生长变化。通过观察叶片症状、测定气体交换和叶绿素a荧光、体内生化特性和生长来评估植株对不同处理的反应。结果表明,与老品种相比,现代品种对CO2浓度升高表现为较高的能量捕获和电子传输速率。与老品种相比,现代品种由于更高的O3吸收和更大的光系统II效率(成熟叶)和叶肉细胞活性(幼叶)损失,而导致更大的生长减少。在高CO2和O3条件下,尽管高CO2保护了两个品种免受O3危害,但现代品种比老品种表现出更高的O3吸收和更大的O3光抑制,从而导致高CO2诱导的生长刺激相对损失。该研究结果表明,在CO2和O3浓度升高前提下,由于较高的能量捕获和电子传输速率,现代品种CO2诱导的生长刺激可能会受到其较高的O3吸收和更大的光抑制而影响。

Modification of photosynthesis and growth responses to elevated CO2 by ozone in two cultivars of winter wheat with different years of release

D.K. Biswas, H. Xu, Y.G. Li, B.L. Ma, G.M. Jiang*

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, 20 Nanxincun, 100093 Beijing, PR China.

Journal of Experimental Botany, 2013, 64(6): 1485-1496. (IF=5.345)

Abstract: The beneficial effects of elevated CO2 on plants are expected to be compromised by the negative effects posed by other global changes. However, little is known about ozone (O3)-induced modulation of elevated CO2 response in plants with differential sensitivity to O3. An old (Triticum aestivumcv. Beijing 6, O3 tolerant) and a modern (T. aestivumcv. Zhongmai 9, O3 sensitive) winter wheat cultivar were exposed to elevated CO2 (714 ppm) and/or O3 (72 ppb, for 7h d(-1)) in open-topped chambers for 21 d. Plant responses to treatments were assessed by visible leaf symptoms, simultaneous measurements of gas exchange and chlorophyll a fluorescence, in vivo biochemical properties, and growth. It was found that elevated CO2 resulted in higher growth stimulation in the modern cultivar attributed to a higher energy capture and electron transport rate compared with the old cultivar. Exposure to O3 caused a greater growth reduction in the modern cultivar due to higher O3 uptake and a greater loss of photosystem II efficiency (mature leaf) and mesophyll cell activity (young leaf) than in the old cultivar. Elevated CO2 completely protected both cultivars against the deleterious effects of O3 under elevated CO2 and O3. The modern cultivar showed a greater relative loss of elevated CO2-induced growth stimulation due to higher O3 uptake and greater O3-induced photoinhibition than the old cultivar at elevated CO2 and O3. Our findings suggest that the elevated CO2-induced growth stimulation in the modern cultivar attributed to higher energy capture and electron transport rate can be compromised by its higher O3 uptake and greater O3-induced photoinhibition under elevated CO2 and O3 exposure.

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有机肥对中国温带农田土壤微生物群落多样性及土壤微环境的影响

2021年2月19日 没有评论

有机肥对中国温带农田土壤微生物群落多样性及土壤微环境的影响

甄珍,刘海涛,王娜,郭立月,孟杰,丁娜,吴光磊,蒋高明*

*通讯作者(本文SCI引用 65,阅读18175)

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京,100093

中国科学院大学,北京玉泉路19号,100049

PLoS ONE, 2014. 9(10): e108555. doi:10.1371/journal.pone.0108555

(SCI citation 46)

摘要长期过量施用化肥,导致土壤微生物、群落结构和养分含量等退化,进而影响作物健康和土壤可持续生产力。本研究在玉米生长过程中,施用堆肥和微生物菌粉或其组合,精确测定土壤质量参数变化,为退化农田土壤修复提供一种快速有效的解决方案。比较了6种不同处理[不施肥(CK)、氮肥(N)、氮肥+菌肥(NB)、堆肥(M)、堆肥+菌肥(MB)、菌肥(B)]对土壤微生物数量、生物量、基础呼吸、群落结构多样性和酶活性的动态影响,以中国东部某温带农田不同玉米生长阶段表层土(0-20cm)作为盆栽实验基质。变性凝胶电泳(DGGE)指纹图谱分析表明,6种施肥处理的细菌和真菌群落结构和组成存在不同程度的差异。细菌和真菌群落Shannon指数在MB处理中最高,在N处理中最低。不同有机肥处理后,土壤微生物群落结构和多样性的变化导致土壤微生物特性差异。堆肥显著增加了土壤可培养微生物数量和生物量,提高了土壤呼吸和酶活性(p0.01),而施化肥则相反(p0.01)。B和NB对可培养微生物数量和微生物生物量的影响较小,对群落结构和土壤酶没有明显影响。研究结果表明,施用有机肥和菌料能迅速改善退化农田土壤微生物群落结构,增加微生物多样性。

Effects of Manure Compost Application on Soil Microbial Community Diversity and Soil Microenvironments in a Temperate Cropland in China

Zhen Zhen,Haitao Liu,Na Wang,Liyue Guo,Jie Meng,Na Ding,Guanglei Wu,Gaoming Jiang*

* Correspondence author

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Nanxincun 20, Xiangshan, 100093, Beijing, China

University of the Chinese Academy of Sciences, No. 19, Yuquan Avenue, Beijing, 100049, PR China

PLoS ONE, 2014. 9(10): e108555. doi:10.1371/journal.pone.0108555

(SCI citation 65, view 18175)

AbstractThe long-term application of excessive chemical fertilizers has resulted in the degeneration of soil quality parameters such as soil microbial biomass, communities, and nutrient content, which in turn affects crop health, productivity, and soil sustainable productivity. The objective of this study was to develop a rapid and efficient solution for rehabilitating degraded cropland soils by precisely quantifying soil quality parameters through the application of manure compost and bacteria fertilizers or its combination during maize growth. We investigated dynamic impacts on soil microbial count, biomass, basal respiration, community structure diversity, and enzyme activity using six different treatments [no fertilizer (CK), N fertilizer (N), N fertilizer + bacterial fertilizer (NB), manure compost (M), manure compost + bacterial fertilizer (MB), and bacterial fertilizer (B)] in the plowed layer (0–20 cm) of potted soil during various maize growth stages in a temperate cropland of eastern China. Denaturing gradient electrophoresis (DGGE) fingerprinting analysis showed that the structure and composition of bacterial and fungi communities in the six fertilizer treatments varied at different levels. The Shannon index of bacterial and fungi communities displayed the highest value in the MB treatments and the lowest in the N treatment at the maize mature stage. Changes in soil microorganism community structure and diversity after different fertilizer treatments resulted in different microbial properties. Adding manure compost significantly increased the amount of cultivable microorganisms and microbial biomass, thus enhancing soil respiration and enzyme activities (p0.01), whereas N treatment showed the opposite results (p0.01). However, B and NB treatments minimally increased the amount of cultivable microorganisms and microbial biomass, with no obvious influence on community structure and soil enzymes. Our findings indicate that the application of manure compost plus bacterial fertilizers can immediately improve the microbial community structure and diversity of degraded cropland soils.

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现代小麦高臭氧敏感性与野生及栽培亲本的遗传相关性研究

2021年2月19日 没有评论

现代小麦高臭氧敏感性与野生及栽培亲本的遗传相关性研究

比斯沃斯,许宏,李永庚,刘美珍.,陈艳红,孙家柱,蒋高明*

*通讯作者

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京香山南辛村20号,100093。

实验植物学报,2008,59:951-963.(IF=5.345, SCI 引用79)

现代小麦(Triticum aestivum L.)是对臭氧(O3)最敏感的作物之一,但人们对其O3敏感性的遗传背景知之甚少。探讨不同品种小麦对O3浓度升高的响应,是选育O3抗性品种的基础工作。将冬小麦野生种和栽培种(包括A、B和D基因组的供体)暴露于100ppb O3或活性炭过滤空气中21d,通过可见O3伤害症状、气体交换、叶绿素荧光、相对生长速率和生物量积累来评估不同年度小麦对O3升高的响应。臭氧显著降低了净光合速率(-37%)和瞬时蒸腾速率(-42%),但增加了气孔导度(+11%)和胞间CO2浓度(+11%)。高O3降低了基础荧光(-8%)、最大荧光(-26%)、可变荧光(-31%)和最大光化学效率(-7%)。臭氧降低了相对生长速率和异速生长系数,最终降低了总生物量累积(-54%),但根(-77%)比茎(-44%)降低程度更大。冬小麦在高O3对光合作用和生长的影响上表现出明显的种间变异。原始栽培小麦对O3的相对耐受性最高,现代小麦次之,野生小麦最低。在现代小麦基因组供体中,节节麦(DD)对O3最敏感,其次是单粒小麦(AA)和硬粒小麦(Triticum turgidumssp)。硬粒小麦(AABB)似乎是最耐O3的。结果表明,现代小麦对O3的敏感性较高是由于节节麦(DD)对O3的敏感性增加所致,而不是来自硬粒小麦(Triticum turgidumssp)形成过程中的硬粒基因(AABB)。

Assessing the genetic relatedness of higher ozone sensitivity of modern wheat to its wild and cultivated progenitors/relatives

Biswas D.K., Xu H, Li Y.G., Liu M.Z., Chen Y.H., Sun J.Z. Jiang G.M*

*correspondence author

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, The ChineseAcademy of Sciences, 20 Nanxincun, 100093 Beijing, PR China

Journal of Experimental Botany, 2008, 59: 951-963.(IF=5.345, SCI citation 79)

AbstractModern wheat (Triticum aestivumL.) is one of the most ozone (O3)-sensitive crops. However, little is known about its genetic background of O3sensitivity, which is fundamental for breeding O3-resistant cultivars. Wild and cultivated species of winter wheat including donors of the A, B and D genomes of T. aestivumwere exposed to 100 ppb O3or charcoal-filtered air in open top chambers for 21 d. Responses to O3were assessed by visible O3injury, gas exchange, chlorophyll fluorescence, relative growth rate, and biomass accumulation. Ozone significantly decreased light-saturated net photosynthetic rate (-37%) and instantaneous transpiration efficiency (-42%), but increased stomatal conductance (+11%) and intercellular CO2concentration (+11%). Elevated O3depressed ground fluorescence (-8%), maximum fluorescence (-26%), variable fluorescence (-31%), and maximum photochemical efficiency (-7%). Ozone also decreased relative growth rate and the allometric coefficient, which finally reduced total biomass accumulation (-54%), but to a greater extent in roots (-77%) than in the shoot (-44%). Winter wheat exhibited significant interspecies variation in the impacts of elevated O3on photosynthesis and growth. Primitive cultivated wheat demonstrated the highest relative O3tolerance followed by modern wheat and wild wheat showed the lowest. Among the genome donors of modern wheat, Aegilops tauschii(DD) behaved as the most O3-sensitive followed by T. monococcum(AA) and Triticum turgidumssp. durum(AABB) appeared to be the most O3-tolerant. It was concluded that the higher O3sensitivity of modern wheat was attributed to the increased O3sensitivity of Aegilops tauschii (DD), but not to Triticum turgidumssp.durum(AABB) during speciation.

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谈谈生命元素

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谈谈生命元素

蒋高明

(一)生命元素的组成

构成生命的基本物质是元素,这些元素以大分子的形态存在于生命体之中。构成生命基本物质的元素为生命元素。元素周期表中有103种元素,但这些元素并不都是生命所必需的。研究发现,生命必需元素共28种,包括氢、 硼、碳、氮、氧、氟、钠、镁、硅、磷、 硫、氯、钾、钙、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、溴、钼、锡和碘。其实,硼仅是某些绿色植物和藻类生长的必需元素,而哺乳动物并不需要硼。因此,人体必需元素实际上为27种。

在28种生命必需的元素中,按体内含量高低可分为大量元素(常量元素)和微量元素。大量元素指含量占生物体总质量0.01%以上的元素。如氧、碳、氢、氮、磷、硫、氯、钾、钠、钙和镁。这11种元素在人体中含量变化在0.03%~62.5%之间,合计占人体总质量的99.95%。

微量元素指占生物体总质量0.01%以下的元素,如铁、硅、锌、铜、溴、锡、锰等。这些微量元素合计仅占人体总质量的0.05%左右。微量元素含量虽小,但在生命活动过程中的作用是十分重要的。在微量元素中,已被确认与人体健康和生命有关的有18种,即铁、铜、锌、钴、锰、铬、硒、碘、镍、氟、钼、钒、锡、硅、锶、硼、铷、砷。

生命元素中,大量元素主要分布在元素周期表中的第一、第二和第三周期,分别为第一周期的氢;第二周期的碳,氮,氧;第三周期的钠,镁,磷,硫,第四周期的钾,钙,其质量总和占生命体的99.95%以上。除第二周期的硼,第三周期的硅,微量元素主要分布在元素周期表中的第四周期,如钒,铬,锰,铁,钴,镍,铜,锌,砷,硒等。第五周期以后,基本没有元素参与生命体组成,如出现了就是污染造成的。

应当指出的是,不同生物体元素含量是不同的,如禾本科植物含硅多,海岛的鸟类排泄物中含磷多,海带中含碘多,但大量元素与微量元素的总体含量趋势是一致的。碳、氢、氧、氮、硫、磷是生命元素中比较重要的元素。构成生命元素中比较坚硬的金属元素为钙,在元素周期表中排第20位,之后出现的金属尤其重金属元素,在生物体中都是极其微量的,多则对生命构成威胁。

(二) 大量元素的功能

碳、氢、氧、氮、硫、磷 组成生物体蛋白质、脂肪、碳水化合物和核糖核酸,提供基础结构单元,也是组成地球生命的物质基础。

钠、钾和氯 主要功能是调节体液渗透压,电解质平衡和酸碱平衡。通过钠-钾泵,将钾离子、葡萄糖和氨基酸输入细胞内部,维持核糖体的最大活性,以便有效地合成蛋白质。钾离子也是稳定细胞内酶结构的重要辅因子。同时,钠离子、钾离子还参与神经信息的传递。

钙和氟 是骨骼、牙齿和细胞壁形成时的必要结构成分(如磷灰石、碳酸钙等),钙离子还在传递激素信号,触发肌肉收缩和神经信号,诱发血液凝结和稳定蛋白质结构中起着重要的作用。

参与体内糖代谢及呼吸酶的活性,是糖代谢和呼吸不可缺少的辅因子。既与乙酰辅酶A形成有关,还与脂肪酸的代谢有关。镁参与蛋白质合成时起催化作用;与钾离子、钙离子、钠离子协同作用共同维持肌肉神经系统的兴奋性,维持心肌正常结构和功能。在植物中,镁参与的重要生化合成过程是光合作用,在此过程中含镁的叶绿素捕获光子,并利用该能量固定二氧化碳而放出氧。

(三) 微量元素的作用

主要功能是作为机体内运载氧分子的呼吸色素。哺乳动物血液中血红蛋白和肌肉组织中的肌红蛋白的活性部位,都由铁(II)和卟啉组成。含铁蛋白(如细胞色素、铁硫蛋白)是生物氧化还原反应中的主要电子载体,它是所有生物体内能量转换反应中不可缺少的物质。

主要功能与铁相似,起着载氧色素(如血蓝蛋白)和电子载体(如铜蓝蛋白)的作用。除此之外,铜对调节体内铁的吸收、血红蛋白的合成以及形成皮肤黑色素、影响结缔组织、弹性组织的结构和解毒作用都有关系。

是许多酶的辅基或酶的激活剂。锌在维持维生素A的正常代谢功能及对黑暗环境的适应能力,维持正常的味觉功能和食欲,对生长发育尤其是对促进儿童的生长和智力发育具有重要的作用。

是水解酶和呼吸酶的辅因子。没有含锰酶就不可能进行专一的代谢过程,如尿素的合成。锰也参与组建植物光合作用中光解水反应中心。此外,锰还与骨骼的形成和维生素C合成有关。

是固氮酶和某些氧化还原酶的活性组分,参与氮分子的活化和黄嘌呤、硝酸盐以及亚硫酸盐代谢。阻止致癌物亚硝胺的形成,抑制食管和肾对亚硝胺的吸收,从而防止食道癌和胃癌发生。

是体内重要维生素B-12的组分。维生素B-12参与体内很多重要的生化反应,主要包括脱氧核糖核酸(DNA)和血红蛋白合成、氨基酸代谢和甲基转移等。

是胰岛激素的辅因子,也是胃蛋白酶的重要组分,还经常与核糖核酸(RNA)共存。其主要功能是调节血糖代谢,帮助维持体内所允许的正常葡萄糖含量,并和核酸脂类、胆固醇合成以及氨基酸利用有关。

钒、锡、镍 是人体有益元素。钒能降低血液中胆固醇含量;还具有胰岛素的作用,对糖尿病人有一定的好处。锡可能与蛋白质的生物合成有关。镍能促进体内铁的吸收、红细胞的增长和氨基酸合成等。

是骨骼、软骨形成的初期阶段所必需的组分。同时,能使上皮组织和结缔组织保持必需的强度和韧性,保持皮肤机械稳定性以及血管壁通透性,还能排除机体内铝的毒害作用。

是谷胱甘肽过氧化物酶的必要构成部分,具有保护血红蛋白免受过氧化氢和过氧化物损害的功能,同时具有抗衰老和抗癌的生理作用。

11)碘和溴 参与甲状腺素的合成。溴以有机溴化物的形式存在于人和高等动物的组织和血液中,其生物功能有待进一步确证。

12)砷 是合成血红蛋白的必需成分。

13)硼 对植物生长是必需的,尚未确证为人体必需的营养成分。

(四)污染元素

污染元素是指存在于生物体内,阻碍生物机体正常代谢过程,影响生理功能的微量元素。根据资料报道,人体内发现的元素有70多种,占元素周期表所有元素的67%,超出生命必需元素(28种,占27%)的40%,增加的元素是由于环境污染造成的。随着自然资源开发和现代大工业发展, 尤其工业化农业发展与工业化食物开发,环境与食物污染问题十分突出。某些元素(如汞、铅、镉等)通过大气、水源和食物等途径侵入人体,在体内积累而成为人体中的污染元素。

即使是生命必需的元素,它们在体内的含量都有一个最佳的含量范围,超过或低于这个范围,对健康产生不利影响。硒是重要的生命必需元素,成人每天摄取量以100μg左右为宜,若长期低于50μg可能引起癌症、心肌损害等;但过量摄入,又可能造成腹泻,神经官能症及缺铁性贫血等中毒反应,甚至死亡。同时,生命必需元素的存在形式对人体健康也直接有关。铁在生物体内不能以游离态存在,只有存在于特定的生物大分子(如蛋白质)包围的封闭状态之中,才能担负正常的生理功能,铁一旦成为自由铁离子就会催化过氧化反应产生过氧化氢和一些自由基,干扰细胞代谢和分裂,导致病变。

(五)如何理解生命元素

从生命的角度如何理解生命元素呢?第一,生命元素是自然存在的,以可以被生命利用的形态进入生命体,并构成生命体的一部分;第二,这些元素可以循环利用,生命死亡了但元素不会死亡;第三,曾经构成过生命,又组成新的生命元素,或通过矿化作用直接进入新生命,或者沉睡到岩石、或游离在大气,漂流在水体中,被生命重新利用;第四,生命体仅利用了元素周期表中27%的元素组成生命体,多余的是环境污染造成的,过量增加的元素尤其重金属元素会造成癌症等恶性疾病发生。

生命元素来自大自然,大都是通过生物合成作用,即以有机体的形态出现的。最初对有机物的定义,就是生命有机体合成的物质,后来人类能够合成尿素等有机物之后,有机物才扩大了范围。“有机物”原意是来自生物体的物质,因为早期发现的有机物都是从生物体内分离出来的。健康的有机物,或多样性的自然食物,含有构成生命的主要元素,不需要人工合成也能够满足正常需求,且是安全的。个别缺素现象,如缺碘、缺硒等,可以通过食物获取,而非药物。

对于农业来言,那些天然有机物中存在的元素是最好的生命元素。人工合成的化合物,尽管取材来自自然界,但经历的不是生命过程,没有参与过生命合成,而是高温高压有催化剂参与的非生命过程,要么不能降解,有么对环境有害,对生物有害,这些物质如农药、地膜、激素、防腐剂、添加剂等等。围绕人类食物链,人类发明了5万多种化学物质,这些物质中的元素大多没有经历过生命过程。如重金属也是以微量元素名义,添加到动物饲料中去的,动物排泄物中增加的重金属会污染土地,进而污染食物,造成了人体中出现了非预期的元素。

要获得健康的食物和健康的身体,人类最好大量使用自然的生命元素,尽可能少地使用非生命元素。

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生命时报:森林少了,病就来了

2021年2月19日 没有评论

生命时报:森林少了,病就来了

受访专家: 中国科学院植物研究所研究员 蒋高明
本报记者:张筱悦
近日,美国《国家地理》杂志刊文称,随着森林数量减少,可能会引爆大规模流行病疫情。原因在于开垦后的森林区域可能会成为一些病媒生物繁殖的温床。此外,人类不断入侵森林,也大大增加了与病媒生物的接触机会。
实际上,类似的情况在历史上已有发生。早在1997年,印度尼西亚的热带雨林发生大火,生活在其中的果蝠四处逃窜,最后飞到了马来西亚的果园,果蝠身上所携带的致命病菌也被带出了森林,并在当地大规模爆发,这是人类首次感染尼帕病毒。在过去的20年里,越来越多科学证据表明,森林减少为疾病的传播创造了条件。令人焦虑的是,森林数量却由于砍伐、开垦、火灾等各种因素,正在以极大的速度减少,森林减少会对人类健康产生潜在影响。
中国科学院植物研究所研究员、中国科学院大学岗位教授蒋高明解释说,因为森林中生活着诸多物种,森林为这些物种提供了必要的生存条件。与此同时,物种之间也是相生相克,以达到整个森林系统的稳定与平衡。当森林受到破坏后,有些动物就会逃窜出来,带出细菌,引发疾病。此外,森林中的植物,如杉树、松树、桉树、苦楝、圆柏、橡树等能分泌出带有芳香味的气体“杀菌素”,可杀死空气中的白喉、伤寒、结核、痢疾、霍乱等病菌,进而阻止疾病的传播。据调查,在干燥无林处,每立方米空气中含有400万个病菌,在林荫道处含有60万个,而在森林中则只有几十个。但是由于这些树木大多具有一定的经济价值,尤其像红豆杉、楠木、红松、橡树等,都遭遇过人类的大肆砍伐,不仅物种本身受到威胁,人类的生存环境也遭到破坏。
除了阻挡疾病的传播,森林还具有涵养水源、水土保持、抵御灾害、吸尘杀菌、净化空气、改善气候、保护物种、保存基因、固碳释氧等多种生态功能,是维护地球生态安全的重要保障。绿色植物通过光合作用可以释放氧气,吸收二氧化碳以及有害气体。而树叶上面的绒毛、分泌的粘液和油脂等,对尘粒有很强的吸附和过滤作用,每公顷森林每年能吸附50~80吨粉尘。日本科学家研究发现,森林中释放的负离子有益于人体健康,可以促进新陈代谢,使呼吸平稳、血压下降以及提高人体免疫力。因此,一旦森林减少,空气质量也会急剧下降,影响人体健康。
森林减少的问题如今在全世界范围内引起关注,国外科学家也为此感到担忧。但在我国森林覆盖率却较以往有所升高,蒋高明认为这主要得益于国家植树造林和退耕还林的政策,以及近年来越多越来农民开始进城务工,对耕地的需求降低。但不能忽视的是,虽然我国森林数量较高,质量却有待提高。出于经济效益的考量,我国不少人造林物种相对单一,食物链较短,难以形成健全的食物网,以至于森林系统的稳定性差,一旦有外来物种入侵,就很容易遭到破坏,且难以自行恢复。为此专家建议:
1.增加森林物种多样性。在保护森林、增加林土面积的同时,要注意保护、增加本地物种的多样性,比如植树造林时所选树木的种类尽可能丰富一些,避免物种单一。对于森林中的植被、动物也要保护,禁止捕猎以及过度采摘。
2.保护珍稀物种,严禁砍伐。我国现有的木本植物中,有一些由于生存条件要求苛刻,或是因为具有较好的经济效益而被砍伐、破坏,以至于现存数量较少,并且难以恢复,比如红豆杉、紫衫、楠木、黄花梨、桫椤等,针对此类珍惜物种一定要加强保护。
3.不食来源不明的野味儿。生活中,人们不要随意食用森林中的植物或野味。通常森林中的动植物在生活中较为少见,人们对其知之甚少,一旦食用很可能会感染病菌或中毒。

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草原养鸡可提高环境可持续性和经济效益

2021年2月19日 没有评论

养鸡提高环境可持续性和经济效益

刘美珍*, 王冰雪, Colin P. Osborne, 蒋高明*

*通讯作者

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室

英国谢菲尔德大学动物与植物科学系

PLoS One.2013;8(1):e53977. doi: 10.1371/journal.pone.0053977. Epub 2013 Jan 23.

背景:过度放牧引起草原退化, 对中国大部分半干旱地区尤其是华北地区的畜牧业和环境可持续性都构成了威胁。尽管中国政府为恢复退化草原作出了巨大努力,但由于对当地社区的经济利益考虑不足,大量投资取得的效果却不尽人意。

方法/主要发现通过控制性田间试验验证了我们的假设:利用天然草地作为鸡的栖息地和饲料资源,发展草原养鸡替代传统的畜牧业,将提高环境可持续性和牧民收入。研究发现,草原地上植物生物量从放牧绵羊的25 g m-2提高到养鸡的84 g m-2。与围栏草地相比,养鸡并不显著降低地上植物生物量,但增加了60%的根系生物量(p0.01)。与传统绵羊放牧相比,草原养鸡显著提高了土壤表层含水量(0-10cm),由5%提高到15%。养鸡对土壤容重无明显影响,而传统绵羊放牧使0-10cm土层土壤容重比对照增加35%(p0.05)。更重要的是,当地牧民的经济收入比传统的养羊方式提高了6倍左右。从生态学意义上讲,这样一个创新的解决方案使得大片退化的草原得以自然恢复。草原还提供了一种高质量的有机家禽产品,可在大城市销售。

结论/意义:草原养鸡是提高环境可持续性和经济收入的一种创新的替代方案,而不是对传统游牧牧区制度的挑战。该研究在技术上可能适用于世界上其他大型退化草地。

Chicken farming in grassland increases environmental sustainability and economic efficiency

Meizhen Liu*, Bingxue Wang, Colin P. Osborne, Gaoming Jiang*

* Correspondence author

The State Key Laboratory of Vegetation and Environment Change, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

PloS One, 2013, 8(1): e53977.

BACKGROUND:Grassland degradation caused by overgrazing poses a threat to both animal husbandry and environmental sustainability in most semi-arid areas especially north China. Although the Chinese Government has made huge efforts to restore degraded grasslands, a considerable attempt has unfortunately failed due to an inadequate consideration of economic benefits to local communities.

METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS:A controlled field experiment was conducted to test our hypothesis that utilizing natural grasslands as both habitat and feed resources for chickens and replacing the traditional husbandry system with chicken farming would increase environmental sustainability and raise income. Aboveground plant biomass elevated from 25 g m(-2) for grazing sheep to 84 g m(-2) for chicken farming. In contrast to the fenced (unstocked) grassland, chicken farming did not significantly decrease aboveground plant biomass, but did increase the root biomass by 60% (p0.01). Compared with traditional sheep grazing, chicken farming significantly improved soil surface water content (0-10 cm), from 5% to 15%. Chicken farming did not affect the soil bulk density, while the traditional sheep grazing increased the soil bulk density in the 0-10 cm soil layer by 35% of the control (p0.05). Most importantly, the economic income of local herdsmen has been raised about six times compared with the traditional practice of raising sheep. Ecologically, such an innovative solution allowed large degraded grasslands to naturally regenerate. Grasslands also provided a high quality organic poultry product which could be marketed in big cities.

CONCLUSION/SIGNIFICANCE:Chicken farming is an innovative alternative strategy for increasing environmental sustainability and economic income, rather than a challenge to the traditional nomadic pastoral system. Our approach might be technically applicable to other large degraded grasslands of the world, especially in China.

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学术前沿:论生态农业的边界、科学原理与应用技术(连载之三)

2021年2月19日 没有评论

学术前沿:论生态农业的边界、科学原理与应用技术(连载之三)

蒋高明

第六,全面提高水分与养分利用效益,节约资源,不产生浪费。由于生态农业尊重植物生长规律,因地制宜,根据农业的气候特点安排种植和养殖。与自然规律相一致,遵守24节气的农时,其水分、养分利用效率高,加上饲养动物排泄的粪尿,乡村餐余和作物秸秆都能够利用,增加了资源利用效率。所有这一切要实现,必须有人气,人在其中起到非常大的作用[9]。

第七,生态农业是耕地固碳型的,由碳排放逆转为碳吸收。目前的农业模式是排放温室气体的,高达44%-57%的温室气体来自现代农业及其相关的工业活动。用有机肥替代化肥可显著减少温带农田温室气体排放量[9]。我们的长期研究发现,现代农业模式下,普通农田净释放温室气体,为2.7 CO2当量ha-1yr-1,而生态农业净吸收温室气体,达8.8 CO2当量ha-1yr-1,两者相加为11.5t CO2当量ha-1yr-1[11]。这就是说,减少化肥使用,增加耕地有机质,可将温室气体埋藏到地下,这个功能是生态农业的副产物。

第八,发展生态农业可全面带动农民就业。由于优质优价,加上生态环境优美,对城市人群有很强的吸引力。农业要素容易变成商业要素,从养殖到种植,从收获到加工,从加工到销售,从餐饮到观光旅游,从保健到养生到养老,乡村可以就地城镇化,吸引农二代、大学生二代,乃至城市精英就业。这样的话,遍布全国的400万个乡村如发展生态农业,非常有可能形成新的经济增长点。

5 生态农业的科学原理

5.1 水热耦合原理

农田生态系统由气候、土壤、生物等因子所形成。其中, 气候中的大气温度和降水占主导地位,对其它因子产生重大影响。农田是由改造自然生态系统而来的,不同植被地理背景下农田生产力或产量受水热组合影响最大。自然界中,最高生产力是热带雨林,约45t ha-1 a-1,是在不施肥不打药基础上实现的。热带雨林的水热条件最好,元素循环快。在农田中,光照、CO2都不是限制因子,而水热条件,尤其水热组合,最能反应农田生态状况。我国即使有些农田面临季节性干旱胁迫问题,依然比地中海荒漠区域农田具有十分有利条件。中国草原是雨热同期,而地中海附近、非洲的部分草原,雨热出现的最佳时期是冬夏季分离的[12]。

水利是农业的命脉,在不同气候带上水热组合决定了生态系统生产力。生态农田尽量利用天然降水,适度利用客水或地下水,做到“旱能浇、涝能排”。热即热量,地球上的一切热量来自太阳,热对植物生长发育乃至群落分布有重要的作用。在阳光不缺少的地方,热量尤其与水的耦合对农业增产的作用大于化学肥料。生态农田利用自然界的热量,不搞反季节种植,充分利用我国水热同期优势,因地制宜发展适合的作物。高温的夏季杂草生长也很繁茂,如将杂草作为资源利用起来改良土壤,也是在生态农田利用热量资源的有效途径之一。

5.2 土壤碳氮库增长原理

碳表现在土壤中即有机质。目前我国耕地有机质普遍偏低,平均1%左右。通过有机肥养地,可大幅度提高土壤含碳量。这里的有机肥,指自然界中的所有光合产物及其衍生物,不仅仅是传统理解的人粪尿和动物排泄物。生态农业中的有机肥,以植物源肥料如绿肥、秸秆肥、杂草肥为主,最大限度地利用人与动物肥[4]。我们的研究发现,在暖温带湿润地区,当生态农田有机质提高到5%时,在这样的土壤肥力下,即使空白对照(不施肥)的作物产量,也能超过了吨粮(小麦玉米周年产量)[12]。

氮是植物光合生长必须的元素。自然界可以利用的氮都来自空气,空气中氮气含量78%。生物固氮、雷电固氮、干湿沉降都可以提供氮源。在种植过程中,用以上培育碳库的办法,培育土壤氮库,通过微生物活动固定空气中的氮,并活化土壤中的氮。碳与氮之间的比例约为10:1至12:1之间,当土壤含碳量增加到5%时,即使按照碳氮比10:1,也意味着每亩20厘米耕作层中有1.75吨纯氮,这些氮不会像化肥那样流失。因此,人类离开化肥厂,也能够满足作物需要的氮。由于土壤磷和钾基本不缺少,解决了氮的问题,鳞、钾和其他大量元素与微量元素的问题迎刃而解。基本思路是:每年将籽粒带走的氮双倍还回土壤,使土壤可利用氮不断增加。因此,合理的碳氮比,对生态农田异常重要[12]。

增加土壤碳氮库的办法有很多,除每年添加有机肥外,秸秆还田、种植或施加绿肥、利用杂草肥都是很好的办法。生态农田必须每年添加碳和氮,不能依靠化肥替代。我国农区使用了4000-5000年的农田没有退化,就是有机肥养地的结果。过去动力不足,有机肥来源少,农田产量低。如今,这些问题都已基本解决,通过培育土壤碳氮库增产技术已非常成熟[12]。

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