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第一篇 节水农业和生物节水的理论与实践3

1．水危机与蓝色革命3

1.1 20世纪工业革命和绿色革命带来的机遇与挑战3

1.2 为水而战——蓝色革命的呼唤4

1.2.1 世界水资源4

1.2.2 中国水资源6

1.2.3 华北水资源8

1.2.4 西北水资源9

1.3 蓝色革命的崛起11

1.3.1 开发空间云水资源11

1.3.2 降水资源的涵养和调控12

1.3.3 水资源的区域宏观调配13

1.3.4 节水农业13

1.3.7 生物节水14

1.3.6 非淡水资源的开发利用14

1.3.5 城市生活和工业生产节水14

1.4 蓝色革命是绿色革命的继续15

参考文献16

2． 节水农业的发展17

2.1 节水农业概念的发展17

2.2 旱作农业节水技术的发展18

2.2.1 增加土壤储蓄水分技术发展18

2.2.2 减少土壤水分蒸发技术发展19

2.2.3 提高作物水分利用效率技术发展20

2.2.4 雨水有限灌溉技术发展22

2.3 灌溉农业节水技术的发展22

2.4 干湿交替节水灌溉增产理论的科学应用24

2.5 华北节水农业发展25

2.5.1 华北平原地下水位下降原因分析25

2.5.2 华北水资源平衡的对策26

2.5.3 华北平原节水农业发展对策28

参考文献33

3． 生物节水34

3.1 生物节水的研究趋势34

3.2 植物节水35

3.2.1 不同植物的WUE差异35

3.2.2 小麦WUE研究进展37

3.2.3 不同光合作用途径植物抗旱节水差异及应用前景40

3.2.4 C4植物的高光效和高WUE基因导入C3植物的展望43

3.3 动物节水44

3.4 微生物节水45

参考文献45

4． 作物水分利用效率和蒸发蒸腾估算模型48

4.1 作物水分利用效率的概念与估算模型48

4.1.1 潜在水分利用效率48

4.1.4 叶片水分利用效率49

4.1.3 蒸腾效率49

4.1.2 现实水分利用效率49

4.1.5 冠层水分利用效率50

4.1.6 价值水分利用效率50

4.2 蒸发蒸腾估算模型51

4.2.1 农田水分平衡模型51

4.2.2 Penman-Montheith模型51

4.2.3 蒸腾模型51

4.2.4 蒸散模型52

4.2.5 蒸腾蒸发分摊模型52

4.3 问题与讨论53

参考文献54

5． 碳同位素在作物水分利用效率研究中的应用及问题55

5.1 基本原理55

5.2 在小麦WUE研究中的应用进展56

5.3 存在问题与应用前景60

参考文献61

第二篇 作物抗旱节水的生理遗传育种基础67

6． 作物抗旱节水的形态发育适应与自我调控67

6.1 作物对干旱环境的适应67

6.2 作物的抗旱机制67

6.2.1 减少蒸腾67

6.2.2 根系加强吸水能力69

6.2.3 储藏水分70

6.3 作物的耐旱机制70

6.4 作物的避旱机制71

6.5 抗旱方式与作物育种72

6.6 根系与抗旱适应72

6.6.1 根系与土壤水分72

6.6.2 根系的发育73

6.6.3 根系水分倒流与蒸腾调节在栽培管理中的应用73

6.6.4 不同抗旱基因型的小麦根系74

6.6.5 不同作物的根系76

6.6.6 根冠比和根系冗余76

6.7 叶片与抗旱适应79

6.8 群体抗旱适应的自我调控机制80

参考文献81

7． 作物抗旱节水的生理调控机制83

7.1 水的生理功能83

7.2 水的运输83

7.3 水通道蛋白84

7.3.1 水通道蛋白的发现84

7.3.2 植物膜水通道蛋白85

7.3.3 植物水通道蛋白的结构87

7.3.4 植物水通道蛋白的功能88

7.3.5 植物水通道蛋白功能表达与调控91

7.3.6 植物水通道蛋白功能检测94

7.3.7 植物水通道蛋白研究中存在的问题及思考96

7.4 根系吸水的机理及抗旱节水生理调节98

7.4.1 驱动根系水流的动力99

7.4.2 水在管状组织空腔中的流动100

7.4.3 水通道蛋白与根系吸水100

7.4.4 根部非共质体运输途径101

7.4.5 植物根部的水分倒流现象101

7.4.6 吐水现象及在灌溉中的应用104

7.4.7 植株伤流量与根系活力和土壤水分状况106

7.4.8 根呼吸与抗旱性106

7.4.9 根系的渗透调节106

7.4.10 根系的抗过氧化107

7.4.11 根冠平衡石淀粉107

7.4.12 根系蛋白和氨基酸107

7.5 蒸腾及其调控107

7.6.1 角质层类物质的作用110

7.6 角质层类物质的作用及其遗传研究110

7.6.2 蜡质的成分和形态111

7.6.3 脂类物质的转运蛋白112

7.6.4 与蜡质有关的基因113

7.6.5 植物蜡质基因的克隆和分离115

7.6.6 蜡质与环境调控116

7.6.7 木栓化116

7.6.8 有关植物蜡质的研究方法117

7.7 渗透调节117

7.7.1 渗透调节现象及其功能117

7.7.2 渗透调节及表现差异119

7.7.3 渗透调节的遗传121

7.7.4 脯氨酸代谢与渗透调节122

7.7.5 甜菜碱代谢与渗透调节123

7.7.6 渗透调节应用价值的探讨124

7.8.1 抗氧化酶防御体系125

7.8 抗氧化与细胞膜稳定性125

7.8.2 渗透调节物质与过氧化反应127

参考文献128

8． 气孔调节与抗旱节水134

8.1 气孔分布和结构差异134

8.2 气孔开关调控135

8.3 气孔振荡137

8.4 光合作用午休138

8.5 光合作用的气孔限制和非气孔限制139

8.6 气孔的不均匀关闭140

8.7 CO2浓度升高与气孔变化140

8.8 气孔调节的遗传改良141

参考文献143

9． 激素和信号转导与抗旱抗逆146

9.1 植物水分胁迫信号识别和转导146

9.1.1 渗透胁迫感受机理和部位146

9.1.2 质外体与植物细胞第一信使148

9.1.3 细胞骨架－微管和微丝与信号转导150

9.1.4 质膜上的信号感受器152

9.1.5 液泡膜上信号感受器153

9.2 植物水分平衡中根冠间的信号与气孔调控153

9.2.1 根源逆境信号的性质155

9.2.2 Ach信号155

9.2.3 ABA信号156

9.2.4 细胞分裂素信号169

9.2.5 茉莉酸信号170

9.2.6 电化学波、伤素和水力信号170

9.2.7 无机离子信号171

9.3 植物细胞信号转导中的第二信使172

9.3.1 Ca2+信号172

9.3.2 1,4,5－三磷酸肌醇／二脂酰甘油双信使178

9.3.4 环化单磷酸腺苷179

9.3.3 环腺苷二磷酸核酸179

9.3.5 磷脂酶180

9.3.6 蛋白激酶183

9.3.7 pH（质子）信号186

9.3.8 H2O2信号188

9.4 逆境信号转导的复杂性189

9.5 植物激素及其应用189

9.5.1 ABA的合成和作用189

9.5.2 细胞分裂素191

9.5.3 水杨酸192

9.5.4 植物激素与不定根的形成193

9.5.5 植物激素与衰老193

参考文献194

10． 干旱等逆境诱导蛋白和糖及其功能207

10.1 干旱诱导蛋白208

10.2.1 胚晚期丰富蛋白的存在与定位210

10.2 胚晚期丰富蛋白210

10.2.2 LEA蛋白的结构和功能211

10.3 耐脱水性与糖213

10.4 渗透调节蛋白215

10.5 热激蛋白215

10.6 泛肽217

参考文献218

11． 干旱等逆境诱导基因的表达和调控及克隆221

11.1 干旱诱导的基因表达221

11.2 ABA诱导的基因表达223

11.3 ABA非依赖诱导的基因表达224

11.4 ABA转录水平上调控的基因表达224

11.5 ABA不能诱导的基因表达225

11.6 干旱和其他机制互作诱导的逆境基因表达226

11.7 干旱应答基因的功能227

11.8 麦类作物抗旱抗逆相关基因的分离和克隆228

11.9 植物抗逆性功能基因组研究展望229

参考文献231

12． 抗旱节水相关基因的定位和分子标记236

12.1 小麦236

12.2 大麦238

12.3 水稻239

12.4 玉米240

12.5 高粱241

12.6 大豆242

12.7 番茄242

12.8 植物基因组间胁迫相关基因的保守性242

参考文献245

13.1.1 甘露醇基因248

13． 转耐旱耐逆基因作物248

13.1 转耐旱耐盐基因烟草248

13.1.2 D-ononitol基因249

13.1.3 果聚糖基因249

13.1.4 海藻糖基因250

13.1.5 甜菜碱基因250

13.1.6 脯氨酸基因251

13.1.7 LEA基因252

13.1.8 过氧化氢酶基因252

13.2 转耐脱水耐盐基因拟南芥252

13.3 转耐旱耐盐耐寒基因苜蓿253

13.3.1 MnSOD基因253

13.3.2 Alfinl基因253

13.4.2 甘露醇基因254

13.4.3 脯氨酸基因254

13.4 转耐旱耐盐基因水稻254

13.4.1 HVA1基因254

13.4.4 精氨酸脱羧酶基因255

13.5 转耐旱耐盐基因小麦255

13.6 转高水分利用效率相关基因256

13.7 转基因和突变植物中载有非生物胁迫抗性的基因257

13.8 展望260

参考文献261

14． 作物整体抗逆性及共同机制265

14.1 植物的环境胁迫265

14.2 植物整体抗逆性研究的兴起265

14.3 植物整体抗逆性的概念和典型例证266

14.4 植物整体抗逆性的内涵267

14.5 植物抗逆性的分类及研究方向267

14.5.1 按灾害类型划分267

14.5.3 其他抗性分类270

14.5.2 依抗性多寡分类270

14.6 作物整体抗逆性的获得271

14.7 作物整体抗逆性调控机制研究271

14.8 作物整体抗逆性的研究方向272

14.9 作物抗逆性的共同机制272

14.9.1 逆境信号传递的共同途径272

14.9.2 抗逆基因的多功能性273

14.9.3 逆境产生共同的代谢物质273

参考文献274

15． 作物抗旱节水育种276

15.1 小麦抗旱节水遗传育种研究277

15.1.1 小麦抗旱节水遗传研究277

15.1.2 小麦抗旱节水育种选择指标278

15.2 抗旱节水育种方法288

15.3 其他作物抗旱节水育种289

参考文献290