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