Response of radial growth of three conifer trees to climate change at their upper distribution limits in Potatso National Park, Shangri-La, southwestern China
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摘要: 本文利用树木年轮学方法研究普达措国家公园海拔上限麦吊云杉、大果红杉和长苞冷杉的生长特征，构建差值年表并分析其与气候因子的关系，以揭示影响该区域3个主要树种径向生长的气候因子及对气候变化响应的种间差异。结果表明：1)生长后期的气候因子对该地区树木生长起着重要作用，但不同树种的响应方式存在差异；2)麦吊云杉生长主要受限于生长季的气候条件，与上年生长后期(上年9—10月)平均温度呈显著负相关，且当年生长盛期(6—8月)温度的升高有利于其径向生长；3)大果红杉生长主要受限于生长后期的水分条件，主要表现为与上年10月以及上年生长后期(9—10月)降水呈显著负相关；4)长苞冷杉生长主要受限于生长季的气候条件，主要表现为对当年生长季盛期(6—8月)以及当年生长季后期(9—10月)平均温度的显著正相关。本研究为香格里拉地区的气候重建提供基础数据。Abstract: In order to detect the response of tree growth to climate change in the northwestern Yunnan Plateau, we used residual chronologies of three major conifers, i.e. Picea brachytyla, Larix potaninii and Abies georgei at their upper distribution limits in Potatso National Park, to study the characteristics of the residual chronologies and the relationships between radial growth and climatic factors (temperature and precipitation). We aimed to find out the main climatic factors affecting tree growth in the area and to detect differences of growth responses to climates among the studied species. The results showed that: 1) The climatic factors (temperature and precipitation) of post growing season were the main factors affecting tree growth at the upper distribution limits in Potatso National Park, but varied with tree species. 2) The radial growth of P. brachytyla was mainly limited by temperature condition during the post growing season (September-October of previous year), and was negatively correlated with mean temperature of post growing season in previous year (September-October of previous year), meanwhile higher temperature during the growing season (June-August) of current year positively affected its radial growth. 3) Precipitation in October and the post growing season of previous year (September-October) was the main factor limiting the radial growth of L. potaninii, with a significant and negative correlation between the residual chronology and precipitation. 4) The radial growth of A. georgei was mainly limited by climatic factors of the growing season, presented by a significant and positive correlation between radial growth and mean temperature of growing season (June-August) and post growing season(September-October) in current year. This study can provide basic data for climate reconstruction in Shangri-La, northwestern Yunnan of southwestern China.
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Keywords:
- tree ring /
- climatic response /
- upper distribution limits /
- Potatso National Park
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热激蛋白（Hsp90）是一种在细菌、植物、动物中均广泛存在的高度保守的蛋白质分子[1-2]，在ATP作用下，辅助参与细胞周期控制、激素信号传导和细胞凋亡等过程，是生物中一类非常重要的分子伴侣蛋白[2-4]。Hsp90主要是以同型二聚体存在，具有3个结构域：高度保守的N端ATP结合结构域（NTD）、中间结构域（MD）和C端结构域（CTD）[5]。Hsp90促进200多种蛋白质的正确构象和活化[5-7]，是维持细胞稳态的重要蛋白[8]。Hsp90的缺失会影响应激反应、生长发育以及胚胎发生等过程[9]，对动物和植物的发育具有重要意义。对植物而言，胚胎不仅是植物体的基本形态，也是植物种子的重要组成部分[10]。同时，胚胎也为人类生存提供了不可替代的物质基础。目前在拟南芥（Arabidopsis thaliana）等模式植物的研究中发现，Hsp90蛋白参与植物的胚胎发育。Samakovli等[11]在对拟南芥的研究中发现：Hsp90蛋白与YDA信号通路成员之间的遗传互作会影响胚体和胚柄的发育，Hsp90s功能受损对其他基因的表达有影响，同时揭示了该基因在细胞命运决定和生长素分布中起重要作用。Luo等[12]通过对拟南芥Hsp90家族成员进行研究，首次确定了AtHsp90.6为胚胎发生所必需的蛋白质，分析了AtHsp90.6与ATP或ADP结合的构象变化，进一步了解了Hsp90的作用机制。Lee等[13]通过对红藻（Griffithsia japonica）雌雄配子体混合群体的cDNA文库进行差异筛选，发现Hsp90在雌配子体发育过程中表现活跃。由此可见，Hsp90在生殖发育过程中起着重要作用。
板栗（Castanea mollissima）原产中国，是著名的坚果树种。中国年产板栗坚果量占全球产量的80%以上，居世界首位，但单产较低[14]。雌雄花比例失调、授粉受精不良和胚败育造成的结实率低是中国板栗低产的主要原因[15]。受精且胚胎正常发育是保证板栗产量的关键环节，二者任一时期发生败育均会降低其结实率，从而严重影响产量[16]。因此，研究板栗胚珠败育的机理，对提高板栗产量具有重要意义。
综上所述，Hsp90基因家族在模式植物中已经被鉴定与胚发育有关，但是在板栗胚珠发育过程中的作用机理目前尚不清楚。本研究利用生物信息学方法对板栗Hsp90基因家族进行鉴定，对其基因结构以及在授粉受精过程中胚珠中的表达情况进行分析，为进一步研究板栗Hsp90基因的功能，以及与胚珠发育、败育的关系提供理论基础。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料取自河北省遵化市魏进河国家板栗良种繁育基地（117°45′11″E，40°21′22″N），试验母株为‘遵化短刺’（C. mollissima ‘Zunhuaduanci’），授粉品种为‘紫珀’（C. mollissima ‘Zibo’）和‘东陵明珠’（C. mollissima ‘Donglingmingzhu’），树龄10年。花期进行套袋不授粉和人工充分授粉处理，每种方式处理10株树，每株树选取50个总苞。套袋不授粉：6月3日用硫酸纸袋套住雌花簇以隔离花粉，当栗园雄花序散粉结束后取下纸袋；人工充分授粉：6月15日柱头分叉30° ~ 45°（最佳授粉期）进行人工辅助授粉，上午11点将刚采集的混合花粉用毛笔对套袋雌花簇点授，并于次日11点重复上述操作以确保授粉充分[17-18]。
1.2 研究方法
1.2.1 Hsp90基因家族成员的鉴定
通过在线网站GigaDB（http://gigadb.org/dataset/view/id/100643）搜索并下载板栗的基因组蛋白序列及注释文件，通过TAIR网站（https://www.arabidopsis.org/）搜索并下载拟南芥的全基因组蛋白序列及基因注释文件，利用NCBI（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/）搜索并下载水稻（Oryza sativa）和毛果杨（Populus trichocarpa）的全基因组蛋白序列及注释文件。Hsp90（PF00183）隐马尔科夫模型（HMM）从Pfam网站（http://pfam.xfam.org/search#tabview=tab1）下载，并将其作为搜索模型，以E-value < 10−5为搜索标准，利用HMMER（V3.2.1）软件构建本地蛋白数据库进行搜索。为了使得到的Hsp90家族基因更加准确，通过TBtools软件[17]中的双向blast比对功能，对Hsp90基因家族做进一步比对，得到所有家族基因成员，随后与基因组结果进行比对，得到Hsp90基因家族的所有成员。通过NCBI-CDD数据库（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi）和SMART网站（http://smart.embl-heidelberg.de/）对Hsp90蛋白结构域进行预测[19]，剔除不含有Hsp90家族蛋白结构域的序列。利用在线网站ExPASy（https://web.expasy.org/compute_pi/）对Hsp90基因家族的理化性质进行分析。使用在线服务器SignalP 5.0（http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）预测Hsp90基因家族蛋白是否存在信号肽以及所在的位点。
1.2.2 Hsp90基因家族蛋白序列及结构分析
利用在线网站MEME（http://meme-suite.org/tools/meme）预测Hsp90蛋白序列的保守基序，motif的最大值设为15，构建基因家族成员的蛋白保守基序。利用TBtools可视化工具结合基因组注释文件对基因的结构进行可视化[20]。利用WoLFPSORT网页在线工具（https://wolfpsort.hgc.jp/）预测板栗CmHsp90家族蛋白的亚细胞定位。
1.2.3 Hsp90基因家族启动子的顺式作用元件分析
利用TBtools工具提取Hsp90基因转录起始位点上游2 000 bp长度的序列作为其启动子区，并通过在线网站PlantCARE（http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）对Hsp90启动子区的顺式作用元件进行预测和分析，最后利用TBtools工具进行启动子位置可视化分析。
1.2.4 Hsp90基因家族多序列比对与系统发育进化树构建
利用DNAMAN软件将板栗、拟南芥、毛果杨、水稻4个物种的Hsp90蛋白序列进行比对，并采用邻接法（neighbor-joining）构建系统进化树。利用在线网站iTOL（https://itol.embl.de/）对进化树进行美化，分析板栗Hsp90家族基因与其他物种Hsp90的进化关系。
1.2.5 Hsp90基因在胚珠不同发育时期的表达分析
本课题组在前期研究中基本确定板栗在授粉后18 d时胚珠已完成受精[20]。以授粉后18 d为参考时间点，采集充分授粉后7 d（7SF）、15 d（15SF）、18 d（18SF）、21 d、27 d以及套袋未授粉（18WF，与18 d授粉胚珠同时采集）胚珠作为试验材料，7SF、15SF为授粉受精前胚珠，18SF、21 d、27 d为受精后胚珠，21、27 d胚珠又分为发育（21FY、27FY）与败育（21BY、27BY）胚珠。试验材料剥取后经液氮冷冻，放入−80 ℃超低温冰箱保存。
剥取的胚珠样品均装于1.5 mL冻存管中，每个样品进行3个重复，共24个样品。采集来的样品使用Omega公司（美国）Plant RNA试剂盒进行胚珠总RNA提取，并使用Thermo Scientific公司（美国）RapidOut DNA Removal试剂盒进行DNA消化，将提取的胚珠RNA样品进行纯度、浓度和完整度检测，操作步骤参考文献[21]。随后委托北京百迈客生物科技有限公司（北京，中国）进行不同时期胚珠样品的cDNA文库构建和Illumina HiSeqTM 2000高通量双端测序，用HISAT2[22]RNA测序实验reads的高效比对系统将板栗基因组（http://gigadb.org/dataset/100643）作为参考基因组进行序列比对，比对分析完成后利用StringTie[23]对比对上的reads进行组装和定量分析。利用百迈客云平台（http://www.Biocloud.net/）从RNA-seq数据中提取CmHsp90家族成员的表达量，并利用Sigmaplot 12.5软件绘制表达图，对不同样品中Hsp90的表达情况进行分析。
2. 结果与分析
2.1 CmHsp90家族基因的鉴定
利用HMMER软件和双向blast比对最终确定了10个板栗Hsp90家族基因，分别命名为：CmHsp90-1 ~ CmHsp90-10（表1）。10个CmHsp90基因家族成员的编码区序列（CDS）长度范围是2 112 ~ 2 481 bp，含有4 ~ 22个外显子，编码的氨基酸数目范围是703 ~ 826，相对分子量范围是80.67 ~ 94.21 kDa，等电点pI范围介于4.81 ~ 5.26。不稳定系数介于36.15 ~ 46.75之间，除CmHsp90-4、CmHsp90-6、CmHsp90-9外，其他基因编码的蛋白相对比较稳定。利用WoLF PSORT网站对CmHsp90家族蛋白进行亚细胞定位预测，结果显示：有5个成员（CmHsp90-1、CmHsp90-4、CmHsp90-5、CmHsp90-9、CmHsp90-10）定位到了细胞质上，2个成员（CmHsp90-7、CmHsp90-8）定位到了内质网上，其余3个成员分别定位到细胞核（CmHsp90-3）、线粒体（CmHsp90-2）和叶绿体上（CmHsp90-6）（表1）。利用SignalP 5.0对该基因家族的氨基酸序列进行信号肽预测，发现除CmHsp90-7和CmHsp90-8存在潜在的信号肽位点外，其余成员均不含有信号肽（图1）。
表 1 板栗CmHsp90基因家族信息Table 1. Information of CmHsp90 gene family in Castanea mollissima基因名称
Gene name基因ID
Gene ID亚细胞定位
Subcellular localization编码区长度
CDS length/bp外显子数目
Exon numbert编码蛋白质特性
Characteristic of the coding protein氨基酸长度
Amino acid length/aa不稳定性系数
Instability coefficient分子质量
Molecular mass/kDa等电点
Isoelectric pointCmHsp90-1 BUA.CMHBY201654 细胞质 Cytosol 2 118 4 705 39.04 81.22 5.03 CmHsp90-2 BUA.CMHBY202913 线粒体 Mitochondrion 2 415 22 804 36.97 91.02 5.26 CmHsp90-3 BUA.CMHBY204630 细胞核 Nucleus 2 127 3 708 38.93 81.11 4.94 CmHsp90-4 BUA.CMHBY213842 细胞质 Cytosol 2 112 4 703 40.96 80.74 4.97 CmHsp90-5 BUA.CMHBY214124 细胞质 Cytosol 2 118 3 705 39.89 80.67 4.97 CmHsp90-6 BUA.CMHBY216742 叶绿体 Chloroplast 2 406 19 801 46.75 91.45 4.99 CmHsp90-7 BUA.CMHBY217539 内质网
Endoplasmic reticulum2 481 14 826 36.38 94.21 4.87 CmHsp90-8 BUA.CMHBY217715 内质网
Endoplasmic reticulum2 358 15 785 36.15 89.42 4.81 CmHsp90-9 BUA.CMHBY217794 细胞质 Cytosol 2 115 4 704 40.28 80.97 4.95 CmHsp90-10 BUA.CMHBY229404 细胞质 Cytosol 2 112 4 703 37.98 80.72 5.05 ![]()
图 1 CmHsp90家族蛋白序列的信号肽位点预测SP（Sec/SPI）. 由Sec转座子转运并被信号肽酶I裂解的“标准”分泌信号肽；CS. 裂解位点；OTHER. 序列没有任何信号肽。SP(Sec/SPI), ‘standard’ secretory signal peptides transported by the Sec translocon and cleaved by signal peptidase I; CS, the cleavage site; OTHER, no signal peptide at all.Figure 1. Prediction of signal peptide sites in CmHsp90 family protein sequence2.2 CmHsp90基因家族蛋白的结构分析
利用DNAMAN软件对板栗CmHsp90基因家族成员的氨基酸序列进行同源多序列比对发现：CmHsp90基因家族蛋白的序列相似性为64.12%，均含有HATPase_c和Hsp90 superfamily保守结构域，说明CmHsp90家族蛋白在结构和组成上具有保守性（图2）。利用在线MEME软件对CmHsp90蛋白的motif进行分析，共鉴定到15个motif（图3）。CmHsp90-1、CmHsp90-3、CmHsp90-4、CmHsp90-5、CmHsp90-9、CmHsp90-10中包含所有15个motif，CmHsp90-2、CmHsp90-6、CmHsp90-7、CmHsp90-8均不含motif14，CmHsp90-6除不含有motif14外，还不含有motif11；CmHsp90-8不含有motif12、13、14。对CmHsp90蛋白结构进行预测，结果发现，10个CmHsp90家族蛋白成员均包含Hsp90蛋白保守的Hsp90 superfamily、HtpG superfamily、HATPase_c、PTZ00272 superfamily结构域（图4）。总之，10个CmHsp90蛋白的motif在顺序及组成上基本一致，均包含了Hsp90蛋白的保守结构域，表明了Hsp90家族蛋白在板栗中具有高度的保守性（图3、图4）。
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图 2 CmHsp90家族氨基酸多序列比对Figure 2. Amino acid multiple sequence alignment of CmHsp90 gene family![]()
图 3 CmHsp90家族蛋白基序预测分析Figure 3. Motif prediction and analysis of CmHsp90 family protein![]()
图 4 板栗CmHsp90蛋白功能域预测Figure 4. Functional domain prediction of CmHsp90 protein in C. mollissima2.3 CmHSP90基因家族的顺式作用元件预测
本研究通过在线网站PlantCARE对板栗CmHsp90基因家族的启动子顺式作用元件进行了预测分析，结果发现，CmHsp90基因家族启动子上主要包含激素调控、逆境胁迫及光响应等相关顺式作用元件（图5）。与光响应相关的顺式作用元件在10个CmHsp90家族成员中均有预测到，且数量最多，这表明了CmHsp90基因可能参与植物光响应的相关调控；其次为ABA响应元件（Hsp90-10除外）及厌氧诱导元件（Hsp90-2除外）。值得注意的是：Hsp90-3和Hsp90-6基因启动子包含干旱响应元件，推测这2个基因在干旱胁迫中起重要作用；同时Hsp90-1、Hsp90-5、Hsp90-7、Hsp90-8含有低温响应元件，推测这4个基因可能与温度调控有关；Hsp90-2、Hsp90-4、Hsp90-7、Hsp90-8、Hsp90-9含有茉莉酸甲酯响应元件，其中Hsp90-2、Hsp90-7、Hsp90-8还含有玉米醇溶蛋白代谢调节元件。这些结果表明，CmHsp90基因家族成员可能在光响应、逆境胁迫、激素响应等通路中发挥着重要的作用。
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图 5 板栗CmHsp90家族基因启动子顺式作用元件预测分析Figure 5. Functions of promoter cis-acting elements in CmHsp90 family genes in C. mollissima2.4 CmHsp90基因家族系统进化分析
为了进一步确定板栗CmHsp90基因家族的功能及特点，我们利用10个板栗、7个拟南芥、8个水稻、10个毛果杨Hsp90蛋白序列构建系统进化树（图6）。参考拟南芥[24-25]、水稻[26]、毛果杨[27]Hsp90基因家族中的分组依据，35个Hsp90蛋白可以分为5组（Ⅰ ~ Ⅴ），5个分组中分别含有4、5、6、8、12个基因，且每个分组中均有板栗CmHsp90家族蛋白分布。其中，Ⅳ组中含有板栗CmHsp90家族成员最多，包括CmHsp90-1、CmHsp90-4、CmHsp90-9、CmHsp90-10；Ⅰ组和Ⅴ组均含有2个Hsp90蛋白，分别为CmHsp90-7、CmHsp90-8和CmHsp90-3、CmHsp90-5；Ⅱ组和Ⅲ组均含有1个蛋白，分别为CmHsp90-2和CmHsp90-6。聚为一组的蛋白具有较高的同源性，在功能上可能存在共性，因此，可参考其他物种Hsp90的研究结果对板栗CmHsp90基因家族的功能做出初步判断。
2.5 CmHsp90基因家族成员在胚发育过程中的表达分析
已有研究表明：Hsp90基因家族参与植物胚胎的发育，在植物胚形成和发育过程中发挥着重要的作用。因此，为了确定板栗CmHsp90基因家族成员是否参与板栗胚发育过程，我们利用转录组测序技术对板栗CmHsp90基因家族成员在胚发育不同时期的表达进行了分析（图7）。结果发现：除CmHsp90-3外，其他CmHsp90基因在受精前胚珠中的表达量均高于受精后胚珠，说明板栗CmHsp90基因可能在早期雌配子体发育过程中发挥重要作用。对授粉后18 d胚珠及未授粉胚珠中CmHsp90基因的表达量进行分析（图8），发现除CmHsp90-3在授粉胚珠中的表达量高于未授粉胚珠外，其余CmHsp90基因均低于未授粉胚珠，说明CmHsp90基因可能参与调控板栗的受精过程。对授粉后同一时期发育胚珠与败育胚珠中CmHsp90基因的表达情况做进一步分析（图9），结果显示：CmHsp90-2、CmHsp90-4、CmHsp90-5、CmHsp90-7、CmHsp90-8、CmHsp90-9、CmHsp90-10基因在发育胚珠中的表达量高于败育胚珠，其中，CmHsp90-4和CmHsp90-9、CmHsp90-10的差异最明显，说明这些基因可能正调控受精后胚珠的发育。
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图 7 CmHsp90基因在胚珠不同发育时期的表达分析7SF. 授粉后7d；15SF. 授粉后15 d；18SF. 授粉后18 d；21FY. 授粉后27 d发育胚珠；27FY. 授粉后27 d发育胚珠。下同。7SF, 7 days after pollination; 15SF, 7 days after pollination; 18SF, 18 days after pollination; 21FY, ovule developed 27 days after pollination; 27FY, ovule developed 27 days after pollination. The same below.Figure 7. Expression analysis of CmHsp90 gene family in different development stages of ovule![]()
图 8 CmHsp90基因在授粉后18 d和未授粉胚珠中的表达情况18WF. 未授粉，与18 d授粉胚珠（18SF）同时采集。18WF, unpollinated, collected at the same time with 18 day pollinated ovules (18SF).Figure 8. Expression of CmHsp90 gene in 18 days after pollination and unpollinated ovules![]()
图 9 CmHsp90基因在发育胚珠与败育胚珠中的表达情况21BY. 授粉后21 d败育胚珠；27BY. 授粉后27 d败育胚珠。21BY, ovule aborted 21 days after pollination; 27BY, ovule aborted 27 days after pollination.Figure 9. Expression of CmHsp90 gene in ovule of pollination development and pollination abortion3. 讨 论
目前，Hsp90基因家族在多种植物中已被鉴定[24-27]，但板栗中Hsp90基因家族的信息尚不清楚。本研究利用多种生物信息学方法在板栗基因组中共鉴定到10个Hsp90家族基因。通过对10个CmHsp90基因家族蛋白序列的motif和蛋白结构域进行分析，发现该家族的蛋白具有很高的同源性，达64.12%。蛋白结构除全部匹配到Hsp90 superfamily外，还匹配到HATPase_c结构域。Hsp90 superfamily结构域和HATPase_c结构域是Hsp90蛋白的保守结构域，对Hsp90蛋白行使功能具有至关重要的作用。杜志如[28]研究发现：水稻中Hsp90蛋白的HATPase_c结构域能与ATP相结合，同时还与CPS结合，共同作用合成氨甲酰磷酸，与水稻的抗性相关。将鉴定到的10个板栗CmHsp90蛋白与拟南芥、水稻、毛果杨Hsp90蛋白构建进化树，35个Hsp90蛋白被分为5个组，聚为一组的基因具有相似的蛋白结构和亚细胞定位结果[24-27]，表明它们之间亲缘关系较近。目前，对模式植物拟南芥、水稻以及木本植物毛果杨的Hsp90基因家族研究较多，可参考拟南芥、水稻以及毛果杨Hsp90基因的研究结果预判同源关系较近的板栗CmHsp90的基因功能[24-27]。
随后我们对CmHsp90家族基因的启动子进行顺式作用元件预测，发现所有CmHsp90基因启动子上均预测到了光响应元件。Feng等[29]研究发现AtHsp90-5突变会导致拟南芥的叶绿体发育被抑制，胚胎发生缺陷；在对毛果杨Hsp90基因家族的研究中发现，定位到叶绿体上的PtHsp90-5a和PtHsp90-5b基因主要在幼叶和成熟叶中表达[24]，因此推测板栗CmHsp90家族基因可能也与叶绿体相关。除预测到大量光响应元件外，还预测到了与逆境和激素相关的元件，说明CmHsp90基因参与了不同非生物胁迫的调控，这与早先Panaretou等[30]的研究结果一致。目前，对热激蛋白的研究大部分都集中在其对温度胁迫的响应上，如对白菜（Brassica pekinensis）[31]、拟南芥[27]、番茄（Lycopersicon esculentum）[32]和烟草（Nicotiana tabacum）[33]等物种的研究，均说明Hsp90有助于提高植物的耐热性，但也有研究证明热激蛋白能提高植物抵抗冷胁迫的能力[34-36]。Prasinos等[37]研究发现：当胚胎组织受到热激时，胚胎中高度特异性的AtHsp90-1和AtHsp90-3的启动子驱动的基因表达发生了数量和质量上的变化，说明Hsp90基因参与了胚珠发育过程中对温度的响应过程。
我国板栗的单产相对较低，造成这一现象的原因与授粉受精不良和胚败育等密切相关[1]。为了研究影响板栗授粉受精及胚珠发育的原因，我们采集了授粉与不授粉、授粉后不同发育阶段的胚珠，进行转录组测序并分析了CmHsp90基因家族在胚胎发育的不同时期的表达情况。通过对转录组数据进行分析发现：除CmHsp90-3外，其他CmHsp90基因在受精前后胚珠中的表达量变化较大，受精前胚珠中的表达量均高于受精后胚珠中的表达量，说明这些基因可能参与了板栗早期胚珠发育相关途径的调控。Sangster等[38]通过抑制拟南芥Hsp90的表达发现：抑制表达的转基因植株其开花时间显著晚于对照，说明Hsp90基因可能与花器官的形成相关，这暗示了CmHsp90基因可能也参与板栗花器官的发育。Luo等[12]在对拟南芥的研究发现：AtHsp90.6功能丧失可能导致胚胎致死，而拟南芥中AtHsp90.6基因与板栗中的CmHsp90-2聚为一类，同属于Ⅱ组，且都定位于线粒体，说明这2个基因的同源性较高，推测CmHsp90-2可能参与板栗的胚珠发育的调控。对授粉后21和27 d同一子房中发育和败育胚珠的转录组数据进行分析，发现发育胚珠中CmHsp90-2的表达量均高于败育胚珠，进一步说明该基因可能与胚珠发育相关。研究发现拟南芥中AtHsp90-1的启动子活性在胚胎发育的整个早期阶段普遍较低，但在胚胎成熟前变高，在子叶中表达最为突出[37]，而与AtHsp90-1聚为一组的CmHsp90-1、CmHsp90-4、CmHsp90-9、CmHsp90-10，以及同样定位在胞质中的CmHsp90-5在授粉后21 d的表达量均低于授粉后27 d，即胚珠发育前期的表达量低于胚珠发育后期，与Prasinos等[37]的研究结果基本一致，推测板栗中的这5个基因可能具有与AtHsp90-1基因相同的功能，可在后期实验加以验证。CmHsp90基因家族的功能在很大程度上仍是未知的，需要后期通过实验来确定其精确功能。本研究通过对板栗Hsp90基因家族的系统发育和在胚珠发育过程中的表达情况进行分析，为未来CmHsp90的综合功能分析奠定了坚实的基础。
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图 1 香格里拉气象站1960—2011年气象资料
Figure 1. Climate data from the Shangri-La meteorological station(1960-2011)
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图 2 树轮宽度差值年表(实线)和样本量(虚线)
Figure 2. Residual tree-ring chronology (solid line) and sample size (dotted line)
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图 3 3个树种差值年表与1960—2010年间逐月气候因子(月平均温度和月降水量)的响应函数分析
*表示在0.05水平上显著相关。-表示上年，例如-11指上年11月份。
Figure 3. Response function analysis between residual chronologies of the three studied species and monthly climate factors (monthly mean temperature and monthly total precipitation) during the period of 1960-2010
* indicates significant correlation at P < 0.05 level.-stands for the previous year, for instance, -11 means November of previous year.
表 1 树木年轮采样点概况
Table 1 Description of the sampling sites
树种
Tree species纬度
Latitude经度
Longitude样本量(树/样芯)
Sample number(tree/radii)海拔
Elevation/m麦吊云杉Picea brachytyla 27°47′56″N 99°59′50″E 14/28 3 786 大果红杉Larix potaninii 27°04′56″N 99°59′50″E 13/26 3 786 长苞冷杉Abies georgei 27°47′10″N 100°00′12″E 15/32 3 954 
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表 2 普达措国家公园3个树种差值年表的统计信息
Table 2 Statistics characteristics of the three studied species chronologies in Pudacuo National Park
年表Residual chronologies 麦吊云杉
P. brachytyla大果红杉
L. potaninii长苞冷杉
A. georgei样本量(树/样芯)Sample number(tree/radii) 14/26 13/25 13/27 序列长度(年份) Length of series(year) 1933—2014 1914—2014 1761—2015 平均敏感度Mean sensitivity 0.121 0.263 0.131 标准差Standard deviation 0.103 0.221 0.115 公共区间(年份)Common interval time span(year) 1959—2010 1942—2014 1853—2015 树与树间平均相关系数Mean correlation between trees* 0.450 0.463 0.332 信噪比Signal-to-noise ratio* 18.853 18.987 12.417 样本总体代表性Expressed population signal* 0.950 0.950 0.925 第一特征向量百分比Variance in first eigen vector/%* 48.29 49.74 36.20 注：*表示共同公共区间统计量。Note: * means data belong to statistics of common interval.
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表 3 树轮宽度差值年表与生长季气候因子的相关分析
Table 3 Correlation analyses between the residual chronologies and the climatic factors in growing season
生长季Growing season 平均温度Mean temperature 降水量Precipitation 麦吊云杉
P. brachytyla大果红杉
L. potaninii长苞冷杉
A. georgei麦吊云杉
P. brachytyla大果红杉
L. potaninii长苞冷杉
A. georgei上年生长后期(上年9—10月)Post growing season of previous year (September to October of previous year) -0.476* 0.084 -0.211 0.059 -0.248* -0.062 当年生长初期(当年4—5月)Early growing season of current year (April to May of current year) 0.110 0.092 0.065 -0.223* -0.066 -0.031 当年生长盛期(当年6—8月)Growing season of current year (June to August of current year) 0.278* 0.081 0.216* -0.032 0.025 0.011 当年生长后期(当年9—10月)Post growing season of current year (September to October of current year) 0.181 0.089 0.186* -0.153 -0.149 -0.099 注：*表示在0.05水平上显著相关。Note: * indicates significant correlation at P＜0.05 level.
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表 4 树轮宽度差与气候因子的滑动分析
Table 4 Moving correlation analyses between the residual chronologies and the climatic factors
气候因子Climatic factors 麦吊云杉P. brachytyla 大果红杉L. potaninii 长苞冷杉A. georgei 上年10月平均温度Mean temperature of previous October 当年7月平均温度Mean temperature of current July 上年生长后期平均温度Mean temperature of previous post growing season 当年生长盛期平均温度Mean temperature of current growing season 当年生长初期降水量Precipitation of current early growing season 上年10月降水量Precipitation of previous October 上年生长后期降水量Precipitation of previous post growing season 当年生长盛期平均温度Mean temperature of current growing season 当年生长后期平均温度Mean temperature of current post growing season 显著年份
Significant year1962—1978(-),
1980(-),
1992—2010(-)1962—1976(+),
1979(+),
1992—2010(+)1961—2010(-) 1961—2010(+) 1966—1974(-),
1980—1981(-),
1983(-),
1995—1997(-),
2002(-)1962—1981(-),
1992—2011(-)1961(-),
1969—1984(-),
1987(-),
1990(-),
1992—1997(-),
2001—2005(-),
2010—2011(-)1966—1979(+),
1987(+),
1998(+),
2005—2006(+)1966—1968(+),
1976—1978(+),
1980(+),
1989—1990(+),
2000(+), 2004(+)注：(-)表示相关关系为负，(+)表示相关关系为正。Notes: (-) indicates negative correlation, (+)indicates positive correlation.
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[1] 秦大河.气候变化科学与人类可持续发展[J].地理科学进展, 2014, 33(7): 874-883. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dlkxjz201407002 QIN D H. Climate change science and sustainable development[J]. Progress in Geography, 2014, 33(7): 874-883. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dlkxjz201407002
[2] 吴祥定.树木年轮与气候变化[M].北京: 气象出版社, 1990: 44-65. WU X D. Tree ring and climate change[D]. Beijing: Meteorological Publishing House, 1990: 44-65.
[3] FRITTS H C. Tree rings and climate[M]. London: Academic Press, 1976: 270.
[4] LUCKMAN B H, BRIFFA K R, JONES P D, et al. Tree-ring based reconstruction of summer temperature at the Columbia Icefield, Alberta, Canada, AD 1073-1983[J]. Holocene, 1997, 7(4): 375-389. doi: 10.1177/095968369700700401
[5] 彭剑峰, 勾晓华, 陈发虎, 等.坡向对海拔梯度上祁连圆柏树木生长的影响[J].植物生态学报, 2010, 34(5): 517-525. doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.05.005 PENG J F, GOU X H, CHEN F H, et al. Influences of slope aspect on the growth of Sabina przewalskii along an elevation gradient in China's Qinghai Province[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2010, 34(5): 517-525. doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.05.005
[6] 刘娟, 邓徐, 吕利新.西藏八宿川西云杉树线过渡区树木生长与气候关系的一致性[J].植物生态学报, 2015, 39(5): 442-452. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zwstxb201505002 LIU J, DENG X, LV L X. Relationship of tree growth and climatic factors at treeline of Picea likiangensis var. balfouriana forest in Basu County, Xizang[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2015, 39(5): 442-452. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zwstxb201505002
[7] 张文涛, 江源, 王明昌, 等.芦芽山阳坡不同海拔华北落叶松径向生长对气候变化的响应[J].生态学报, 2015, 35(19): 6481-6488. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201519026 ZHANG W T, JIANG Y, WANG M C, et al. Responses of radial growth in Larix principis-rupprechtii to climate change along an elevation gradient on the southern slope of Luya Mountain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(19): 6481-6488. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201519026
[8] 彭剑峰, 勾晓华, 陈发虎, 等.阿尼玛卿山中部高山林线树轮宽度对气候变化的响应[J].北京林业大学学报, 2006, 28(增刊2): 57-62. http://bjly.chinajournal.net.cn/WKC/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=E30B21CB-D480-4A91-B8A8-8AA8D9927982 PENG J F, GOU X H, CHEN F H, et al. Climatic response of tree-ring width from alpine treeline in the middle of Anyemaqen Mountains, northeastern Tibetan Plateau, China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2006, 28(Suppl. 2): 57-62. http://bjly.chinajournal.net.cn/WKC/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=E30B21CB-D480-4A91-B8A8-8AA8D9927982
[9] 李金健, 邵雪梅, 李媛媛, 等.树轮宽度记录的松潘地区年平均气温变化[J].科学通报, 2014, 59((15): 1446-1458. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kxtb201415009 LI J J, SHAO X M, LI Y Y, et al. Annual temperature recorded in tree-ring from Songpan Region(in Chinese)[J]. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(15): 1446-1458. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kxtb201415009
[10] 王晓明, 赵秀海, 高露双, 等.长白山北坡沿海拔梯度岳桦径向生长对气候的响应[J].应用与环境生物学报, 2013, 19(6): 929-934. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yyyhjswxb201306004 WANG X M, ZHAO X H, GAO L S, et al. Climatic response of Betula ermanii tree-ring growth along an altitudinal gradient on the northern slope of the Changbai Mountains[J]. Chinese Journal of Applied Environment Biology, 2013, 19(6): 929-934. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yyyhjswxb201306004
[11] 侯迎, 王乃昂, 张学敏, 等.基于树轮资料重建祁连山东段冷龙岭1848年以来的干湿变化[J].山地学报, 2011, 29(1): 12-18. doi: 10.3969/j.issn.1008-2786.2011.01.003 HOU Y, WANG N A, ZHENG X M, et al. Precipitation reconstruction from tree ring width over the eastern part of the Qilian Mountains, northwestern China[J]. Journal of Mountan Science, 2011, 29(1): 12-18. doi: 10.3969/j.issn.1008-2786.2011.01.003
[12] 高露双, 王晓明, 赵秀海.长白山过渡带红松和鱼鳞云杉径向生长对气候因子的响应[J].植物生态学报, 2011, 35(1): 27-34. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zwstxb201101004 GAO L S, WANG X M, ZHAO X H. Response of Pinus koraiensis and Picea jezoensis var. komarovii to climate in the transition zone of Changbai Mountain, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(1): 27-34. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zwstxb201101004
[13] 赵志江, 谭留夷, 康东伟, 等.云南小中甸地区丽江云杉径向生长对气候变化的响应[J].应用生态学报, 2012, 23(3): 603-609. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yystxb201203004 ZHAO Z J, TAN L Y, KANG D W, et al. Responses of Picea likiangensis radial growth to climate change in the Small Zhongdian Area of Yunnan Province, southwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(3): 603-609. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yystxb201203004
[14] 曹宗英, 勾晓华, 刘文火, 等.祁连山中部青海云杉上下限树轮宽度年表对气候的响应差异[J].干旱区资源与环境, 2014, 28(7): 29-34. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ghqzyyhj201407006 CAO Z Y, GOU X H, LIU W H, et al. Response of tree-ring to the climate factors at upper and lower elevation in the middle region of Qilian Mountains[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2014, 28(7): 29-34. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ghqzyyhj201407006
[15] 杨家伟.滇西北地区生物多样性保护现状与对策[J].林业资源管理, 2002(3): 61-65. doi: 10.3969/j.issn.1002-6622.2002.03.016 YANG J W. Status and solutions of biodiversity protection in northwest Yunnan[J]. Forest Resources Management, 2002(3): 61-65. doi: 10.3969/j.issn.1002-6622.2002.03.016
[16] 张劲峰, 周鸿, 耿云芬.滇西北亚高山退化森林生态系统及其恢复途径: "近自然林业"理论及方法[J].林业资源管理, 2005(5): 33-37. doi: 10.3969/j.issn.1002-6622.2005.05.008 ZHANG J F, ZHOU H, GENG Y F. Restoration approach of sub-alpine degraded ecosystem in northwest Yunnan: "close to nature forestry" theory and methods[J]. Forest Resources Management, 2005(5): 33-37. doi: 10.3969/j.issn.1002-6622.2005.05.008
[17] FAN Z X, BRAUNING A, CAO K F, et al. Growth-climate responses of high-elevation conifers in the central Hengduan Mountains, southwestern China[J]. Forest Ecology and Management, 2009, 258(3): 306-313. doi: 10.1016/j.foreco.2009.04.017
[18] FAN Z X, THOMAS A. Spatiotemporal variability of reference evapotranspiration and its contributing climatic factors in Yunnan Province, SW China, 1961-2004[J]. Climatic Change, 2013, 116(2): 309-325. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=6a8675394417838bf376c4574c1fa4b1
[19] FAN Z X, BRAUNING A, YANG B, et al. Tree ring density-based summer temperature reconstruction for the central Hengduan Mountains in southern China[J]. Global and Planetary Change, 2009, 65: 1-11. doi: 10.1016/j.gloplacha.2008.10.001
[20] 曾凤琴.普达措国家公园高原湿地保护与利用[J].科技信息, 2008(16): 535-550. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y1592823 ZENG F Q. With the use of the national park Pudacuo Plateau wetland[J]. Science & Technology Information, 2008(16): 535-550. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y1592823
[21] 张燕妮, 张志明, 耿宇鹏, 等.滇西北地区优先保护的植物群落类型[J].生物多样性, 2013, 21(3): 296-305. http://med.wanfangdata.com.cn/Paper/Detail/PeriodicalPaper_swdyx201303007 ZHANG Y N, ZHANG Z M, GENG Y P, et al. Priority plant communities for conservation in Northwest Yunnan[J]. Biodiversity Science, 2013, 21(3): 296-305. http://med.wanfangdata.com.cn/Paper/Detail/PeriodicalPaper_swdyx201303007
[22] 刘敏, 毛子军, 厉悦, 等.凉水自然保护区不同皮型红松径向生长对气候的响应[J].应用生态学报, 2014, 25(9): 2511-2520. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201409008 LIU M, MAO Z J, LI Y, et al. Climatic effects on radial growth of Korean pines with different bark forms in Liangshui Natural Reserve, northeast China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(9): 2511-2520. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201409008
[23] STOKES M A, SMILEY T L. An introduction to tree-ring dating[D]. Tucson: The University of Arizona Press, 1996.
[24] BIONDI F, WAIKUL K. DENDROCLIM2002: a C++ program for statistical calibration of climate signals in tree-ring chronologies[J]. Computers and Geosciences, 2004, 30(3): 303-311. doi: 10.1016/j.cageo.2003.11.004
[25] HOLMES R L. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement[J]. Tree-Ring Bulletin, 1983, 43(1): 69-78.
[26] COOK E R, HOLMES R L. Users manual for program ARSTAN. Tucson: Laboratory of Tree-ring Research, University of Arizona, 1986.
[27] KENDALL M G, GIBBONS J D. Rank correlation methods[D]. London: Edward Arnold, 1990.
[28] 徐金梅, 鲍甫成, 吕建雄, 等.祁连山青海云杉径向生长对气候的响应[J].北京林业大学学报, 2012, 34(2): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1671-6116.2012.02.001 XU J M, BAO F C, LV J X, et al. Climate response of radial growth of Picea crassifolia in Qilian Mountains of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2012, 34(2): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1671-6116.2012.02.001
[29] 尚华明, 魏文寿, 袁玉江, 等.阿尔泰山南坡树轮宽度对气候变暖的响应[J].生态学报, 2010, 30(9): 2246-2253. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201009002 SHANG H M, WEI W S, YUAN Y J, et al. Response of tree ring width to recent climate change, south slope of Alta Mountains[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(9): 2246-2253. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201009002
[30] 谭留夷, 赵志江, 康东伟, 等.王朗自然保护区紫果云杉径向生长与气候因子的关系[J].四川农业大学学报, 2011, 29(1): 29-34. doi: 10.3969/j.issn.1000-2650.2011.01.006 TAN L Y, ZHAO Z J, KANGD W, et al. A study on the relationship between the radial growth of Picea purpuea and the climatic factors in Wanglang National Nature Reserve[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2011, 29(1): 29-34. doi: 10.3969/j.issn.1000-2650.2011.01.006
[31] 徐宁, 王晓春, 张远东, 等.川西米亚罗林区不同海拔岷江冷杉生长对气候变化的响应[J].生态学报, 2013, 33(12): 3742-3751. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201312020 XU N, WANG X C, ZHANG Y D, et al. Climate-growth relationships of Abies faxoniana from different elevations at Miyaluo, western Sichuan, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(12): 3742-3751. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201312020
[32] 郭明明, 张远东, 王晓春, 等.川西米亚罗林区主要树木生长对气候响应的差异[J].应用生态学报, 2015, 26(8): 2237-2243. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201508001 GUO M M, ZHANG Y D, WANG X C, et al. Difference in responses of major tree species growth to climate in the Miyaluo Mountains, western Sichuan, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(8): 2237-2243. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201508001
[33] 陈力, 尹云鹤, 赵东升, 等.长白山不同海拔树木生长对气候变化的响应差异[J].生态学报, 2014, 34(6): 1568-1574. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201406026 CHEN L, YIN Y H, ZHAO D S, et al. Climate response of tree growth along an altitudinal gradient in the Changbai Mountains, northeast China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(6): 1568-1574. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201406026
[34] 李颖俊, 王尚义, 牛俊杰, 等.芦芽山华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)树轮宽度年表对气候因子的响应[J].生态学报, 2016, 6(6): 1608-1618. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=stxb201606013 LI Y J, WANG S Y, NIU J J, et al. Climate-radial growth relationship of Larix principis-upprechtii at different altitudes on Luya Mountain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 6(6): 1608-1618. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=stxb201606013
[35] 孙毓, 王丽丽, 陈津, 等.中国落叶松属树木年轮生长特性及其对气候变化的响应[J].中国科学:地球学, 2010, 40(5): 645-653. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd201005013 SUN Y, WANG L L, CHEN J, et al. Growth characteristics and response to climate change of Chinese larch[J]. Science China Press, 2010, 40(5): 645-653. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd201005013
[36] IPCC. Climate change 2013: the physical science basis[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.
[37] XU Y L, HUANG X Y, ZHANG Y, et al. Statistical analyses of climate change scenarios over China in the 21th century[J]. Advances in Climate Change Research, 2006, 2(Suppl. 1): 50-53.
[38] 刘桂芳, 卢鹤立.全球变暖背景下的中国西部地区气候变化研究进展[J].气象与环境科学, 2009, 32(4): 69-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-7148.2009.04.016 LIU G F, LU H L. Research progress of climatic change in western China on the background of global warming[J]. Meteorological and Emvironmrntal Sciences, 2009, 32(4): 69-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-7148.2009.04.016
-
期刊类型引用(7)
1. 周浪，樊坤，瞿华，张丁然. 基于ECA注意力机制改进的EfficientNet-E模型的森林火灾识别. 华南理工大学学报(自然科学版). 2024(02): 42-49 . 
百度学术
2. 王宇虹，陈仲榆，杨晓丹，赵鲁强，袁晓玉，梁莉. 重庆两场森林火灾蔓延特征的数值模拟. 气象科技. 2024(02): 205-217 . 百度学术
3. 何乃磊，张金生，林文树. 基于深度学习多目标检测技术的林火图像识别研究. 南京林业大学学报(自然科学版). 2024(03): 207-218 . 百度学术
4. 李宝民，王小鹏，孙茜容，张军平. 基于概率两阶段CenterNet2的林火图像预警检测方法. 计算机工程与科学. 2023(10): 1884-1890 . 百度学术
5. 刘九庆，项前，王宇航. 基于SIFT算法和改进的RANSAC算法对森林火灾的图像识别与试验研究. 森林工程. 2022(06): 96-103 . 百度学术
6. 李梓雯. 森林防火现状问题与防火体系建设对策研究——以河南省新乡市为例. 森林防火. 2022(01): 6-9+14 . 百度学术
7. 骆晨，潘卫军，朱新平，王玄. 通用航空森林火灾救灾决策模型研究. 消防科学与技术. 2021(12): 1784-1787 . 百度学术
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