南京大学学报(自然科学版)

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肖鹏峰^1,2,3, 冯学智^1,2,3*, 谢顺平^1,2,3, 都金康^1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 909-920.

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新疆天山北麓玛纳斯河流域冬、春季积雪覆盖，高山冰川发育，是我国西北干旱区的典型流域，其冰雪融水对北疆工农业生产和生态环境具有重要意义。近五年来，在流域开展5次科学考察、积雪常规观测和星地同步观测，利用GF-1 PMS （Panchromatic and Multi-Spectral）和WFV（Wide Field of View）、HJ-1 CCD （Charge-Coupled Device）和IRS（Infrared Scanner）等国产高分光学遥感数据和C波段RADARSAT-2、ENVISAT ASAR 等合成孔径雷达数据，探索山区复杂地形条件下的综合辐射校正方法，建立积雪识别模型获取积雪覆盖范围、积雪表面类型和积雪干湿状况，建立积雪参数反演模型获取雪粒径、雪深和雪水当量，分析流域积雪变化特征与雪盖衰退过程，进行流域融雪径流模型的参数率定、模拟与预报，为流域水资源合理利用与调配提供科学依据。

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玛纳斯河流域积雪遥感地面同步观测

耶楠1,2,3，冯学智1,2,3?，肖鹏峰1,2,3，贺广均1,2,3,4，陈妮1,2,3，张学良1,2,3，
朱榴骏1,2,3，汪左1,2,3，李敏1,2,3，蒋璐媛1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 921-928.

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积雪作为冰冻圈主要组成部分，是全球能量和水循环的重要环节。利用卫星遥感技术获取的高时空分辨率的积雪分布和状态信息对寒区水资源管理、经济发展和社会稳定具有重要意义。目前，利用高分辨率光学和合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar：SAR）卫星数据能够实现积雪覆盖范围的识别和雪层物化参数的反演，但识别和反演的精度在高寒山区条件下受地形影响严重。为改进现有识别和反演模型在山区条件下的适应性，以新疆天山北坡玛纳斯河流域为研究区，分别在2013年冬季积雪期和2014年春季融雪期进行了两次与SAR卫星同步的野外积雪观测，为山区积雪识别和积雪参数反演获取了地面实测光谱和积雪参数数据。本文对两次积雪观测的目的、方法和初步结果进行介绍。观测初步结果显示了积雪在研究区内空间分布不均一，季节性差异性明显，为后续通过高分辨率遥感手段获取山区积雪参数时间和空间变异性提供了基础。

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玛纳斯河流域山区积雪反射光谱特征分析

杨永可1,2,3，冯学智1,2,3*，肖鹏峰1,2,3，贺广均1,2,3,4

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 929-935.

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以新疆玛纳斯河流域为研究区，利用野外实测的山区积雪光谱数据（波段范围为350~2500 nm），分析研究区内的典型地物光谱曲线特征，以及新雪、污化雪、陈雪和风吹雪的反射特性，探讨污染物类型和浓度、雪层含水量、雪粒径、雪与枯草混合物对积雪反射特性的影响，为山区积雪识别提供依据。结果表明：受污染物、雪层含水量、雪粒径、雪与枯草混合物等因素影响，污化雪、陈雪、雪与枯草混合物的光谱曲线兼有积雪与非雪地物的反射特性；在可见光波段，污化雪、陈雪的反射率有不同程度的下降，但是依然高于非雪地物的反射率；在近红外波段，新雪、污化雪、陈雪、风吹雪、雪与枯草混合物的光谱曲线在1020 nm、1250 nm处均出现积雪特有的吸收谷，在1080 nm、1320 nm、2246 nm波段均出现积雪特有的反射峰。另外，污染物在降低积雪反射率的同时，使得污化雪在可见光波段的光谱曲线呈现上升趋势，即呈现污染物自身的光谱曲线特征，与其它类型的积雪形成明显对比，是区分污化雪与其它类型积雪的关键所在。

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玛纳斯河流域春季雪层参数特性分析

陈妮1,2,3，冯学智1,2,3*，肖鹏峰1,2,3, 贺广均1,2,3,4

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 936-943.

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采用2014年春季野外观测的新疆玛纳斯河流域积雪物理特性数据（积雪深度、积雪密度、体积含水量、雪层温度），分析了流域融雪期的积雪参数特征，及其在垂直剖面上的廓线分布。结果表明：（1）研究区在融雪期的积雪随着深度的增加而温度逐渐降低，部分地区积雪保温作用明显，保温层位于雪表层下约10cm位置；（2）流域北部低山区雪密度随着积雪深度的增加逐步减小，高山区和亚高山区雪密度的垂直廓线呈现为中部大、积雪表层和底部小的分布特征；（3）北部低山区积雪体积含水量高于高山区和亚高山区，垂直廓线呈单峰曲线，峰值距雪表面约12cm；南部高山区和亚高山区积雪以潮雪为主，雪层含水量存在层位变化。

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山区复杂地形条件下GF-1卫星遥感雪面反射率计算

蒋璐媛1,2,3，肖鹏峰1,2,3*，冯学智1,2,3，耶楠1,2,3，贺广均1,2,3,4，张学良1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 944-954.

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针对山区遥感影像计算雪面反射率的难点.采用各向异性校正与地形校正相结合的方法.将研究区不同坡面方向的雪面反射率归一化至平坦地表垂直观测方向上的雪面反射率.以消除地形影响其中.各向异性校正采用二向反射分布函数(Bidirectional Rellectance Distribution Function, BRDF)模型;地形校正采用山地辐射传输模型遥感影像选用新疆玛纳斯河流域的高分一号卫星(GF-1)宽幅相机数据利用同步观测的积雪光谱数据对此方法的校正能力进行验证.结果表明此方法能够消除大部分地形和大气的影响;计算的雪面反射率在非阴影区与阴影区
均与实测数据相一致;该方法可为山区积雪的光学遥感研究提供技术支撑

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玛纳斯河流域山区积雪的C波段SAR图像表征

贺广均1,2,3,4, 冯学智1,2,3*, 肖鹏峰1,2,3, 耶楠1,2,3，汪左1,2,3, 陈妮1,2,3,李敏1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 955-965.

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首先利用光学遥感数据识别新疆玛纳斯河流域山区积雪时空分布信息，然后利用C波段合成孔径雷达图像分析非积雪期、积雪期、融雪期的积雪和无积雪覆盖地表在不同下垫面类型、不同局部入射角、不同极化条件下的后向散射系数差异、后向散射系数变化情况和干涉相干性差异，结果表明：（1）在积雪期，积雪与无积雪覆盖地表后向散射系数相近，在融雪期，积雪覆盖地表后向散射系数比无积雪覆盖地表低5~10 dB；（2）从非积雪期到积雪期，HH、VV极化的后向散射系数变化较小，HV、VH极化的后向散射系数降低2~4 dB；（3）从积雪期到融雪期，积雪覆盖地表HH、VV极化的后向散射系数降低约2 dB，HV、VH极化的后向散射系数变化不明显，无积雪覆盖地表HH、HV、VH、VV极化的后向散射系数增加2~3 dB；（4）从非积雪期到融雪期，积雪覆盖地表HH、HV、VH、VV极化的后向散射系数降低约2 dB，无积雪覆盖地表HH、VV极化的后向散射系数增加1~2 dB，HV、VH极化的后向散射系数变化不明显；（5）HH、VV极化方式下积雪覆盖地表相干系数明显低于无积雪覆盖地表。SAR图像表征分析结果对积雪及其物理状态的雷达识别研究提供科学依据。

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基于极化SAR图像的玛纳斯河流域典型区积雪识别

郭金金1,2,3，肖鹏峰1,2,3*，冯学智1,2,3，朱榴骏1,2,3，周淑媛1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 966-975.

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极化合成孔径雷达具备全天候的积雪观测能力，而且能提供丰富的极化特征用于积雪识别。本文选取2014年3月19日新疆玛纳斯河流域典型区Radarsat-2数据，首先对全极化SAR数据进行目标分解提取积雪极化特征，再利用J-M距离（Jeffreys-Matusita）进行特征选择，分析不同极化特征对积雪的可分性，最后利用最优特征集和支持向量机（Support vector machine,SVM）进行积雪识别。结果表明：Yamaguchi分解和Freeman分解的体散射分量、相干矩阵特征值和香农熵四种极化特征对积雪有较强的识别能力；多种极化特征联合识别相对于单一特征识别积雪具有较大优势，基于四种极化特征的积雪识别精度达到84%。利用极化特征进行积雪识别可获得较好效果，能够弥补可见光遥感难以识别云下积雪的不足。

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基于马尔可夫随机场模型的SAR图像积雪识别

周淑媛1,2,3，肖鹏峰1,2,3*，冯学智1,2,3，朱榴骏1,2,3，郭金金1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 976-986.

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本文以新疆玛纳斯河流域2014年3月19日RADASAT-2影像为研究数据，采用马尔可夫随机场（Markov Random Field. MRF）模型分割方法进行积雪识别。MRF模型分割方法能够充分利用图像上下文信息，降低相干斑噪声对合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR数据的影响。通过初始K-means分割估算出MRF参数，建立先验模型和概率密度函数，利用迭代条件模式（Iterated Conditional,ICM）算法进行最大后验概率求解得到最优标记，从而识别出积雪。通过实测数据进行验证，该方法积雪识别精度达86.67%。结果表明：MRF模型分割方法的能够有效识别积雪；在地势较为平坦的地区，交叉极化HV方式下的后向散射系数与极化总功率Span的识别效果较好；在地形起伏较大的地区，HV后向散射系数的识别效果随着高程和坡度的增加而降低，极化总功率Span能够综合三种极化特征，较好地克服地形影响，提高积雪的识别精度。

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玛纳斯河流域山区雪粒径HJ-1卫星反演

王剑庚^1,2,3,4，冯学智^2,3,4(，肖鹏峰^2,3,4，张学良^2,3,4，朱榴骏^2,3,4，耶楠^2,3,4，李云^2,3,4

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 987-995.

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雪粒径是影响雪面能量收支和表征积雪状态的重要参数, 利用遥感手段定量反演雪粒径信息对雪水当量估算、流域水资源管理和局地气候变化研究等具有重要意义 . 针对新疆玛纳斯河流域山区积雪表层粒径地遥感反演, 以渐近式辐射传输模型为基础建立雪粒径反演模型, 利用 H J - 1 卫星多光谱数据得到玛纳斯河流域山区冬季积雪期和春季融雪期的雪粒径反演结果, 并利用地面实测数据对反演结果进行验证, 最后分析雪粒径随海拔的分布特征 . 结果表明: 建立的雪粒径反演模型能够较好地描述雪粒径与卫星遥感信号间的定量关系; 雪粒形状对反演结果影响较大, 当选择适当的雪粒形状时, 雪面粒径反演值与实测值较为吻合; 海拔对雪面粒径的分布影响较大 .

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基于合成孔径雷达图像的山区雪水当量反演

汪左^1,2,3,4，冯学智^1,2,3，肖鹏峰^1,2,3，贺广均^1,2,3,5

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 996-1004.

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雪水当量是表征积雪水资源量的重要指标，准确获取雪水当量信息对于流域水资源管理与区域气候研究具有重要意义。本文以新疆玛纳斯河流域山区典型地区为研究区，在获取RADARSAT-2精细四极化SLC产品、地面同步观测数据、数字高程数据和土地覆盖类型数据的基础上，探讨了针对山区地形与下垫面条件的EQeau模型参数优化方法，修订了模型系数，并反演获得了研究区2013年12月13日的雪水当量分布信息。结果表明：（1）在山区复杂地形与下垫面条件下，增加地形、土地覆盖类型和局部入射角作为EQeau模型的条件参数，可取得冬秋季后向散射系数比与积雪热阻间较好的拟合关系，从而修订模型系数；（2）利用系数修订后的EQeau模型和RADARSAT-2数据反演得到了研究区精度较高的雪水当量信息，进而表明利用C波段合成孔径雷达数据和EQeau模型反演山区雪水当量是有效可行的。研究成果可为山区雪水当量的定量反演提供新思路。

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融雪径流模型参数渐进式优化率定方法

谢顺平1,2,3*，都金康1,2,3，冯学智1,2,3，李智广1

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1005-1013.

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融雪径流模型（SRM）是一种概念性和半分布式模型，其参数在一定程度上反应了流域对融雪的径流响应内在机制。提出了一种融雪径流模型离散化参数的渐进式优化率定方法，以新疆玛纳斯河流域为实验区，开展SRM模型参数离散化分析及其优化研究。根据模型结构剖析，确定融雪径流系数和降雨径流系数为两个待率定的敏感参数，分析了月、半月、10天和5天等不同离散尺度模型参数表征融雪径流响应时变机制的特性，对旬离散的模型参数，采用不同目标函数及优化方法分别对2001?2012共12年融雪期逐日的融雪径流过程进行模拟率参，精度评价表明渐进式优化率定方法优于分时段优化率定方法。最后以2001?2008年的融雪期作为率参期，以2009?2012年作为检验期，分别面向三个目标对模型参数进行全局优化率定，验证模拟的平均效率系数达到0.87，表明本文提出的融雪径流模型参数率定方法是有效的，经优化的模型可应用于融雪径流预测。

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基于BP神经网络的玛纳斯河流域雪盖率预测

郑文龙,2,3，都金康1,2,3*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1014-1021.

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为了实现对新疆玛纳斯河流域的预测，为该区融雪径流预报提供数据支撑，本文选取反向传播（BP）神经网络模型时间序列预测的方法对研究区的预测问题进行了研究。首先基于2001-2012年研究区MODIS积雪数据产品MOD10A2提取研究区雪盖并计算，分析研究区变化在时间上的自相关性，据此选取对预测值影响较大的相邻若干个历史时刻的以及往年同期的均值作为模型输入变量，建立神经网络模型，并选取相关系数与确定系数作为模型预测效果的评价指标。结果表明：以BP神经网络时间序列预测方法预测2012年积雪覆盖率，输入变量为与待预测雪盖率相邻的前期与往年同期均值，预测值与实际值的相关系数为0.80，确定系数为0.61，预测结果基本反映了2012年的年内变化趋势，可以为融雪径流模型SRM）径流预报提供一定的数据支撑。

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巴音布鲁克典型区MODIS亚像元积雪覆盖率估算

李云1,2,3，冯学智1,2,3?，肖鹏峰1,2,3，耶楠1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1022-1029.

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snow cover fraction, SCF）的估算可以减少混合像元造成的误差，提高雪盖监测精度。本文以新疆巴音布鲁克为研究区，以环境与灾害监测预报小卫星B星（HJ-1B）数据作为地面真值，计算出中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS）数据对应的雪盖率，建立所得雪盖率与归一化差分积雪指数（normalized difference snow index, NDSI）之间的逐像元估算模型，并对估算结果进行了验证。结果表明，与MODIS积雪产品数据相比，该模型估算的雪盖率精度明显改善，具有较强的精确性和实用性。但是相对于真实雪盖率，也存在总体高估的情况。模型误差的主要来源是积雪边缘区的破碎分布、阴坡和阳坡的太阳辐射差异以及林带积雪的复杂影响。逐像元估算模型能有效的提高巴音布鲁克地区雪盖率制图精度，为该地区水资源合理利用，牧区雪灾的抗灾减灾提供了依据。

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基于区域合并的高分辨率遥感图像多尺度分割

张学良1,2,3，冯学智1,2,3 ，肖鹏峰1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1030-1038.

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图像分割是高分辨率遥感图像处理和分析的关键环节。本文探讨了将区域合并方法应用于高分辨率遥感图像多尺度分割的技术要点，旨在提升分割的精度和效率，获得地物对象的多尺度表达。主要研究内容包含如下五个方面：（1）图模型的构建，包括区域邻接图和最近邻图，以提高分割效率；（2）合并准则的确定，选择能有效表征区域同质性、形状和边界的图像特征并加以组合，提升分割精度；（3）合并策略的选择，针对寻优范围不同列出面向全局、面向局部以及混合区域合并等三种合并策略，并分析各自的特点；（4）尺度参数的设置，针对面向局部的区域合并策略提出递增的尺度参数序列控制方法，生成边界一致的多尺度分割结果；（5）分割树的设计，利用树中不同层级的节点表达不同尺度的分割区域，可快速输出多尺度分割结果。研究成果可应用于高分辨率遥感图像面向对象分析、地物目标识别和信息提取。

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基于协同分割的高分辨率遥感图像变化检测

袁敏1,2,3，肖鹏峰1,2,3*，冯学智1,2,3，张学良1,2,3，胡永月1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1039-1048.

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针对面向对象变化检测存在的多时相对象边界不一致的难题，基于计算机视觉领域的多视图像协同分割思想，提出一种面向多时相高分辨率遥感图像变化检测的协同分割方法。首先对多时相遥感图像进行协同处理，利用多时相信息发现变化特征，以光谱变化为指标，获得变化强度图，进而在变化强度图的引导下，结合各时相的图像自身特征进行分割，通过能量函数的构建和优化，直接生成边界准确、空间对应的多时相变化对象。利用两个时相的高分辨率航空图像进行实验表明，该方法可以较完整准确地分割出变化对象，通过建立其空间对应关系，能清晰地表达对象的变化过程，为高分辨率遥感图像面向对象变化检测提供了新思路。

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面向对象变化检测中多时相图像分割模式影响评价

胡永月1,2,3，肖鹏峰1,2,3*，冯学智1,2,3，张学良1,2,3，袁　敏1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1049-1057.

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面向对象变化检测是高分辨率遥感图像分析技术中的研究热点，在国土资源监测、城市扩展、森林植被变化等方面具有广泛的应用前景。多时相图像分割是面向对象变化检测的关键步骤，主要包括三种模式：多时相组合分割、单时相分割与多时相分别分割。本文通过分析三种多时相图像分割模式下变化对象的差异，评价多时相图像分割策略对于面向对象变化检测结果的影响。结果表明，多时相分割模式对变化对象形状以及检测精度的影响均较大，三种模式中的多时相组合图像分割模式对本文研究区的变化检测精度最高。

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基于混合像元分解的HJ-1卫星时间序列影像城市植被信息提取

黄银友1,2,3，冯莉1,2,3，朱榴骏1,2,3，刘寒1,2,3，李成蹊1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1058-1067.

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针对城市植被信息提取中单时相遥感影像无法获得物候特征及影像中的混合像元问题，本研究以南京市区及近郊作为研究区，将2013年77景HJ-1 NDVI时间序列数据看成“类高光谱”数据，利用非限定性分解法、半限定性分解法和全限定性分解法对滤波后的数据进行分解，结果表明：使用非限定的线性光谱混合模型分解算法对研究区草地、灌木丛、针叶林、落叶阔叶林、常绿与落叶阔叶混交林5种植被信息提取的RMS误差最小，此方法效果最好。

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库车坳陷新生代盐岩锶同位素特征及物质来源分析

王兴元1，尹宏伟1*，邓小林2，韦钊2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1068-1074.

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新疆库车前陆坳陷新生代地层发育巨厚的蒸发岩沉积。本文通过对库车坳陷内11口钻井的盐岩样品进行锶同位素地球化学特征的分析，进一步研究坳陷内盐岩地层的成盐物质来源。测试结果表明，库车坳陷盐岩的锶同位素在0.708718—0.710868之间，不同时代的盐岩沉积的锶同位素组成明显不同。古近纪盐岩的锶同位素较低，大多在0.7093左右，与海水的锶同位素值接近，表明物质来源主要是海水。中新世盐岩的锶同位素多在0.7100以上，锶同位素组成介于海水和陆源盐湖之间，表明是海水和陆源水的混合的结果。推断库车坳陷古近纪早期受到海侵，渐新世海侵结束后，残余海水在中新世形成泻湖，与陆源卤水相混合并沉积成盐。

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不同增温条件下松嫩草原狗尾草植硅体的形态特征研究

喻皓1 ，介冬梅2，姜洪涛1*，王海涛3，王楠4

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1075-1083.

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本文以中国吉林省长岭县为实验基地，运用开顶式气室法(OTC)对松嫩草原狗尾草进行增温种植实验，采用湿式灰化法提取其中的植硅体进行观察统计，以探讨松嫩草原狗尾草中植硅体的形态特征及其随模拟增温的变化规律，得到以下结果与结论：（1）松嫩草原狗尾草中的植硅体可分为哑铃、尖形、帽形、棒形及毛发形5个大类亚类，其中哑铃形植硅体百分比率最高，其次是尖形，其他类型则百分比率较少。（2）帽形、棒形毛发形植硅体的百分比率随着温度的升高而减少，哑铃形尖形植硅体的百分比率随温度升高而增加。（3）亚，随着温度的升高，狗尾草中植硅体形态趋于褶皱。（4）模拟增温促进了狗尾草中哑铃形植硅体的发育。

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三种用于透明质酸检测的融合蛋白的构建表达及检测效果比较

段宁骏^1,2，吕万胜^1,2，贡佳¹，郑伟娟^1,2*，华子春^1,2*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1084-1090.

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透明质酸是一种长链大分子糖胺聚糖，存在于各组织器官中，是细胞外基质的重要组成部分。透明质酸不仅能够与其他胞外多糖及蛋白构成骨架，参与组织器官的结构形成，也可以与细胞表面相关蛋白受体相互作用，通过相关信号通路影响细胞的生存、增殖以及迁移。研究证实，透明质酸与肿瘤细胞的生存、迁移，肿瘤血管发生等均有密切关系，组织中透明质酸含量的变化也与某些病理状况如慢性炎症相关。因此，细胞表面或组织中的透明质酸含量的定量检测，对于疾病的诊断及预后都具有重要意义。目前透明质酸的检测方法主要依靠抗体，通过酶联免疫检测体液中的透明质酸，而缺乏在细胞或组织水平上检测透明质酸的手段。本研究将三种人源的透明质酸结合蛋白（P32，CDC37以及RHAMM）与绿色荧光蛋白（EGFP）进行融合，在大肠杆菌中进行可溶性表达，经亲和纯化，获得了三种能够与透明质酸结合的蛋白探针。通过在溶液与细胞水平上比较与透明质酸结合的能力，从中筛选出了最适合用来进行透明质酸检测的荧光蛋白探针RHC-EGFP。

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小鼠心肌细胞共培养条件下成纤维细胞向心肌细胞转分化效率的实验研究

康志骞，刘畅，张洁，彭鲁英*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(5): 1091-1096.

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研究小鼠胚胎成纤维细胞与新生小鼠心肌细胞共培养、并过表达心肌特异性转录因子对小鼠胚胎成纤维细胞向心肌细胞转分化效率的影响.首先取出生48的新生小鼠的心肌细胞并进行培养，模拟新生状态下的心脏内环境.在这一基础上，将小鼠胚胎成纤维细胞与新生小鼠心肌细胞共培养，并使用相关转录因子过表达的策略，使用质粒载体在小鼠胚胎成纤维细胞中过表达GATA4, MEF2C, TBX5, HAND, NKX2.5.15后通过鉴定相关mRNA表达量，免疫荧光观察特定蛋白分布以及流式细胞仪分析，来评估转分化的效率.结果表明，在模拟新生心脏内环境以及过表达心肌相关转录因子的条件下，小鼠胚胎成纤维细胞向心肌细胞转分化的效率得到提高，但是经由转分化得到的心肌细胞的成熟程度依然不足.

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