传统的分子标记辅助育种技术只对含有大效应基因的性状有效,很难对受微效多基因控制的数量性状进行遗传改良。后来于2001年出现的全基因组选择技术利用高密度分子标记对个体的育种值进行估算,能获得很高的预测准确性,有效解决了微效多基因控制下的复杂性状改良的难题。该技术现已被美国、加拿大、澳大利亚、德国和法国等成功应用于奶牛、猪、羊、玉米、小麦等动植物数量性状的遗传改良,是对传统育种技术的重大革新,也是目前研究与应用的热点。综述了影响全基因组选择准确性的因素和该技术在国内外玉米、小麦、水稻和油菜育种研究中的进展,最后讨论了该技术在应用中存在的问题,以期为未来的作物全基因组选择育种提供参考。

褪黑素是动物体内一种重要的神经激素,其通过与褪黑素受体结合发挥多种生物学作用。旨在探究褪黑素受体Mel1b在皖西白鹅不同组织中的分布特点与表达水平。采集皖西白鹅的心脏、肝脏、脾脏、肺脏、肾脏、大脑、小脑、胰腺、胸肌、卵巢和分级卵泡,利用免疫组化和Real-time PCR技术检测各组织中Mel1b的分布特点及表达水平。结果表明:Mel1b在皖西白鹅的心、肝、脾、肺、肾、脑、胰腺、胸肌、卵巢及分级卵泡中广泛分布,且各组织间Mel1b基因和蛋白表达水平存在一定差异,卵巢中表达量最高,且随卵泡发育分级卵泡内表达量逐渐增加,其次是胰腺、脾、肾、肺,在脑、心、肝和胸肌中的表达量最少。可见,皖西白鹅各组织中均存在褪黑素受体Mel1b,且各组织间的表达量不同,结果为进一步探究褪黑素及其受体参与调控皖西白鹅机体内广泛的生物学作用奠定了理论基础。

大麦黄矮病毒引起的小麦黄矮病是我国小麦生产上重要的病毒病。BYDV GAV株系是我国小麦黄矮病的主要病原,目前有关BYDV GAV编码蛋白质P1、P2和CP的功能研究鲜有报道,因此,研究P1、P2和CP的功能,可为深入研究BYDV GAV的致病机制奠定基础。通过Mega 7.0构建系统进化树,对BYDV GAV株系编码蛋白质P1、P2和CP的核苷酸序列进行同源进化分析;通过构建P1、P2和CP的YFP表达载体,转化GV3101农杆菌后浸润本氏烟,激光共聚焦显微镜观察确定3个蛋白质的亚细胞定位;构建BYDV GAV 5个编码蛋白质的双分子荧光互补载体,转化GV3101农杆菌后分别与P1、P2和CP共浸润本氏烟叶片,通过激光共聚焦显微镜观察确定这3个蛋白质与其他病毒蛋白质的体内互作情况;通过构建P1、P2和CP的马铃薯X病毒(PVX)异源表达载体,转化GV3101农杆菌后接种本氏烟,接种后5 d观察症状形成,并采集系统叶进行病毒积累量检测,研究3个蛋白质对该病毒致病性的影响。结果表明,BYDVs的4种分离物中,PAV与GAV在核苷酸水平上的亲缘关系最近。BYDV GAV编码的P1、P2和CP蛋白亚细胞定位均为核质;在植物体内P1存在自身互作;PVXCP接种后5 d即可观察到系统叶褪绿并能够检测到病毒的积累,而PVX、PVXP1、PVXP2处理未能观察到症状且不能检测到病毒的积累;接种后10 dPVX、PVXP1和PVXP2处理能够检测到病毒的积累,表明CP促进了PVX症状的形成和致病进程。综上,P1可能通过自身互作参与病毒的侵染过程,CP可以促进病毒的侵染。

为研究ATP结合转运蛋白G亚家族蛋白11(ABCG11)在旱生经济灌木扁果枸杞中的功能,以扁果枸杞为试验材料,利用逆转录(RT-PCR)技术和RACE法克隆了扁果枸杞LbABCG11基因的cDNA序列,通过生物信息学分析该序列特征,并用实时荧光定量PCR 法(qRT-PCR)研究了 LbABCG11在盐处理、渗透胁迫和脱落酸(ABA)处理下不同器官的转录水平。结果表明,LbABCG11基因全长为2 971 bp,开放阅读框长2 130 bp,编码710个氨基酸,有6个跨膜区,预测蛋白质分子质量为79.39 ku,理论等电点8.42,脂肪指数为89.63,不稳定系数为35.52,平均亲水性为0.070,其编码蛋白质分子式为C₃₅₉₀H₅₅₇₇N₉₃₅O₁₀₂₇S₃₅,属于性质稳定的碱性疏水蛋白,含有核苷酸结合域(NBD)以及跨膜结构域(TMD),并以NBD-TMD的形式排列,是一种 WBC型(WBC)半分子转运蛋白。该蛋白质二级结构主要由α-螺旋及无规则卷曲组成,分别占45.21%和33.66%,与三级结构预测结果相符。系统进化树分析发现,LbABCG11蛋白与茄科番茄SlABCG11和辣椒CbABCG11的亲缘关系较近,与拟南芥AtABCG11、藜麦CqABCG11同源性较低。LbABCG11基因在叶、茎、根中均表达,其表达量受NaCl、渗透胁迫和ABA 诱导,表明LbABCG11参与旱生植物盐和干旱等多种胁迫的调控。

为了能够更加清晰地了解我国寒旱区冬油菜抗寒性研究进展,对寒旱区冬油菜育种与生产提供理论支撑。从选择指标与方法、遗传规律、选育方法、筛选效果、种质分类、分子机理研究等6个方面和选育方法、育成品种、品种的抗寒性分级和品种的适应性筛选等4个方面分别对冬油菜的抗寒性、抗寒性品种的研究进展进行了归纳总结。在分析研究存在的问题的基础上,提出了多途径创制种质资源、综合评价筛选出核心种质、开展抗寒机理研究和分子设计育种创新体系建设、构建育种体系多途径开展抗寒性品种选育、综合筛选提高品种的适应性、推行配套栽培技术促进品种产量水平的发挥提高效益等6项措施,以期促进我国寒旱区油菜的发展。

WRKY转录因子是植物中特有的转录因子家族之一,研究证实WRKY转录因子在植物的生长发育及对生物与非生物胁迫响应中具有重要的调控作用。为揭示番茄WRKY基因的功能,基于前期转录组数据,以番茄高抗青枯病Hm 2-2(R)与高感青枯病BY 1-2(S)2个自交系株系为试验材料,克隆得到1个番茄WRKY转录因子SlWRKY75基因(Solyc05g015850.3)。通过生物信息学分析、氨基酸序列多重比对、系统发育树构建、实时荧光定量PCR(qRT-PCR)和病毒诱导的基因沉默(VIGS)等技术方法对其基因及编码蛋白的结构、表达模式与功能进行分析。结果表明,该基因的cDNA全长为653 bp,其最大开放阅读框为519 bp,编码172个氨基酸,其蛋白相对分子量为19.878 51 ku,理论等电点为9.32,属于亲水性非分泌蛋白,且不存在跨膜结构,同时,该蛋白具有1个高度保守的WRKY结构域和一个CX₄CX₂₃HXH锌指基序,且同属于第Ⅱ类家族。系统发育树分析表明,SlWRKY75与潘那利番茄SpWRKY75亲缘关系最近,并与其他茄科聚为1组,而与橡胶树HbWRKY75、陆地棉GhWRKY75等的亲缘关系较远,在系统发育树上处于不同的分支。qRT-PCR结果表明,SlWRKY75基因的表达具有组织特异性,并可被青枯菌、水杨酸和茉莉酸所诱导。利用VIGS技术得出,沉默SlWRKY75降低了植株对青枯病的抗性,表明SlWRKY75正调控番茄对青枯病的抗性。通过以上研究结果得出,SlWRKY75基因在番茄调控青枯病抗性响应过程中扮演着重要的角色。

在葡萄生长发育过程中,常常面临干旱、盐、热及冷胁迫等非生物胁迫影响。其中,干旱胁迫是抑制葡萄营养生长与生殖生长最重要的非生物胁迫之一。尽管葡萄属于较为耐旱的果树作物,但我国主要葡萄栽培区域约一半地区属于干旱及半干旱气候,在这些地区干旱胁迫往往威胁到葡萄的正常生长,是制约葡萄产业发展的主要因素之一。为了保障我国葡萄的健康发展,目前,针对干旱胁迫对葡萄影响的研究、合理灌溉制度的制定、抗旱品种的选育已成为近年来的研究热点。介于干旱胁迫对葡萄较为广泛的影响,为了应对干旱胁迫,葡萄进化出了一系列调控机制来平衡干旱胁迫带来的影响,本研究首先从葡萄耗水规律分析了葡萄不同生育期对水分的需求程度,其次,分析干旱胁迫对光合作用、渗透调节、活性氧调节的影响,从生理角度探讨了干旱胁迫对葡萄主要理化指标的影响,且通过对干旱胁迫下对葡萄果实的品质与产量进行分析,综述了干旱胁迫对葡萄果实品质的影响,并对如何合理利用干旱胁迫提升葡萄品质等问题,以及进一步研究葡萄响应干旱胁迫的分子机制进行了展望。

通过探索河北山前平原区有机肥替代氮肥的配比,以期为该区小麦氮肥减量增效技术提供依据。在河北永年博远农场连续2 a进行大田试验,设置5个有机肥和无机肥组配处理。结果表明,有机肥替代20%和40%的化肥,可显著提高穗粒数和产量,较高氮处理和节氮处理产量提高4.0%以上,穗粒数增加3.6~5.6粒。籽粒品质指标大多为替代率20%和40%的处理和节氮处理较优,主要为稳定时间增加2.2~2.7 min,拉伸面积增大10.5~17.5 cm²,最大拉伸阻力增大28.0~75.5 EU。氮效率各项指标大多为替代率20%的处理较优,其中氮肥效率、氮素利用效率和氮收获指数较高氮处理分别提高109.3%,9.3%,11.3%,较节氮处理分别提高6.9%,8.5%,8.3%。有机肥不同比例替代化肥,0~20 cm土壤硝态氮均出现“表聚现象”,含量增加,较节氮处理高38.5%以上;20~40 cm土壤硝态氮则表现为节氮处理和高氮处理显著较高。20%有机肥替代氮肥小麦产量和品质俱佳,显著改善0~40 cm土壤硝态氮含量,提高小麦对氮素吸收利用,环境效益显著。

为了进一步明确结球甘蓝抗黑腐病性状的遗传基础,选育优质抗病品种,以结球甘蓝高抗黑腐病1号生理小种材料4674为父本,高感材料4673为母本,杂交获得F₁,F₁自交获得152个单株的F₂群体。采用苗期喷雾法对F₂群体进行接病,12~14 d后,按照甘蓝苗期鉴定方法对F₂群体进行表型鉴定。从404个分子标记中筛选得到175个多态性好且条带清晰的标记。随后,使用这175个分子标记对F₂群体进行基因型检测和遗传连锁图谱的构建。最后,结合抗病性表型鉴定数据和遗传图谱对甘蓝抗黑腐病性状的QTL进行标记定位。结果表明:有154对分子标记连锁到9条染色体上,其中包括110对InDel标记和44对SSR标记,覆盖长度714.29 cM,标记间平均图距4.64 cM。共定位到7个QTL位点,其中有3个为主效位点,分别是qBR-7-2、qBR-7-3和qBR-4-3,位于7号染色体的CG842110~CG842482及M29~M39标记间和4号染色体上的CD838151~BOE417,LOD值分别为5.75,3.20,3.47,可解释的表型贡献率分别为16.0%,9.2%,10.0%。

为了探究SSSL-B50和华粳籼74(HJX74)株高差异的原因,利用SSSL-B50与HJX74回交构建F₂群体进行株高性状遗传分析与基因定位。结果显示,F₁植株表现为高秆;260个单株组成的F₂群体株高出现分离,高秆植株与半矮秆植株分离比例符合3:1(χ²=0.18<3.84),说明SSSL-B50高秆性状为显性性状,受1对显性等位基因控制。利用IciMapping软件对F₂进行连锁分析,将SSSL-B50携带的高秆基因定位在1号染色体代换片段上的标记S18和X161之间38.38~39.07 Mb。候选基因筛选分析发现,定位区间内存在着“绿色革命”基因座位SD1。对展颖野生稻、SSSL-B50及HJX74进行SD1基因测序及序列比对,发现HJX74的CDS序列与展颖野生稻、SSSL-B50相比有280 bp的缺失,导致氨基酸编码提前终止。qRT-PCR结果表明,SD1表达量在SSSL-B50茎秆的第2,3,4节均显著高于HJX74。此外,与前人报道结果相比,展颖野生稻SD1基因编码的氨基酸序列发生了2处改变(E100G、Q339R)。研究结果弄清楚了展颖野生稻单片段代换系SSSL-B50高秆性状受SD1调控,同时从展颖野生稻鉴定到了SD1的新等位型SD1^Glu。

生长素响应因子(ARF)是一类具有B3结构域的转录因子,是调节生长素应答反应、控制基因表达的直接分子。前期通过分析转录组数据,在玉米中筛选到1个编码ARF蛋白并积极参与干旱-复水胁迫响应的基因ZmARF10。为进一步研究该基因调控玉米抗旱性的分子机制及抗旱分子育种提供新的思路,首先通过系列生物信息学分析软件对该基因进行生物信息学分析,之后利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测ZmARF10在玉米不同组织中的表达模式,分析在高温、干旱、高盐、ABA胁迫和解除胁迫处理下的表达情况,以及在不同玉米自交系间的表达差异,最后利用CRISPR/Cas9技术分析ZmARF10的功能。结果表明,ZmARF10位于玉米的第3号染色体,编码区全长2 127 bp,编码708个氨基酸,具有典型的B3结构域;该基因ATG上游2 kb区域内含有茉莉酸甲酯、生长素、脱落酸、低温响应等应答元件;系统发育树显示,ZmARF10基因编码的蛋白质与高粱同源蛋白的亲缘关系最近。qRT-PCR结果表明,ZmARF10是组成型表达基因,在玉米成熟根中的表达量最高;在高温、干旱、高盐以及ABA 等4种胁迫处理下,ZmARF10基因的表达量均显著上调,干旱胁迫后上调倍数最高达8.2倍;干旱胁迫后,ZmARF10基因在抗旱自交系郑36中的表达量上升幅度显著高于干旱敏感自交系B73。观察拟南芥野生型与ARF10缺失型突变体发现,与野生型相比,干旱条件下突变体植株出现叶片萎蔫甚至干死的现象,根系发生卷曲,根系分支数减少,侧根生长发育受阻;测定生理生化指标发现,干旱胁迫后缺失型突变体的相对含水量、叶绿素含量、净光合速率显著低于野生型植株,说明敲除ARF10基因后拟南芥抗旱能力下降。

为了探索DUF760基因家族在水稻生长发育中的潜在功能,对水稻DUF760基因家族进行了全基因组鉴定、分类、启动子序列分析和表达谱分析。通过生物信息学技术在水稻和拟南芥中分别鉴定了6,8个DUF760家族成员。系统进化树分析将这些家族成员分成2个亚家族,二者在蛋白保守基序和基因结构上也存在一些特征差别。水稻DUF760家族基因启动子区域存在多个响应逆境胁迫和植物激素的顺式作用元件,ABRE(脱落酸响应)元件存在于家族所有成员的启动子序列中,OsDUF760-1启动子区域拥有9个脱落酸(ABA)相关的响应元件。在ABA处理水稻后,OsDUF760-1的转录表达水平显著下调,而OsDUF760-3显著上调,二者在干旱胁迫处理水稻后的表达变化模式与ABA处理水稻后的表达变化模式一致,说明这2个基因可能通过ABA信号途径参与水稻干旱胁迫响应,并且扮演不同的角色。除对ABA和干旱胁迫处理具有较强响应外,水稻DUF760家族成员还对JA(茉莉素)、低温及稻瘟菌处理具有较强的响应表达变化。

花斑裸鲤是黄河上游重要的冷水性土著鱼类,其生长、发育缓慢,性成熟又较晚,故多年来其种群一直呈下降趋势。MSTN(肌肉生长抑制素)是一种对肌肉生长具有负调控作用的因子,通过克隆花斑裸鲤MSTN-1基因并检测其表达特性,为花斑裸鲤生长缓慢的分子调控机理提供基础资料。采用PCR、5'-RACE和3'-RACE法获得花斑裸鲤MSTN-1基因全长cDNA序列,采用qPCR检测MSTN-1基因在花斑裸鲤不同组织的表达特征和在不同鲤科鱼类肌肉组织中的差异性表达。花斑裸鲤MSTN-1基因的cDNA序列全长为2 190 bp,其中ORF长1 128 bp,5'UTR长96 bp,3'UTR长966 bp,共编码375个氨基酸。该蛋白是带有一个信号肽、无跨膜结构的不稳定亲水性分泌蛋白,主要分布在细胞核、线粒体和细胞质中。MSTN-1蛋白质二级结构以无规卷曲为主,存在2个TGF-β结构域:即TGF-β前肽区域(37—268 aa)和TGF-β功能区域(281—375 aa),有1个蛋白酶水解位点RIRR和9个位于TGF-β功能区域保守的半胱氨酸残基。氨基酸序列同源性分析表明,花斑裸鲤MSTN-1氨基酸序列与其他鲤科鱼类MSTN-1具有较高的相似性,而与禽类和哺乳动物的相似性较低。系统发育分析显示,花斑裸鲤MSTN-1与其他鲤科鱼类聚于同一进化支。qPCR检测结果表明,MSTN-1在花斑裸鲤的脑、肌肉、鳃、心、肝脏和肾脏组织中均有表达,但在脑和肌肉组织中表达量较高。该基因在不同鲤科鱼类肌肉组织中均有表达,在青海湖裸鲤肌肉组织中的表达量最高,其次在花斑裸鲤和黄河鲤鱼肌肉组织中。通过克隆获得花斑裸鲤MSTN-1基因cDNA序列,进行生物信息学分析和qPCR检测,MSTN-1在这几种土著鱼类肌肉组织中的特征性表达差异有助于进一步了解高原鱼类生长缓慢的分子机理。

为了研究本氏烟草NbEHD1基因的生物学功能,采用生物信息学方法对其基因结构、蛋白保守结构域、磷酸化位点、亚细胞定位及进化关系等多个方面进行预测。结果表明,本氏烟草NbEHD1编码序列全长1 638 bp,其基因组序列包含16个外显子和15个内含子。NbEHD1蛋白大概率定位于细胞质中,无信号肽,无跨膜区,蛋白序列有42个磷酸化位点。NbEHD1属于P-loop_NTPase超家族,具有EHD家族特有保守结构域。系统进化关系结果表明,本氏烟草NbEHD1与马铃薯、番茄的EHD序列亲缘关系较近。经与SGN数据库中本氏烟草测序数据比对,获得NbEHD1预测的全序列并设计基因特异性引物,扩增得到其序列全长。在获得NbEHD1 CRISPR/Cas9基因编辑载体后,采用农杆菌介导的方法,将此载体成功转化到本氏烟草叶片,经鉴定成功获得T₀阳性植株16株,为进一步确定NbEHD1基因的生物学功能提供了研究材料。

高转录活性籽粒特异性启动子可调控目的基因在植物籽粒中特异性、高水平表达。为发掘玉米籽粒特异性启动子,以公开发表的玉米表达谱芯片数据为切入点,筛选出籽粒优势表达基因GRMZM2G006585,克隆其编码区上游约2 000 bp的DNA序列,命名为PZm2G006585。利用在线网站New PLACE和PlantCARE对其进行启动子顺式作用元件分析,发现其含有E-box、P-box等多个籽粒特异性相关元件,初步认为所克隆编码区上游序列为玉米来源的籽粒特异性启动子。为验证其功能,构建该启动子驱动β-葡萄糖苷酸酶基因(GUS)的表达载体并进行植物遗传转化。转基因水稻的GUS组织化学染色结果表明,该启动子驱动外源基因表达模式为籽粒特异、胚优势表达;转基因拟南芥单拷贝株系T₃种子中GUS活性检测结果显示,PZm2G006585驱动的GUS活性为909.52 nmol/(min·mg)。籽粒特异性启动子PZm2G006585的发掘和功能验证为驱动目标基因在玉米、水稻等单子叶植物籽粒中特异性表达提供了候选启动子资源。

为了研究玉米茎秆性状与茎秆弹性和耐密性形成的相关性,进一步揭示植株抗倒伏机理,选用6个抗倒性不同的玉米品种为材料,设置了6.0万,7.5万,9.0万株/hm² 共3个种植密度,以田间茎秆拉倒角度为弹性评价指标,与植株和基部节间的形态特征,节间的解剖结构、物质积累量和力学特征进行相关性分析。结果表明,玉米株高、穗位高、基部节间长、粗、表皮厚度、硬皮组织厚度、维管束总数、小维管束鞘面积、单位长度鲜质量、干质量和各组分含量、穿刺和压折强度对茎秆拉倒角度有显著或极显著的影响,其中节间粗(r=0.521^**)和单位长度干质量(r=0.562^**)的影响最大。种植密度越大,节间粗、硬皮组织厚度、维管束总数、单位长度鲜质量、干质量、各组分含量、穿刺和压折强度越小或越少,茎秆的弹性越差,抗倒性越弱。不同品种间的茎秆性状存在显著差异,粒收1、创玉107、京农科728和MC278与弹性相关的性状优于其他品种,且随着密度的增大变幅较小,故茎秆弹性和耐密性较强。节间粗和单位长度干质量等性状对拉倒角度即有显著影响,增密后这些性状的变幅决定了茎秆的耐密性。

为了探究水稻油菜素内酯不敏感1相关受体激酶1前体物质OsBAK1P对水稻相关农艺性状的影响。通过以中花11粳稻品种为材料,根据基因所设计的特异性引物从水稻穗部cDNA中扩增得到CDS片段大小为651 bp的目的序列片段;通过酶切酶连的方法成功构建了PTCK303-OsBAK1P过表达载体和PTCK303-OsBAK1P RNA干扰载体;用农杆菌EHA105菌株转化表达正确的载体质粒并利用基因CDS扩增引物检测菌落筛选出阳性农杆菌克隆;再利用农杆菌遗传转化法侵染中花11粳稻品种的愈伤组织从而获得转基因植株;最后,相比较于中花11挑选2个表型相似的过表达、RNA干扰的T₁转基因植株测定并分析株高、穗长、叶夹角等农艺性状的变化和萌发初期的根长、胚芽鞘长度的变化以及对芸苔甾内酯(BL)的响应程度。结果表明,OE-OsBAK1P转基因水稻植株株高矮化,穗长变短,叶片夹角下降,种子萌发后根长增长而幼苗长度缩短,叶片对BL的响应不敏感;而RNAi-OsBAK1P转基因水稻植株株高增加,穗长变长,叶片夹角增加,种子萌发后根长缩短而幼苗长度增长,叶片对BL的响应敏感。综上,这些结果为改变水稻植株结构进而增加籽粒产量提供理论支持并可能为后续研究OsBAK1和前体物质OsBAK1P的其他功能提供参考。

研究不同有机肥施用量下土壤真菌群落构成、多样性及功能特性,旨在为合理增施有机肥和保障玉米田土壤生态健康发展提供理论依据。采用大田施肥试验,共设置4个处理,使用高通量测序和FUNGuild对不同施肥量下土壤真菌多样性、结构及功能群进行分析。结果表明:增施有机肥能够提高土壤有机质、速效磷、速效钾、脲酶、过氧化氢酶等的含量,且与有机肥的施用量呈正相关;施用有机肥能够提高土壤真菌群落的多样性,降低真菌群落丰富度;从真菌门水平看,不同施肥量下土壤中真菌群落占主导地位的为子囊菌门、毛霉菌门、担子菌门和卵菌门,与不施有机肥的对照相比增施中量牛粪处理下子囊菌门和担子菌门的相对丰度明显较高;从真菌属水平看,优势属包括镰刀菌属、腐质霉属、油壶菌属和小粉孢属。增施有机肥提高了共生营养型和腐生营养型的相对丰度,且随着增施有机肥量的增加,病理营养型的丰度呈现递减的趋势;增施有机肥的处理木质腐生真菌数量明显高于不施有机肥的处理,而植物病原菌和动物病原菌的数量均低于对照,因此,认为增施一定量的有机肥能够优化土壤微生物环境,利于玉米植株产量的提高。

JAZ蛋白在植物生长发育和胁迫信号通路中具有关键作用。为探究JAZ蛋白在小麦倒春寒中的调控机制,从小麦幼穗中克隆了 TaJAZ6基因,并对其分子特征、表达特性与亚细胞定位进行分析。结果表明,该基因CDS 序列全长为549 bp,编码178个氨基酸,预测编码蛋白质的分子质量为 18.376 ku,理论等电点为 9.37,不稳定系数为62.44,属于不稳定蛋白。该基因编码蛋白质具有1个 TIFY 结构域和1个CCT_2结构域。系统进化树分析发现,该蛋白质与野生二粒小麦和乌拉尔图小麦TIFY 11b蛋白亲缘关系最近。TaJAZ6基因启动子区除含有CAAT-box、TATA-box等基础作用元件外,还含有激素类响应元件、光响应元件、低温响应元件、防御和应激反应元件等。实时荧光定量PCR分析发现,TaJAZ6 基因在根、茎、叶和幼穗中均有表达,根系中表达量最高。TaJAZ6 基因还受低温和茉莉酸甲酯( MeJA) 的诱导表达,低温胁迫下,TaJAZ6在矮抗58(耐倒春寒)和郑麦366(倒春寒敏感)根、茎和叶中表达趋势相同,均显著升高;喷施300,350 μmol/L的MeJA之后再低温处理TaJAZ6在2个小麦品种中表达量均显著下降。TaJAZ6在低温胁迫后的幼穗中表达量出现相反的趋势,在矮抗58幼穗中表达量显著下降,在郑麦366幼穗中则显著上升,推测该基因可能负调控了小麦倒春寒胁迫防御反应。通过喷施MeJA显著降低了低温胁迫下2个小麦品种幼穗中TaJAZ6基因的相对表达量,同时提高了小麦的结实粒数。亚细胞定位试验显示,TaJAZ6 蛋白定位于细胞核中。以上研究结果表明,TaJAZ6 可能在小麦响应倒春寒胁迫过程中发挥重要作用。

SAUR基因的生物信息学分析旨在揭示其结构、功能和进化关系,同时通过亚细胞定位,了解其在细胞中的位置,从而推断其生物学功能。这样分析有助于深入理解该基因在生物体内的作用机制和潜在应用,为调控防风种子萌发,缩短种子休眠时间和防风绿色栽培种植及育种提供重要理论和实践意义。研究进行了生物信息学分析,从防风克隆到2个基因SdSAUR32和SdSAUR23,分析这2个基因在防风种子不同休眠阶段的表现和亚细胞定位,以探究其生物学特征和功能。结果表明,SdSAUR32蛋白分子质量约为14.48 ku(pI为6.45),SdSAUR23蛋白分子质量约为10.29 ku(pI为8.00),均为亲水性蛋白;分析保守结构域的SdSAURs基因编码蛋白发现,SdSAUR32 和 SdSAUR23 的保守结构域相同,都属于由生长素诱导的超家族成员;进化分析表明,SdSAUR32和SdSAUR23基因编码蛋白均与胡萝卜的亲缘关系最近。亚细胞定位结果表明,防风SdSAUR32和SdSAUR23均定位于细胞核;防风种子的不同时期都有SdSAUR32和SdSAUR23的表达,但芽期的表达量显著高于休眠期和解除眠期,因此,推测SdSAUR32和SdSAUR23 可能在萌发和生长过程中起着重要作用。

为明确灌浆期高温胁迫对不同耐热型夏玉米品种叶片衰老及产量的影响,以高温敏感型品种先玉335和耐高温型品种郑单958为供试材料,于2019-2020年进行田间试验,在玉米吐丝后12~25 d搭设简易塑料增温棚进行高温胁迫处理,对照为田间自然温度处理,研究灌浆期高温对玉米叶片衰老与产量的影响。2 a结果表明,吐丝后12~25 d高温胁迫显著降低了夏玉米千粒质量和产量,其中高温处理下郑单958产量较对照降低18.8%,19.3%,千粒质量较对照降低23.4%,9.1%;高温处理下先玉335产量较对照降低29.4%,26.3%,千粒质量较对照降低20.1%,14.2%。灌浆期高温促进叶片衰老,2 a结果表明,郑单958叶片衰老速率在高温处理下显著增加76.4%,140.6%,先玉335增加135.1%,139.6%。高温处理下两品种的花后光合势较对照降低17.7%~36.5%,穗位叶光合速率降低20.0%~42.9%。相关分析结果表明,高温处理显著增加了夏玉米的叶片衰老速率,与产量呈负相关但不显著(P= 0.064 7);花后光合势、光合速率、SPAD值显著降低,与产量呈显著正相关(P< 0.05)。灌浆期高温胁迫显著加速玉米叶片衰老,导致玉米粒质量降低并减产,而耐高温型玉米品种比高温敏感型玉米品种具有更高的调节能力,能减轻高温胁迫导致的玉米减产。

氮素是植物生长发育的必需元素,是陆地生态系统初级生产力的主要限制因子,对植物生长发育有重要意义。菌根真菌与植物形成共生关系,促进植物从土壤中吸收氮素,减少氮素对植物生长的限制,增强土壤-菌根真菌-植物三者之间的氮素交流,在氮循环中起重要作用。从菌根真菌对不同形态氮素的利用、菌根真菌影响植物氮代谢、菌根真菌对土壤氮循环的生态学意义等方面进行了综述。基于当前菌根真菌对植物氮素利用影响的研究现状,建议结合基因组学、转录组学、蛋白组学及环境基因组学技术,重点研究菌根真菌—植物共生体的氮转运机制,解析菌根真菌—植物—土壤间氮素交流的主要路径及基因互作网络,以期促进植物氮素利用率,减少氮肥的施用,促进农业可持续发展。

为了明确大豆中4个参与豆科植物由根瘤菌侵染到根瘤形成和固氮的所有生物过程,并整合结瘤和结瘤自调控信号动态控制根瘤数目的核心转录因子(NIN)基因异同及其在植物生长过程中的作用,利用生物信息学的方法,对大豆4个GmNINs基因进行了系统进化、蛋白序列分析及基因序列和启动子分析,并利用Real-time PCR进行了组织表达模式验证。结果表明,大豆中4个GmNINs蛋白均属于豆类植物中特异的NIN蛋白家族,定位在细胞核,序列相似,且均具有多个磷酸化位点,蛋白核心三级结构类似而在转角处有较大区别。以上结果说明,大豆4个GmNINs蛋白可能在核心功能上是冗余的,而又在具体的表达模式上具有差异性。对GmNINs基因ATG上游-3 kb启动子序列分析表明,GmNINs启动子序列中除NBS、CYC元件外,还含有如ABRE、DRE1等多种与逆境和激素响应相关的元件。转录组分析及Real-time PCR结果显示,4个GmNINs基因均在根瘤中高表达,并受到高氮环境抑制;均可不同程度的响应高盐与干旱胁迫,其中GmNIN2a与GmNIN2b在响应非生物胁迫上较GmNIN1a与GmNIN1b更加敏感与显著,可能在植物响应非生物胁迫的过程中发挥着重要作用。综上所述,结果揭示了GmNINs除了调控大豆结瘤及根瘤数目外,还参与了大豆根系响应非生物胁迫的过程,这一调节机制的发现为选育优质高产大豆新品种提供关键线索。

为了探究高温胁迫诱导水稻活性氧(ROS)产生的基因表达调控机制,在幼苗期、抽穗期和灌浆期设置高温胁迫,分析水稻ROS积累的动态变化,并采用实时荧光定量PCR技术分析不同生育期高温胁迫下水稻中9个NADPH氧化酶(Rboh)编码基因成员(OsRboh1~OsRboh9)的基因表达模式。结果表明:随着高温胁迫时间的延长,水稻叶片和籽粒内ROS积累呈显著增加趋势。幼苗期高温胁迫7 d后水稻叶片ROS含量增加缓慢;抽穗期间和灌浆初期(1~10 d)高温胁迫导致水稻籽粒ROS含量持续增加。幼苗期和抽穗期高温胁迫下,9个Rboh家族基因的表达量随高温胁迫的持续逐渐升高,基因表达量较高的是OsRboh7和OsRboh5。灌浆期高温胁迫下,OsRboh1、OsRboh5和OsRboh9的基因表达量持续增加,其他基因呈先增加后下降的变化趋势。水稻OsRboh基因家族成员中以OsRboh7和OsRboh5在幼苗期、抽穗期和灌浆初期高温胁迫下的表达量较高。此外,OsRboh7和OsRboh5在水稻幼苗叶片、剑叶、小花、外稃、内稃、雄蕊、雌蕊和籽粒等组织器官中具有较高的表达量。高温胁迫对幼苗叶片、小花、雄蕊、雌蕊和籽粒中OsRboh7和OsRboh5的基因表达量诱导幅度较大。综上所述,水稻OsRboh基因家族成员以OsRboh7和OsRboh5对不同生育期高温胁迫的响应最为明显,在高温胁迫诱导水稻ROS生成的代谢通路中发挥关键作用。

为明确河套灌区麦后复种油菜绿肥适宜播种时期,分别于2019年在内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗和2022年在鄂尔多斯市达拉特旗开展田间试验。杭锦后旗试验点从2019年7月26日-8月15日共设置5个播期,每隔5 d设置1个播期处理,分别于7月26日、7月31日、8月5日、8月10日和8月15日播种;同样达拉特旗试验点从2022年7月22日-8月11日共设置5个播期,每隔5 d设置1个播期处理,以此研究不同播期对油菜绿肥生物量、养分含量及养分积累量的影响。结果表明,两试验点虽然生物量水平和气候条件有所差异,但整体趋势均表现为随着播期的推迟而下降;与第Ⅰ期播种相比,第Ⅴ期播种油菜生物量分别下降90.3%和75.4%,两点生育期内油菜平均活动积温、有效积温和日照时数分别下降469.9 ℃、409.9 ℃和179.1 h。同时于第Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ期播种时,与施肥投入养分量(N 27.3 kg/hm²、P₂O₅ 34.5 kg/hm²)相比,油菜翻压还田养分量均高于投入量,且碳和钾还田量至少达到1 800,200 kg/hm²。因此,综合考虑油菜绿肥生物量以及还田养分量,河套灌区小麦收获后油菜可以适时早播,充分利用光温资源,促进油菜生长和养分积累。为达到5 t/hm²以上油菜还田量及获得更高的养分还田量,油菜生育期内应至少接受活动积温1 300 ℃、有效积温1 100 ℃以及有效日照时数640 h。

蔗糖作为光合作用的主要产物之一,在植物体内有着多种多样的生理功能。而蔗糖合酶作为糖基转移酶家族的一类,在蔗糖代谢过程中起着重要的作用。在植物体内,蔗糖合酶可逆的催化蔗糖与二磷酸核苷(NDP)分解生成二磷酸核苷葡萄糖(NDPG)和果糖,该反应是糖代谢过程中最重要的限速步骤。蔗糖合酶在植物体内以基因家族的形式存在,系统发育显示,蔗糖合酶存在3个亚族,且不同亚族存在不同的表达模式。近些年来的研究表明,蔗糖合酶在植物体内主要有几大生理功能,如参与大分子糖类的合成、逆境响应、参与生殖生长、调控果实品质等。综述了蔗糖合酶近些年来的研究进展,并对未来研究方向进行展望以期为后面的研究做出参考。

为探究甘蔗 PROTEOLYSIS 1(PRT1)基因与黑穗病菌的互作关系,以甘蔗割手密种和栽培品种为研究对象,通过RT-PCR技术对ScPRT1 (GenBank 登录号:MT747433)基因进行克隆,生物信息学分析、定量PCR、亚细胞定位和基因共表达网络分析。生物信息学分析表明,该基因的cDNA全长为1 621 bp,包含一个长度为1 260 bp,编码419个氨基酸的完整开放读码框;其编码蛋白的分子量为46.56 ku,为酸性、不稳定的亲水蛋白,无信号肽,具有核定位信号;该蛋白包含2个RING结构域和1个ZZ结构域;ScPRT1蛋白的高级结构元件多为无规则卷曲。定量PCR 结果显示,ScPRT1在皮、叶片、芽中的表达量相差不大,在蔗髓中表达量最高。同时该基因的表达受脱落酸胁迫后显著上调;受黑穗病菌胁迫后,在甘蔗抗黑穗病品种中上调表达,在感黑穗病品种中下调表达,都达到了显著水平。亚细胞定位结果揭示,ScPRT1定位于细胞核。寄主甘蔗和病原黑穗病菌的基因共表达网络中,与甘蔗ScPRT1共表达的黑穗病菌基因中,有3个为N端具有芳香族氨基酸残基的黑穗病菌效应蛋白,这暗示它们之间存在直接的相互作用。以上结果表明,ScPRT1在甘蔗激素信号传导以及响应黑穗病菌侵染过程中发挥重要作用。

为了明晰球茎甘蓝MYB62转录因子的序列特征及其在逆境胁迫后的表达特征,进一步探索球茎甘蓝MYB62转录因子的生物学功能,为后续MYB62转录因子功能鉴定提供理论依据,以球茎甘蓝为研究对象,采用同源克隆的方法获得球茎甘蓝MYB62转录因子基因,并对其进行生物信息学分析,通过实时荧光定量PCR的方法分析MYB62在球茎甘蓝不同组织间以及逆境胁迫后的表达特征。基因克隆结果表明,BocMYB62基因gDNA全长1 353 bp,CDS为837 bp,包括4个外显子和3个内含子,编码278个氨基酸。序列结构分析结果显示,BocMYB62为亲水性蛋白,具有2个SANT-MYB结构域,属于R2R3-MYB型MYB转录因子;空间结构预测显示其具有典型的α-螺旋结构;系统发育分析表明,BocMYB62与甘蓝型油菜MYB62亲缘关系最近。时空表达结果显示,BocMYB62在绿色球茎甘蓝中的表达量始终高于在紫色球茎甘蓝中,且存在明显的组织特异性,在干旱胁迫后BocMYB62表达量显著升高,胁迫12 h表达量最高,低温胁迫后BocMYB62表达量显著低于对照,在4 ℃低温胁迫时表达量最低,推断BocMYB62可能参与花青素生物合成调控,并可能参与逆境胁迫的调控作用。

为了探讨干旱和品种对小麦灌浆期旗叶下午净光合速率(Pn)、光合关键酶活性和产量的影响,2019—2021年度在池栽全生育期遮雨条件下设置包括重度(W1)、中度(W2)、轻度(W3)干旱和适墒(W4)的4个水分处理,在灌浆前期、中期的14:00—16:00测定了强抗旱性品种晋麦47(JM47)和弱抗旱性品种偃展4110(YZ4110)的旗叶Pn、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)、Rubisco活化酶(RCA)、ATP合成酶(ATPase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)活性以及成熟期的产量。结果表明,干旱使小麦灌浆期旗叶下午Pn、多数光合酶活性以及产量降低,总体表现为干旱胁迫程度越大,上述指标的降幅也越大,但其影响效应存在品种和年际差异。W1、W2和W3与W4相比,旗叶下午Pn,JM47分别降低33.6%~40.6%,12.0%~30.5%和5.0%~13.5%,YZ4110分别降低44.0%~52.0%,22.5%~38.1%和11.5%~20.5%;旗叶下午Rubisco活性,JM47灌浆前期降低、灌浆中期增加,而YZ4110分别降低13.3%~25.6%,7.1%~14.0%和11.2%~11.6%;旗叶下午RCA活性,灌浆前期多显著降低,灌浆中期JM47在W2和W3下增加,而 YZ4110在W1和W2下降低;旗叶下午ATPase活性,JM47在W1下降低、W3下提高,而YZ4110分别降低19.3%~48.7%,7.2%~24.2%和0.1%~8.9%。不同水分处理的旗叶下午PEPC活性因生长季和品种而异,但W1与W4相比,JM47和YZ4110的旗叶下午PPDK活性分别降低12.4%~18.8%和16.7%~18.2%。与YZ4110相比,JM47旗叶下午Pn和光合酶活性在适墒下多无显著差异,但干旱下多表现为升高。相关性分析结果表明,产量、旗叶下午Pn与灌浆期旗叶下午ATPase活性和灌浆前期旗叶下午PEPC活性呈极显著正相关,因而在灌浆期下午保持较高的旗叶ATPase和PEPC活性有利于提高小麦旗叶下午Pn和籽粒产量。

利用蛋白质组学的方法对娟犏牛奶与牦牛奶乳清和乳脂球膜(MFGM)相同蛋白进行分析,而娟犏牛产奶量高于牦牛,若娟犏牛奶的功能与牦牛奶相近,将提高当地牧民的经济水平。通过离心法分离乳清与乳脂,分别提取蛋白;通过串联质量标签(TMT)技术,进行蛋白质定性与定量分析得到相同蛋白;对相同蛋白进行GO功能注释、KEGG代谢通路、蛋白互作等生物信息学分析。结果表明,利用标记定量蛋白质组学技术在娟犏牛奶与牦牛奶中共鉴定到651种乳清蛋白和990种MFGM蛋白,筛选出298种乳清相同蛋白,283种MFGM相同蛋白。GO注释分析发现,鉴定的娟犏牛奶与牦牛奶乳清相同蛋白主要参与的生物过程是内肽酶活性的负调控、免疫应答和免疫球蛋白产生,MFGM相同蛋白参与的生物过程主要是内肽酶活性的负调控和补体激活,经典途径乳清与MFGM相同蛋白定位的细胞成分主要是胞外间隙和胞外区,参与的分子功能主要是三磷酸鸟苷(GTP)酶活性、GTP结合。KEGG富集分析发现,娟犏牛奶与牦牛奶乳清与MFGM相同蛋白主要富集的途径包括补体和凝血级联反应、吞噬体和内质网中的蛋白加工。娟犏牛奶和牦牛奶中丰度较高的蛋白显示出其在免疫和促进营养吸收等方面表现优异,然而,娟犏牛产奶量高于牦牛,这将增加当地牧民的经济收入,也为人们提供更多有价值的高原奶制品。

探明秸秆深翻还田年限对西辽河平原连作玉米田土壤细菌群落的影响,为持续秸秆还田培肥地力提供理论指导。以玉米秸秆离田为对照(CK),基于细菌16S rDNA V3~V4区高通量测序技术,结合生物信息学,分析持续秸秆还田2(SR2),5(SR5),10 a(SR10)玉米田0~20 cm和20~40 cm 2个土层有机质、氮素养分、土壤细菌群落结构及多样性变化特征。结果表明,SR2土壤有机质和氮素养分含量与CK差异不显著,而SR5和SR10显著提高土壤有机质和氮素养分含量;不同秸秆还田年限下,土壤细菌多样性存在差异且都有独有的OTU,其中SR10 OTU数目最多;Alpha多样性指数表明,土壤细菌群落的相对丰度和多样性2个土层均为SR2与CK差异不显著,SR5和SR10显著增加,且SR10与CK差异最大;在门水平上共获得51个细菌类群,相对丰度>5%的细菌门包括放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、泉古菌门、绿弯菌门,且变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门的相对丰度随还田年限的增加而提升。RDA聚类分析表明,土壤细菌群落结构0~20 cm土层SR2与CK相似,SR5与SR10群落较为相似;20~40 cm土层,不同秸秆还田年限各处理均与CK存在差异,SR2与SR5群落结构相似,SR10与SR5、SR2群落结构差异均较大。土壤硝态氮、铵态氮、有机质和全氮含量对细菌菌群均有影响,表现为土壤硝态氮>铵态氮>有机质>全氮。持续秸秆还田2 a的土壤有机质和氮素养分含量与CK相比差异不显著,持续秸秆还田5,10 a显著提高。综上,细菌微生物多样性和丰富度在持续秸秆还田2 a 0~20 cm和20~40 cm土层均变化甚微,持续秸秆还田5,10 a后 2个土层均显著增加;细菌群落结构0~20 cm土层持续秸秆还田2 a与CK相似,20~40 cm土层持续秸秆还田2,5,10 a均改变了细菌菌群结构。

植物NADPH氧化酶Rbohs是活性氧(ROS)的主要来源,参与植物的生长、发育、抗逆和植物-微生物的互作等多种生理过程。为探索Rbohs在共生固氮中的功能和作用机制,克隆了1个大豆Rbohs基因家族成员GmRbohL,利用分子生物学、细胞生物学和遗传学等方法,分别对基因的表达模式、蛋白质的亚细胞定位及基因的功能进行了研究。结果显示:GmRbohL基因受根瘤菌诱导,在大豆根和根瘤中特异性高表达。亚细胞定位分析发现,该基因编码蛋白GmRbohL是一种膜蛋白。构建了GmRbohL的植物基因沉默(RNAi)载体,利用发根农杆菌K599介导的大豆毛根转化法,得到转基因毛状根。GmRbohL的基因沉默导致转基因毛状根的根瘤数量明显减少,ROS的产生也受到了抑制。根瘤器官发生阶段根瘤菌的侵染事件明显减少,结瘤标志基因的表达水平也随GmRbohL表达量的降低而降低。根瘤组织切片显示,GmRbohL的基因沉默显著减少了根瘤侵染区共生体的数量,根瘤的固氮酶活性也相应降低。以上数据表明,GmRbohL的基因沉默降低了ROS的产生水平,显著抑制了大豆的共生结瘤过程。推测GmRbohL可能在大豆根瘤的器官发生以及固氮功能调控方面发挥重要的正调控作用。

鉴定陆地棉 SKS 基因家族成员,解析其演化规律,为棉花抗性育种提供新的候选基因。基于已公布的陆地棉遗传标准系TM-1基因组数据,以陆地棉品种中棉-14为试验材料。通过生物信息学对陆地棉SKS家族成员进行全基因组鉴定,并对其家族成员的染色体分布、进化关系、基因结构、共线性关系等进行预测分析。通过实时荧光定量聚合酶链式反应分析GhSKS13的表达模式,并利用病毒诱导的基因沉默技术初步探究陆地棉SKS13在棉花抵御大丽轮枝菌过程中的功能。共鉴定到48个陆地棉SKS基因,不均匀分布于陆地棉19条染色体上,聚类分析分为5个亚组,基因序列具有较高保守性,共线性关系分析显示,陆地棉SKS基因家族受到纯化选择。组织模式表达分析显示,GhSKS13在陆地棉根组织中优势表达,并且受大丽轮枝菌诱导显著上调表达。 GhSKS13沉默植株对大丽轮枝菌抗性减弱,同时抑制病程相关基因GhPR1、GhPR2、GhPR3和GhPR5表达。大丽轮枝菌入侵GhSKS13沉默植株,其过氧化氢(H₂O₂)沉积明显低于对照,暗示GhSKS13促进活性氧(ROS)的形成。总之,明确了陆地棉SKS家族成员的系统进化关系、染色体分布特征和基因结构特征;并阐明了GhSKS13参与棉花对大丽轮枝菌抗性反应。

为了揭示南方根结线虫MiPDCD6蛋白抑制番茄PTI免疫的分子机理,以番茄品种新金丰1号 MiPDCD6超表达苗为试验材料,以番茄品种新金丰1号组培苗为对照,通过转录组测序技术分别对番茄MiPDCD6超表达苗和对照苗进行转录组测序。 以番茄栽培品种Heinz 1706基因组作为参考基因组进行对比,利用FPKM法计算基因表达量,设定参数(|log₂ FC|>1且P<0.05)筛选差异表达基因。利用Gene Ontology(GO)数据库进行差异表达基因GO功能富集分析,统计每个GO term中的差异表达基因数目,计算出基因富集的显著性,找出富集显著的功能条目。利用KEGG数据库对差异表达基因进行Pathway富集分析,超几何分布检验方法计算每个Pathway中差异表达基因富集的显著性。以FDR和基因数量来衡量KEGG的富集程度。结合基因差异表达分析和功能富集分析,研究MiPDCD6蛋白对番茄PTI免疫相关通路基因的影响。结果发现:在超表达MiPDCD6番茄植株中,与野生型番茄相比,MiPDCD6过表达番茄植株中有2 366个差异表达基因(DEGs),其中1 354个上调基因,1 012个下调基因。 这些DEGs中,通过GO和KEGG注释,植物激素信号转导(sly04075)、植物-病原互作(sly04626)、植物MAPK信号通路(sly04016)和丙环素生物合成(sly00940)等KEGG通路中富集到大量的差异表达基因。SA生物合成途径包括ICS和PAL,MiPDCD6过表达番茄植株中SA合成通路PAL1和PAL-like基因以及SA信号转导途径TGA9、TGA10-like和PR1a2基因均显著下调,表明MiPDCD6基因可能抑制SA合成,从而抑制植物PTI免疫。

有机肥部分替代氮肥是实现作物可持续发展的途径之一,探索了小麦有机氮部分替代化肥氮的适宜配比,以及替代后氮素累积、运转以及利用的特征,以期为河北地区冬小麦氮肥减量增效技术提供依据。2021—2023年在河北宁晋进行小麦大田试验,设置9个处理。T1,无氮,单施化肥磷钾肥;T2,高效施肥,单施化学氮磷钾肥;T3~T7,有机肥分别替代T2的20%,40%,60%,80%,100%的氮肥;T8,传统施肥,单施化学氮磷钾肥;T9,有机肥替代T2 100%的氮肥+液态氮肥。2 a试验结果表明,100%替代率+液态氮处理可获得较高的小麦产量;其次是40%替代率处理,其产量与高效施肥处理相当,且试验第2年远高于传统施肥处理。100%替代率+液态氮处理通过起身期补充速效氮,提高了茎叶中氮素含量,植株氮素累积量与高效施肥和传统施肥处理相当;40%,80%替代率处理同样获得与高效施肥处理相当的氮素累积量。20%~100%替代率处理(包括液态氮处理)可以实现较高的茎叶氮素运转率和对籽粒氮的贡献率,其中100%替代率+液态氮处理肥料氮吸收利用效果好,获得了较高的肥料氮累积量、氮肥利用率和氮收获指数,其效果与高效施肥处理相当或略高;其次是40%替代率处理,其效果与高效施肥处理相当或略低。综上,100%替代率+液态氮处理小麦产量、植株氮素累积量、氮素运转率、籽粒氮素累积量及氮效率俱佳,其次是40%替代率处理。

为探究南方长期不同施肥对双季玉米土壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影响,依托江西进贤35 a旱地红壤长期定位试验,选取不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、化肥和新鲜猪粪配施(NPKM)、单施新鲜猪粪(OM)4个处理,测定双季玉米成熟期0~20 cm,20~40 cm土层土壤养分、微生物生物量碳、氮和酶活性并分析了微生物生物量碳、氮和酶活性与土壤养分的相关性。结果表明,长期施肥(NPK、NPKM和OM)显著提高土壤微生物生物量碳、氮和酶活性,春玉米时期,0~40 cm土层各施肥处理土壤微生物生物量碳、氮含量较CK分别提升了67.05%~159.15%,3.33%~62.37%;过氧化氢酶、磷酸单脂酶、脲酶和蔗糖酶活性分别提高了0.22%~79.71%,9.82%~59.51%,8.73%~82.37%,66.67%~538.89%;秋玉米时期,0~40 cm土层各施肥处理土壤微生物生物量碳、氮含量较CK分别提升了36.30%~136.72%,17.09%~47.29%;过氧化氢酶、磷酸单脂酶、脲酶和蔗糖酶活性分别提高了7.41%~74.55%,22.69%~57.39%,18.85%~58.98%,51.70%~216.67%,其中,以NPKM处理的提升效果最佳。总体上,0~20 cm土层土壤微生物生物量碳、氮和酶活性高于20~40 cm,秋玉米时期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性高于春玉米时期。NPKM和OM处理还可以显著提高土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、全钾、有效磷、碱解氮和速效钾等养分,长期增施有机肥后土壤磷素累积明显,而NPK处理则加速了土壤酸化。各施肥处理均可以显著提高玉米产量(P<0.05),较CK比增加了1.04~15.07倍。综上,有机无机配施(NPKM)是提升土壤养分、微生物生物量、酶活性和产量的最佳培肥措施。

为了促进优质粒型粳稻品种的培育,以295份国内外收集的粳稻品种组成的自然群体为试验材料,对2018-2019年粒长、粒宽、粒厚、长宽比和千粒质量等5个粒型相关性状进行表型分析,结合重测序获得的788,396个多态性SNP,利用TASSEL 5.0的MLM模型进行全基因组关联分析,针对2 a间共同检测到的且控制多个粒型相关性状的QTL区间内所有基因进行单倍型分析,结合前人研究结果和基因功能注释挖掘水稻优质粒型候选基因。结果表明,5个粒型相关性状均存在着广泛的表型变异,且均呈近似正态分布,粒型相关性状之间大多呈显著或极显著相关,在P≤5.46×10^-6阈值条件下,共检测到221个与水稻粒型相关性状显著关联的QTL,在水稻的12条染色体上均有分布,表型贡献率为8.62%~20.73%,其中,2018,2019年共同检测到7个QTL。进一步针对2 a间共同检测到且同时控制多个粒型相关性状的2个QTL区间内的所有基因进行单倍型分析,结合基因功能注释推测LOC_Os12g44290为水稻粒型的新候选基因。综上,利用全基因组关联分析对295个粳稻品种的粒型相关性状进行QTL定位及候选基因分析,为优质粒型的粳稻品种培育提供了理论基础。

播期调整是直接有效减缓气候变化对农业负面影响的重要措施,为了揭示播期变化对作物产量形成的影响机制,在华北北部的河北固城农业气象国家野外科学观测研究站,于2019—2021年设置早播10 d、晚播10 d、晚播20 d和正常播期4个播期,进行了夏玉米同一品种播期调整的大田试验,监测其生育期变化、植株干物质累积、叶片光合特性和籽粒灌浆特征,以及成熟期取样测定产量构成等要素。结果表明:夏玉米播期提前,苗期、穗期及全生育期延长,尤其有效灌浆持续日数随播期提前而延长,播期每提前10 d有效灌浆持续日数延长4.7 d,播期提前10 d平均灌浆速率比对照和晚播10,20 d的平均偏高4.04%,籽粒灌浆、累积增加,百粒质量提高5.459 g。夏玉米穗粒数、穗粒质量、百粒质量等主要产量构成要素在不同播期间存在显著差异,且随播期提前而递增,在6月8日—7月8日试验期理论产量随播期每提前10 d增产速率为1 395.4 kg/hm²。夏玉米关键生育期平均叶片净光合速率(Pn)随播期每提前10 d提高0.764 μmol/(m²·s),播期提前10 d比对照和晚播10,20 d的平均Pn提高7.31%。光合速率提高使得干物质生产、积累及向籽粒转运量增加,穗粒质量、百粒质量分别比对照和晚播10,20 d的平均偏高24.01%,18.00%。播期提前,株高低,茎秆粗壮,抗倒伏,个体绿叶面积大,群体叶面积指数(LAI)高,叶片光合作用能力高,播期每提前10 d成熟期地上干物质分配率:籽粒质量递增率2.26%,植株营养器官—果穗籽粒间干物质的源—库分配关系改变,穗粒质量、百粒质量提高和籽粒增产。研究认为:华北地区冬小麦—夏玉米一年两熟区充分利用气候变暖增加的热量资源,合理调配茬口,夏玉米适期早播,延长生育期和籽粒灌浆时间,可有效提高单产。

12-氧-植物二烯酸还原酶(OPR)为黄素单核苷酸(FMN)依赖的氧化还原酶,是合成茉莉酸的关键酶,其对植物生长发育及防御调控具有重要作用。为研究OPR基因在玉米中的抗病作用,利用生物信息学方法,在31个玉米不同自交系中对OPR家族成员进行鉴定,并分析受玉米大斑病菌侵染后的表达规律。结果表明,在玉米B73品系中鉴定出了8个OPR基因,这些基因不均匀地分布于7条染色体上,且其表达蛋白富含酸性氨基酸。进一步分析发现,玉米OPR家族只有1种结构域Oxidored_FMN,并且所有成员均包含已鉴定的10个蛋白质保守基序。利用MEGA软件对玉米、小麦、水稻和拟南芥的OPR家族成员进行系统发育关系分析,发现这些植物OPR基因家族进化关系具有明显差异,其中玉米和水稻的进化关系最为接近。运用OrthoFinder软件对其同源组分析发现,玉米OPR基因家族具有高度保守性,所有OPR基因均为核心基因,但其功能略有差别。进一步利用河北省植物生理与分子病理学重点实验室前期的RNA-seq数据,对玉米B73 品系OPR基因响应大斑病菌侵染的表达模式进行分析,并通过qRT-PCR对基因表达模式进行验证,发现这些基因在病菌侵染玉米过程中呈现3种不同的表达模式。本研究系统的鉴定了玉米泛基因组OPR家族基因,以及确定了其在应对玉米大斑病菌侵染后的表达模式。

光周期是影响植物抽薹开花最重要的环境因子之一,光周期信号通过植物的光敏色素蛋白调控植物的抽薹开花,其中PHYB介导的信号网络对植物抽薹开花有重要的抑制作用。前期研究发现,大白菜耐抽薹材料06-247与易抽薹材料He102的PHYB基因启动子存在大片段插入/缺失差异,为了进一步研究启动子突变对PHYB及其下游途径关键基因的影响,以耐抽臺材料06-247与极易抽臺材料He102为试验材料,采用生物信息法分析了大白菜基因组中光敏色素基因的冗余特点,发现大白菜基因组包含6个光敏色素基因,其中PHYA有2个拷贝,PHYB、PHYC、PHYD和PHYE都仅有1个拷贝。进一步通过氨基酸序列比对筛选出了PHYB的特异序列、设计了抗原决定簇并制备了抗大白菜PHYB的特异抗体,采用荧光定量RT-PCR技术和Western Blot技术研究了06-247与He102中PHYB的相对含量,同时比较了PHYB下游光周期通路关键调控基因CCA1、FLC、CO和FT的动态变化。结果表明:启动子突变造成PHYB在06-247中表达水平显著升高并进而造成PHYB蛋白水平显著升高,同时下游调控基因CCA1、FLC、CO和FT均在06-247中高水平表达,这对06-247的耐抽薹特性有重要影响。