兰花热胁迫响应机制及耐热性研究进展

兰花是世界著名的花卉资源,具有极高的经济价值,是全世界重要的花卉贸易产品之一,也是中国重要的观赏花卉。近年来,随着全球气候变暖,高温已成为影响农作物产量和品质的主要环境因素之一,严重制约了兰花产业的发展。因此,兰花热胁迫响应机制及耐热性的研究是兰花产业应对全球气候变暖的重要内容。本研究系统地陈述了高温胁迫对兰花生长发育、生理代谢的影响、兰花热胁迫响应分子机制、耐热评价及提高耐热性途径等方面的研究进展,并对未来研究方向进行了探讨,以期为进一步研究兰花的耐热机制和耐热育种提供基础依据。     

作物耐热性研究进展

随着“温室效应”的不断加剧,短期异常高温发生频繁,高温已成为制约农业生产的重要非生物胁迫之一。在综述高温对作物生理生态、产量和品质形成的影响,作物耐热性分子遗传等关键问题的基础上,对作物耐热性研究领域提出了筛选优良耐热种质资源、加强作物耐热生理生化及遗传机理研究、加强作物高温热害预警机制和缓解高温胁迫技术研究等建议,以期为作物耐热性研究提供理论依据。     

热诱导转录因子ZmNF-YC13调控热胁迫应答基因提高玉米耐热性

热胁迫是影响玉米生长发育和产量形成的重要因素,相关抗性基因的挖掘和机制解析是进行玉米耐热品种培育的重要分子基础,而目前这方面的研究仍是缺乏。本研究鉴定到一个与热胁迫应答相关的核因子ZmNF-YC13,该基因受高温和渗透胁迫快速诱导表达。用拟南芥热胁迫诱导表达基因AtHSP70的启动子驱动ZmNF-YC13基因,转化玉米筛选出了热诱导表达的转基因材料HSP21Pro:ZmNF-YC13-myc。高温处理后的表型鉴定表明,叶长、叶宽、地上部粗、地上部分和地下部分的鲜重和干重均显著高于野生型。表达分析表明, ZmNF-YC13能增强下游热胁迫应答基因响应热胁迫的程度。荧光素酶报告基因实验和ChIP-qPCR实验表明,ZmNF-YC13可调控热应激转录因子ZmHsfA2c的表达。这些结果初步证实了ZmNF-YC13可通过调控下游热胁迫应答基因来提高玉米的耐热能力,可为利用该位点的多态性进行分子标记辅助选择和种质资源鉴定提供理论依据。     

植物有性生殖对高温胁迫的响应机制

极端高温天气频发,严重威胁农作物的生产。高温胁迫对有性生殖过程的影响与作物减产密切相关,解析其中的分子机制对于指导作物耐高温遗传改良具有重要意义。然而,与模式植物拟南芥相比,目前有关作物有性生殖过程中耐高温的相关研究十分有限。本文从植物有性生殖过程出发,概述了在减数分裂、花粉绒毡层降解、小孢子发育、花粉管萌发与授精以及籽粒发育等一系列生殖发育过程中响应高温胁迫的分子机制。据此,我们提出了作物耐高温改良的可行策略,以期为耐高温品种的遗传改良提供理论依据。     

植物耐受高温胁迫的分子机制研究进展

随着全球的温度持续上升,高温胁迫已经成为影响植物生长发育的重要因素之一,高温对水稻等农作物产量造成的损失对人类经济收益的影响尤为重要。为了了解植物应对高温胁迫的分子机制,本综述归纳了高温胁迫对植物形态、生理生化、光合作用等方面产生的不利影响并总结了信号传导途径、转录因子的调节、抗高温胁迫相关基因的表达这3种植物应对高温胁迫的分子机制。根据以上内容,本文建议利用生物信息学、基因工程、细胞生物学、分子生物学等手段继续深入探索植物耐受高温胁迫的分子机制,并对该领域未来的研究方向提出了展望。     

水稻高温胁迫的生理响应及耐热机理研究进展

自国际水稻所最先开展耐热水稻品种选育至今近三十几年来,国内外大批学者对于高温灾害评估与预测,耐热水稻品种选育及高温胁迫抗性鉴定,高温胁迫水稻形态发育、产量、品质、生理生化响应及其防御与调控,耐高温胁迫水稻品种遗传改良等方面开展了大量研究,并取得了很大的进展。该综述简要回顾了国内外水稻高温胁迫研究进展,重点评述了高温胁迫对水稻生长的影响,水稻高温胁迫下的生理响应,高温肋迫下其他环境因素对水稻生长的综合效应,以及水稻耐热/热响应的可能分子机制,以期为水稻耐热性研究提供参考。     

黄瓜响应高温胁迫转录组分析

为了挖掘参与黄瓜热激反应的基因,进一步探索黄瓜的耐热分子机制,本研究以华北型黄瓜品种‘9930’的幼苗为试验材料,对其进行42℃的高温处理,并在处理0、3和6 h后取幼苗的叶片进行转录组测序,分析黄瓜响应高温胁迫的差异表达基因。结果表明与对照热处理0 h相比,在热处理3 h和热处理6 h后共同差异表达的基因有6 082个,其中上调表达的有3 245个,下调表达的有2 388个。GO和KEGG富集分析结果表明这些差异表达基因主要参与代谢途径和蛋白质的合成途径。在差异表达的基因中,有许多Hsp家族的基因,包括Hsp20、Hsp70和Hsp90,并且这些基因受热胁迫诱导上调表达,说明这些基因可能在黄瓜热激反应中发挥正向调节功能。此外,许多转录因子的表达水平也受热诱导而提高,主要包括AP2、MYB、WRKY、b HLH和HSF类转录因子。本研究对黄瓜响应高温胁迫的转录水平变化进行了初步分析,进而挖掘出黄瓜耐热候选基因,将有助于进一步研究黄瓜的耐热分子机制。     

热胁迫过程中白菜型油菜种子DNA的甲基化

过高的环境温度对植物造成热胁迫和热损伤,从而影响植物的生长、发育,以及种子的寿命。以白菜型油菜耐热品种庆元本地油菜和不耐热品种绍兴矮大秆油菜新收获种子为材料,研究了不同温度处理对油菜种子活力以及基因组DNA甲基化水平和状态的影响。结果表明,种子经37℃和4℃处理2 h,发芽率和活力指数与对照差异不显著;经70℃处理2 h后,耐热和不耐热品种种子发芽率和活力指数均明显降低,37℃热诱导后再进行70℃热胁迫处理,发芽率和活力指数均高于直接70℃处理的种子,表明热诱导可以显著提高种子的耐热性。甲基化MSAP分析结果表明,种子热胁迫过程中基因组DNA甲基化水平降低,同时有甲基化和去甲基化现象发生,并以去甲基化现象为主。相关性分析结果显示种子发芽势、发芽率、下胚轴长和活力指数与双链DNA内部发生甲基化的条带数呈负相关,而与双链DNA外部发生甲基化的条带数呈正相关。更为重要的是耐热与不耐热性材料在热胁迫中表现完全相反的甲基化变异模式,耐热品种去甲基化的条带数多于不耐热品种,但甲基化的条带数目则相反,显示DNA甲基化与种子耐热性有重要关系,在热胁迫过程中,种子可能通过DNA甲基化变化调控相关基因的表达来应对高温胁迫。     

植物基因工程在作物育种中的应用与展望

从抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆以及品质改良、改善发育状况、提高光合作用和固氮效率等方面论述了基因工程在作物育种中的具体应用和进展,阐述了基因工程改良作物品种的方法和优点。通过植物基因工程获得的转基因作物主要有大豆、玉米、棉花、油菜和烟草,并开始大面积应用于农业生产,取了得较好的经济效益、社会效益和环境效益。分析了植物基因工程在作物育种中广阔前景,有望培育出高产优质、集高光效、抗虫、抗病、抗除草剂和抗逆等特性于一体的作物新品种。解决了人类所面临的资源短缺、环境恶化和效益衰退的三大难题,为农业的持续、稳定发展提供了有力保障。     

中国作物新基因发掘：现状、挑战与展望

中国作物新基因发掘是实现中国作物种质资源优势向基因资源优势转变和作物分子育种的基础。本文对中国近10年来水稻、小麦、玉米、大豆、棉花和油菜等主要作物基因发掘研究的进展进行了分析和评述。中国作物基因发掘也取得了一系列突破性进展：(1)创制出一批具有特色的基因发掘材料,包括基于中国作物遗传多样性的核心种质、基于优异资源的遗传分离群体和基于人工诱变的突变体等;(2)基因发掘技术和方法有所突破,尤其是在针对基因特点整合各种基因发掘技术、改进基因/QTL的生物统计算法等,提高了基因发掘的效率;(3)作物农艺性状的标记与基因定位已成为常规遗传研究方法,初步定位了一批抗病、抗逆、优质、养分高效、高产相关基因/QTL,其中,有500多个基因已精细定位;(4)以水稻为代表的作物基因克隆及功能研究在国际上受到瞩目,在主要作物中已克隆了300多个基因,其中,在目标作物中验证的基因数超过70个。在国际作物基因发掘高效化、规模化及实用化发展过程中,中国作物基因发掘也取得了重要进展。然而,中国作物基因发掘的数量和质量还远远不能满足作物分子育种的需求,与国际作物基因发掘也存在差距,具体表现为不同作物基因发掘研究进展不平衡、发掘基因的数量还相对有限、已发掘的基因中具有重大利用价值的基因不多。针对中国基因发掘面临的问题和世界各国以及跨国生物技术公司争夺基因的巨大挑战,作者提出了中国作物基因发掘应重点提高基因发掘效率,加强重要基因克隆及基因的价值评估,以生物产业发展需求为导向的基因发掘策略。     

GAFP基因导入对彩色棉抗病性和农艺及经济性状的影响

通过对转GAFP基因品系ZB-1-31、ZB-1-49、LB-7-8与原受体品种新彩棉1号、绿9903进行了抗枯、黄萎病性的对比和农艺、经济性状方面的对比研究,结果表明,3个转GAFP基因品系对枯、黄萎病的抗性显著高于受体品种,生育期有所提前,产量均明显高于受体品种,纤维品质也有不同程度的提高。     

主要麻类作物基因组学与遗传改良:现状与展望

随着测序技术的发展,主要麻类作物(黄麻、红麻、苎麻、亚麻和工业大麻)参考基因组从2011年至2020年陆续完成测序,这标志着麻类作物科学已经进入基因组时代。文章首先详细概述主要麻类作物基因组测序。其次,评述了基于基因组学的麻类作物重要应用价值基因挖掘。基于参考基因组和转录组测序,大量关于纤维发育、响应非生物胁迫的候选基因被挖掘,以促进麻类作物纤维的物种特性和“不与粮食争好地”的逆境农业。同时不同麻类作物特异性状候选基因陆续被报道,如红麻雄性不育、亚麻种子含油量和大麻大麻素相关候选基因等。再次,麻类作物基因组测序完成为基于组学的麻类作物遗传改良提供可能:有助于麻类作物种质资源形成和演化机制研究,系统解析纤维产量、纤维品质、抗病耐逆等农艺性状形成的分子基础;有助于建立高通量基因型-表型数据库,挖掘优异基因资源与创制新种质;有助于创新并集成分子标记辅助选择、基因组选择、转基因等技术,建立高效的快速育种技术体系。宜选育高产高效、抗逆抗病、适宜轻简化机械化、优质专用的多用途麻类作物新品种,以满足麻类作物相关产业的市场需求,适应麻类作物生产方式。尽管已经获得重要基因以及位点的信息,但如何高效率利用已有基因资源对麻类作物进行遗传改良仍需面临一系列挑战,如成熟稳定的遗传转化体系、麻类作物基因编辑体系构建及基因组选择育种等。     

施氮对涝渍胁迫下作物生长和产量影响的研究进展

随着气候变化的加剧,涝渍灾害发生的频率和强度不断增加,严重制约着作物的可持续生产。充分挖掘作物自身潜力,提高其对水分胁迫等非生物逆境的抵抗力是适应气候变化的内在要求。随着作物抗逆生理生化机制研究的深入,人们越来越重视施氮在作物抗逆中所发挥的重要作用。为了进一步了解氮肥对涝渍条件下作物生长和产量的调控效应及调控机制,本文总结了涝渍胁迫对作物地上部光合作用、抗氧化酶活性、膜质氧化作用、内源激素含量、根系生长及产量形成的影响及其氮素调控效果,明确了氮肥施用调控作物生长和产量形成的生理机制,指出了氮肥调控涝渍胁迫下作物生长和产量研究中存在的问题,在此基础上笔者指明了未来的一些研究方向,如应用新型氮肥、现代高科技技术、培育氮高效且抗逆的品种等提高作物的抗逆性。     

Genomic resources for breeding crops with enhanced abiotic stress tolerance

To meet the challenges of climate change, exploring natural diversity in the existing plant genetic resource pool as well as creation of new mutants through chemical mutagenesis and molecular biology is needed for developing climate‐resilient elite genotypes. Ever‐increasing area under existing abiotic stresses as well as emerging abiotic stress factors and their combinations have further added to the problems of the current crop improvement programmes. However, with the advancement in modern techniques such as next‐generation sequencing technologies, it is now possible to generate on a whole‐genome scale, genomic resources for crop species at a much faster pace with considerably less efforts and money. The genomic resources thus generated will be useful for various plant breeding applications such as marker‐assisted breeding for gene introgression, mapping QTLs or identifying new or rare alleles associated with a particular trait. In this article, we discuss various aspects of generation of genomic resources and their utilization for developing abiotic stress‐tolerant crops to ensure sustainable agricultural production and food security in the backdrop of rapid climate change.     

植物响应低温胁迫转录组测序研究进展

低温胁迫是限制植物生长发育和地理分布最主要的环境因子之一,影响植物细胞膜系统、抗氧化系统、光合作用、次生代谢等诸多方面,对农业生产和发展有严重影响。因此,揭示作物在冷胁迫下的生理及分子机制是十分必要的,这有助于培育耐寒作物品种,从而减少生产损失,扩大作物种植面积,具有重要的生产价值和经济效益。目前,基于RNA-seq技术进行植物低温胁迫分子机制深度解析在拟南芥、水稻、油菜、茶树、小麦、烟草、高粱等重要作物上得到了发展应用。本研究综述了近年来植物在低温胁迫或低温适应过程中的转录组学研究现状,以期为高通量测序技术在植物抗性研究方面提供方法借鉴和理论基础。     

中国气候变化对农作物育种策略影响探究

气候变化直接影响农作物产量,根据生产实际和气候特征,因地制宜选育农作物新品种,对保障中国粮食安全具有重要的意义。本文利用1979—2014年中国粮食主产区和西北地区气象站点数据及粮食产量数据,通过进一步的统计分析,明确粮食产量与气候变化特征。结果表明：中国东北地区、黄淮海地区、长江流域地区和西北地区年平均气温增幅均值分别为0.30℃/10 a、0.37℃/10 a、0.38℃/10 a和0.48℃/10 a,与粮食产量相关性显著;年平均气温空间上从南到北、从东到西呈降低趋势;由于热量资源分布不均导致各地区年降水量变化差异显著,但与粮食产量相关性不显著。粮食作物应以优质、高产、多抗以及适宜于机械化生产为原则,采用传统育种和现代分子生物学技术相结合的育种策略,重点提高东北地区水稻品种的耐涝性和抗倒性,黄淮海和长江流域地区水稻品种的耐高温性,西北地区晚稻品种的耐低温性,以及各地区小麦和玉米品种的耐旱性。     

农作物收获前黄曲霉毒素污染与控制措施

黄曲霉毒素(aflatoxin,AFT)是曲霉属真菌产生的一大类生物毒素,是危及食品安全和人类健康的主要物质之一。农产品收获前黄曲霉毒素污染是热带、亚热带地区普遍存在的问题,其中在玉米、花生、棉籽、辣椒籽和一些木本坚果及其产品中尤为严重。国内外现有研究结果表明,多种因素可影响作物收获前黄曲霉毒素污染,其中干旱和高温的综合胁迫是最主要的环境因素。作物抗性对降低毒素污染具有重要作用。综合运用分子生物学及常规育种技术改良作物品种对黄曲霉菌侵染或产毒的抗性以及对其他病虫害及干旱的抗(耐)性,是解决黄曲霉毒素污染问题的重要途径。作物生产过程中病虫害的防治和合理的田间管理是作物收获前黄曲霉毒素污染的有效防控措施。     

水稻耐低温研究重要进展

水稻是中国最重要的粮食作物之一,低温寒害作为主要非生物胁迫,严重影响了水稻的产量和品质,对水稻的各个生长时期都有不同程度的危害。研究水稻耐低温的分子机制,培育高产优质的耐寒品种对保障中国粮食安全具有重要意义。为了进一步揭示水稻耐低温分子机制,本研究综述了近几十年来水稻低温信号途径研究方面的研究进展,发现在水稻的种子萌发期、幼苗期及孕穗期均克隆了若干个重要的耐低温基因,并初步解析了其基因功能和分子机制。但具体的作用机制及信号通路研究仍存在不足。今后的研究工作还需要发掘更多水稻耐寒基因及其作用机制,并鉴定重要的SNP位点,以期为水稻分子育种提供科学依据。