白菜型冬油菜叶片结构和光合特性对冬前低温的响应

为明确白菜型冬油菜在冬前低温下叶片结构特征、光合作用特性及其抗寒性,本研究在0℃和–7.6℃自然低温条件下,选用白菜型冬油菜品种陇油7号(超强抗寒)和天油4号(弱抗寒),测定并比较其叶片气孔性状、解剖结构和光合、荧光参数的日变化等指标。结果表明,随着冬前温度下降,2个白菜型冬油菜叶片气孔密度、气孔面积、气孔周长、栅栏组织和海绵组织厚度均变小,细胞间隙变大,叶片变薄;P_n日变化呈"单峰"型曲线,无光合"午休"现象;叶片的P_n、G_s、T_r和CE均降低,而C_i均升高,说明是非气孔限制引起P_n降低。白菜型冬油菜在冬前低温条件下发生了光抑制现象,表现为F_m和F_v/F_m下降,F_o上升。与超强抗寒品种陇油7号相比,弱抗寒品种天油4号叶片气孔密度和气孔面积均较大,气孔总周长较长,叶片较厚,P_n、F_m和F_v/F_m均较高,说明冬前低温条件下,天油4号光合能力较强,光抑制程度较弱。白菜型冬油菜在冬前低温条件下的叶片气孔密度越大、气孔面积越大、气孔周长越长、叶片及栅栏组织和海绵组织越厚,光合能力越强,地上部生长越旺盛,品种抗寒性越差。本研究为冬油菜抗寒种质创新和育种提供了部分理论支撑。     

北方白菜型冬油菜的膜脂脂肪酸组分和ATPase活性对温度的响应

为了解北方白菜型冬油菜膜脂脂肪酸和ATPase活性与抗寒性的关系,以抗寒性强的冬油菜品种陇油7号和抗寒性弱的品种天油2号为材料,研究了不同温度处理(25°C、10°C、2°C、–5°C)后叶片和根系膜脂脂肪酸组分和ATPase酶活性的变化。结果表明,低温胁迫下2个冬油菜品种叶片和根系膜脂脂肪酸组分相同,叶片中不饱和脂肪酸以亚麻酸为主,根系不饱和脂肪酸以亚油酸为主。随处理温度的降低,2个冬油菜品种叶片不饱和脂肪酸含量呈先降低(10°C,2°C)后增加(–5°C)的趋势;陇油7号根中不饱和脂肪酸含量逐步增加,天油2号则逐步降低;在低温条件下(2°C,–5°C),陇油7号膜脂U/S比值、IUFA值高于天油2号;ATPase活性表现为陇油7号逐渐高于天油2号。说明2个冬油菜品种的膜脂在低温响应上存在一定差异,低温下不饱和脂肪酸含量和ATPase活性的提高是强抗寒冬油菜品种在北方旱寒区严酷环境条件下能安全越冬的重要原因。     

白菜型冬油菜叶片质外体蛋白提取及响应低温胁迫的蛋白表达分析

为了研究质外体蛋白在低温胁迫下白菜型冬油菜抗寒的作用机理,以陇油7号五叶期叶片为试材,采用2种不同提取液(提取液A:0.1 mol/L p H值=7.6 Tris-HCl、0.2 mol/L KCl、1 mmol/L PMSF,提取液B:0.05 mol/L p H值=7.6 Tris-HCl、0.01 mol/L EDTA-Na2、0.02 mol/L Vc、1 mmol/L PMSF)进行质外体蛋白提取效果比较。结果表明:提取液A的蛋白提取率达到了(0.073±0.004 6)mg/g,比提取液B提高了42.88%;经六磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH)活性检测,提取液A提取的蛋白质污染率较提取液B低0.91%;双向电泳第一向等电聚焦IEF中,提取液A提取的蛋白质不仅除盐时间较提取液B短4.5 h,且获得的凝胶图谱清晰;通过丰度计算,得到陇油7号低温胁迫(4℃,48 h)后具有显著差异的蛋白点339个,其中表达量变化在2倍以上的蛋白点为46个,包括上调表达蛋白点18个,下调表达蛋白点21个,特异性表达蛋白点7个,推测这些差异蛋白点可能与低温胁迫有关。对特异表达的7个蛋白点进行质谱分析鉴定,得到与低温胁迫相关的蛋白,为白菜型冬油菜超强抗寒品种陇油7号抗寒相关分子机理的研究奠定了基础理论。     

白菜型油菜WUS基因的克隆与表达分析

WUS基因在植物生长点(shoot apical meristem, SAM)调控方面具有重要作用,本研究选择抗寒性强弱不同且生长点高低不同的白菜型冬油菜(Brassica rapa L.)为材料,采用RT-PCR技术克隆WUS基因并进行了表达分析,并对其功能结构域、系统进化和表达特性进行分析。结果表明,在‘陇油7号’中,WUS蛋白编码310个氨基酸,预测分子质量为23.077 kD,等电点5.58,是一个主要由无规则卷曲与延伸链组成的亲水性蛋白。荧光定量PCR分析表明,相同温度处理下,WUS基因在抗寒性较强、生长点凹陷的白菜型冬油菜中相对表达量高于抗寒性较弱、生长点凸起的白菜型冬油菜,低温(0℃, 4℃和-4℃)处理72 h后,白菜型冬油菜生长点中WUS基因在0℃均上调表达,当温度为0℃时表达量达最大,‘陇油7号’和‘天油2号’较常温上调最为显著,分别上调315.24%、287.56%。与0℃相比较,当温度降为-4℃时,各品种基因的相对表达量显著下调表达,表明WUS基因可能参与抗寒应答及白菜型冬油菜生长点对低温胁迫的响应。     

白菜型冬油菜反复低温与恢复过程中叶片的差异蛋白分析

为了从蛋白质分子生物学方面研究白菜型冬油菜不同抗寒品种低温逆境及恢复条件下相关蛋白的响应机制,揭示大田生产中冬油菜抵御突发骤变低温伤害的抗寒机理,以超强抗寒冬油菜品种陇油7号和弱抗寒品种天油2号为材料,在培养箱培养至幼苗五叶期时,模拟北方寒旱区冬油菜返青期倒春寒环境,运用双向电泳结合质谱技术,分析其幼苗在低温(4℃)-恢复(20℃)-低温(4℃)-恢复(20℃)过程中存在的蛋白及其差异表达量。研究表明低温胁迫与恢复过程中,有2个蛋白点发生了显著差异的丰度变化,它们分别是半胱氨酸型氧化还蛋白过氧化物酶(定义为1号蛋白)和一种未知蛋白(2号蛋白)。且不同抗寒性品种存在2种不同蛋白的差异表达机制,1号蛋白在抗寒性较弱的天油2号低温胁迫恢复过程中表现出上调-下调-上调的变化趋势,抗寒性较强的陇油7号中此蛋白在第一次低温胁迫后消失,而出现了另外一种未知蛋白(蛋白2),且在低温胁迫恢复过程中也表现出上调-下调-上调的变化趋势,并且表达量高于天油2号中的蛋白1,因此,这种未知蛋白2可能是陇油7号抗寒性强于天油2号的原因之一。     

白菜型冬油菜类甜蛋白的筛选、克隆及其在低温胁迫下的表达

类甜蛋白是一种能在低温胁迫下诱导表达,增强植物抗逆性的关键蛋白质。本研究运用双向电泳结合质谱技术,筛选低温胁迫下陇油7号叶片差异蛋白点,从中分离出与抗寒密切相关的类甜蛋白。根据已发表植物类甜蛋白基因TLP的保守序列设计引物,采用RT-PCR扩增陇油7号的DNA,获得TLP基因开放阅读框,长度为732 bp,编码243个氨基酸的蛋白质。生物信息学分析显示,与甘蓝型油菜(Brassica napus)的蛋白质氨基酸序列同源性高达99.18%,该基因在进化上高度保守,其保守序列属于植物的GH69-TLP-SF超家族,TLP相对分子质量和理论等电点分别为26.02 k D和9.15。TLP含有一个信号肽,为亲水性蛋白,亚细胞定位预测其是在内质网中合成的蛋白。二级结构预测表明陇油7号的TLP是由不规则卷曲和延伸链组成的不稳定蛋白。实时荧光定量和半定量分析显示,在适当阈值的低温胁迫下TLP基因表达量上调,表明该基因在白菜型冬油菜陇油7号适应低温胁迫过程中发挥重要作用。     

白菜型冬油菜抗寒性与生理生化特性关系

为了了解渗透物质与油菜抗寒能力的关系,本研究以2个白菜型冬油菜陇油6号和天油4号为试验材料,通过冷冻处理,对油菜根部相对电导率和叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、可溶性蛋白、丙二醛(MDA)等一系列生理生化指标进行了检测。结果表明,陇油6号(DQW-1)的抗寒能力强于天油4号,陇油6号和天油4号的SOD和CAT活性、可溶性蛋白含量、MDA含量随着温度的降低均呈现出先上升后下降的变化规律。低温下耐寒性强的陇油6号能保持较高的SOD酶活性、CAT酶活性、可溶性蛋白和较低的MDA含量。因此,SOD和CAT活性、可溶性蛋白和MDA含量在一定程度上能反映白菜型冬油菜的抗寒性。     

白菜型冬油菜根颈直径与抗寒生理指标的相关性研究

为了解油菜根颈直径与抗寒相关性状间的相关性,本试验以4个白菜型冬油菜作为试验材料,对越冬后的白菜型冬油菜进行根颈直径、越冬率、过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量等的测定。结果表明,根颈直径与越冬率、过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量达到显著和极显著正相关,并且陇油7号×天油2号的根颈直径、越冬率、过氧化氢酶活性和可溶性蛋白含量均高于天油2号×陇油7号,说明母本抗寒性的强弱对杂交后代的抗寒性起着决定性的作用;根颈直径与油菜抗寒性间是密切相关的,即抗寒性越强的油菜品种,其根颈直径越大,且可将根颈直径作为鉴定白菜型冬油菜抗寒性强弱的形态指标。     

白菜型与甘蓝型冬油菜抗寒机理差异的研究

为探究白菜型与甘蓝型冬油菜抗寒机理差异的原因。以8个抗寒性不同的冬油菜品种为材料,采用大田试验和盆栽试验相结合的方法,待油菜长至5~6片真叶时,大田试验进行植物学形态,干物质积累量的测定,盆栽试验按24℃→10℃→5℃→0℃→-5℃→-10℃各48 h依次降温处理后测定生理生化指标。结果表明,白菜型冬油菜冬前生长点洼陷,幼苗匍匐生长,干物质积累主要集中在地下部分,其中白菜型冬油菜地下部鲜质量与地下部干质量较甘蓝型冬油菜平均增加了236.1%,263.0%,说明抗寒性强的冬油菜能够在营养生长阶段将光合有机产物优先运输到地下部,建立庞大的根系,为安全越冬提供代谢能量。随着温度的变化,不同类型冬油菜的生理生化活性有较大的差异,-5℃时陇油7号SOD活性较CK增加了10.7%,0℃时陇油7号CAT、POD活性较CK分别增加了24.7%,28.6%,而0℃时白菜型冬油菜SP含量较甘蓝型冬油菜平均增加了32.3%,-10℃时白菜型冬油菜的SS含量较甘蓝型冬油菜平均增加了71.4%,-10℃甘蓝型冬油菜MDA含量较白菜型冬油菜平均增加了52.8%,这说明抗寒性强的品种在低温条件下能够保护自身免受损伤,其中CAT、POD、SP是抵抗冷害的保护性物质,SOD、SS是抵御冻害的保护性物质。白菜型冬油菜比甘蓝型冬油菜在形态学及生理水平上都具有明显的优势,形态学上的优势使其有利于抵御极端低温天气,提供维持越冬及冬后返青所需的代谢能量;生理水平上,低温胁迫后保护性酶活性、调节性物质含量增加,能够有效地保护细胞膜结构,MDA含量减少,可以缓解低温对冬油菜叶片的伤害,从而保证高越冬率,为北方白菜型与甘蓝型冬油菜抗寒性研究提供理论依据。     

不同生态区冬前低温下白菜型冬油菜不同抗寒品种(系)的比较

以白菜型冬油菜不同抗寒品种(系)为材料, 分别在原种植区(甘肃天水)及北移区(甘肃临洮、兰州和永登)设置田间试验, 采用田间记载、光合参数测定和显微观察结合的方法, 调查参试品种(系)在4个生态区的苗期形态、光合参数及气孔形态。结果表明, 与原种植区(天水)相比, 冬油菜北移后苗期生长习性由半直立逐渐变为匍匐生长;冬前低温阶段叶片G_s、C_i明显下降, T_r明显上升, 弱抗寒的天油品种冬前低温下叶片气孔处于关闭或半关闭状态、P_n下降, 而强抗寒的陇油品种叶片气孔仍完全开放、P_n明显升高;北移区冬油菜日出叶数减少, 根长、根直径增加。冬油菜北移后, 苗期匍匐生长, 强抗寒品种叶片光合作用增强, 弱抗寒品种减弱, 有机物被优先分配到根部。     

Separation and identification of Brassica rapa BrAFP and its gene cloning and expression under freezing stress

Antifreeze proteins (AFPs) are proteins that inhibit ice nucleation by non‐colligative combined with ice, to inhibit its growth and to modify ice crystal morphology. In this study, 'Longyou 6' (Brassica rapa) with the cold resistance was used as a model. A 38 kDa band of protein extracted from leaves of plants exposed to low temperature was enhanced on the electropherogram. The 38 kDa protein can significantly inhibit growth of ice crystals and modify its morphology, thus suggesting this protein has an AFP in winter turnip rape. The protein was identified as beta‐1,3‐glucanase by mass spectrometry, named BrAFP1. Its corresponding gene contains 1,032 bp bases, coding 343 amino acids with a molecular weight of 38,102 kDa. The BrAFP1 is a predicted hydrophobic protein with a signal peptide. Under cold stress, the plants showed morphological characteristics of cold resistance, and BrAFP expression was significantly up‐regulated at ?4°C from 0.5 to 4 days compared with the control (at room temperature), suggesting that the BrAFP gene played an important role in cold acclimation in B. rapa.     

Genetic studies of antifreeze proteins and their correlation with winter survival in wheat

Antifreeze proteins (AFPs) accumulate in the leaves of winter cereals during cold acclimation, where they may inhibit ice recrystallization during freezing and thawing cycles and provide nonspecific disease resistance. In this study, 21 wheat chromosome substitution lines and the parental lines Chinese Spring and Cheyenne wheat were used to determine the heritability of AFPs and the relationship between the accumulation of AFPs and winter survival. In cold-acclimated lines, antifreeze activity in leaf apoplastic extracts ranged from 1 (low) to 5 (high) with an average value of 3.2, and the accumulation of apoplastic proteins ranged from 30 μg (g FW)^-1 to 115 μg (g FW)^-1 with a mean value of 70 μ (g FW)^-1. Examination of the individual lines revealed that Cheyenne chromosomes 5B and 5D carry major regulatory genes that increase both antifreeze activity and the accumulation of antifreeze proteins in plants grown at low temperature. Substitution lines carrying Cheyenne chromosomes 2A, 3A, 6B, and 7A exhibited lower freezing tolerance and also showed a marked decrease in the accumulation of specific AFPs during cold acclimation. Antifreeze activity and apoplastic protein content were not correlated with freezing tolerance (defined as % survival at -11 °C), but they were both significantly and positively correlated with winter field survival rates. Antifreeze activity (positively correlated) and total leaf fresh weight (negatively correlated) together accounted for about 55% of the variation in winter survival, indicating that high antifreeze activity and slow vegetative growth at low temperature are both important quantitative traits for winter survival. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

白菜型冬油菜抗坏血酸过氧化物酶(APX)基因的克隆、表达及其活性分析

抗坏血酸过氧化物酶(APX)是一种在逆境条件下清除细胞内氧自由基、增强植物抗逆性的关键酶。本研究根据已发表植物抗坏血酸过氧化物酶基因APX的同源保守序列设计引物, 采用RT-PCR扩增超强抗寒白菜型冬油菜陇油7号的DNA, 获得APX基因开放阅读框, 长度为753 bp, 编码250个氨基酸残基, 推导的氨基酸序列具有APX蛋白的典型特征。生物信息学分析显示, 与已报道的大白菜的APX氨基酸序列同源性达到99%, 该酶蛋白具有高度的进化保守性, 其保守序列属于植物的POD超家族, APX相对分子质量和理论等电点依次为27.7 kD和5.58;APX基因无信号肽, 是一个亲水性蛋白, 可推测其定位于细胞质中;二级结构预测表明陇油7号的APX是由不规则卷曲和α-螺旋组成的稳定蛋白。实时荧光定量PCR和酶活性分析显示, 该基因表达和酶活性受低温胁迫诱导, 表明该基因在白菜型冬油菜陇油7号适应低温胁迫过程中发挥重要作用。     

白菜型冬油菜RuBisCo蛋白亚基基因rbcL和rbcS的克隆及其在干旱胁迫下的表达

应用双向电泳结合液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析, 筛选得到干旱胁迫下白菜型冬油菜与光合作用相关差异蛋白质RuBisCo小亚基。根据已发表白菜型油菜(Brassica rapa) RuBisCo亚基rbcL和rbcS保守序列设计引物, 采用RT-PCR扩增陇油7号的cDNA, 获得rbcL和rbcS基因开放阅读框, 长度分别为1095 bp和549 bp, 编码364和181个氨基酸的蛋白质。生物信息学分析结果显示, rbcL与大白菜(Brassica rapa subsp. chinensis)的蛋白质同源性达到99%以上, 其保守序列属于RuBisCo Large超家族, 该蛋白质理论相对分子量及等电点分别为40.29 kDa和6.70, 不稳定指数(instability index, II>40为不稳定蛋白质)为41.67, 属于不稳定蛋白; 脂融指数(aliphatic index)为83.63, 平均亲水性值(grand average of hydropathicity)为-0.232, 属于亲水性蛋白质; 二级结构包括38.74% α-螺旋(alpha helix)、10.99%延伸链(extended strand)及50.27%自由卷曲(random coil); 三级结构具有5个不同的活性口袋。rbcS与甘蓝(Brassica oleracea)蛋白质同源性达到99%, 其保守序列具有rbcS超家族和RuBisCo Small Like超家族, 理论相对分子量为20.32 kDa, 理论等电点为8.23, 不稳定指数为33.66, 属于稳定蛋白质; 脂融指数为74.86, 平均亲水性值为-0.142, 属于亲水性蛋白质; 二级结构包括16.02% α-螺旋、28.73%的延伸链及55.25%自由卷曲; 三级结构具有4个不同的活性口袋。实时荧光定量和半定量分析显示, 干旱胁迫下, 白菜型冬油菜叶片rbcL和rbcS基因表达量下调是光合作用下降的原因。并且, 冬油菜叶片P_n下降与RuBPCase表达抑制和活性降低有关, 非气孔限制是P_n下降的主要因素。     

北方寒旱区白菜型冬油菜安全越冬的临界指标分析

利用2011-2014年北方13个省、市、区48个不同生态点试验的数据,分析不同品种在不同生态点的越冬率、产量变化,越冬率与产量的相关性,旨在研究白菜型冬油菜在北方不同生态区的越冬安全性,确定北方冬油菜通用的安全越冬的越冬率临界值,明确影响北方冬油菜越冬率的主要因子。结果表明,不同白菜型冬油菜品种在北方不同生态地区越冬率差异较大,产量也差异较大,越冬率变幅为10%~99%,强抗寒品种越冬率>70%。回归分析表明,越冬率与产量存在明显的线性正相关,回归方程符合y=ax+b, 当越冬率<70%时,产量随越冬率的增加而增加,当越冬率为70%时单位面积产量基本趋于稳定, 越冬率大于70%时,越冬率对产量的影响不明显。协方差分析表明,与冬油菜越冬率相关性最为密切的因子是品种,其次是极端最低气温、冬季气温、年均气温、≤0℃的冬季负积温、纬度、经度等。因此,70%的越冬率可作为北方地区冬油菜通用安全越冬的越冬率临界值,采用强抗寒品种,极端最低气温–31.79℃、冬季气温–7.20℃、年均气温6.38℃、负积温–997.57℃,纬度低于44.83°,经度高于80.34°是保证冬油菜安全越冬的必要条件。