油菜素内酯合成和信号转导基因在马铃薯块茎贮藏期间的表达变化及对萌芽的影响

为探明油菜素内酯BR在块茎萌芽中的作用,建立更有效的种薯催芽调控体系,选择了休眠期不同的3个品种,利用q RT-PCR分析与BR合成、信号转导、调控有关的9个基因在贮藏期间及抑芽处理下的表达模式;同时检测BR类似物24-表油菜素内酯(24-e BL)及其与赤霉素GA3对块茎萌芽的影响。结果表明,涉及BR合成的4个基因表达量均随贮藏时间延长升高,短休眠品种升高的时间点早于中、长休眠品种;信号转导及调控基因中BRI1和CYCD3的变化与合成基因相似,BSK和TCH4的表达量则在中、长休眠期品种中保持恒定。抑芽处理在贮藏前期能刺激这些基因的表达升高,但之后都迅速下降并保持低水平。转录因子BZR1在各品种中以及抑芽处理下均没有明显变化。24-e BL利于块茎解除休眠,但不促进芽的伸长生长,与GA3互配效果更佳,单株块茎增重37.92%~98.41%。结论表明,BR合成和信号转导是块茎从休眠向萌芽转变的必经生理过程,它与GA3互配用于催芽更利于种薯萌芽的整齐、健壮并促进块茎形成。     

BR相关基因在低温调控马铃薯萌芽中的响应分析

油菜素内酯(BR)是调控植物生长发育的重要激素。本项目组研究发现,BR合成和信号转导基因表达量均随马铃薯块茎休眠解除而升高,抑芽剂可明显抑制BR合成相关基因delta24-甾醇还原酶(DWF1)、甲基甾醇单加氧酶(SMO1)、信号转导成员油菜素内酯不敏感蛋白(BRI1)、信号转导激酶(BSK)和信号激活因子细胞周期蛋白(CYCD3)等在马铃薯块茎中的表达。还发现,低温可以显著延长马铃薯‘费乌瑞它’等品种的贮藏时间,而对‘米拉’等品种的作用不显著。为进一步探明BR合成、信号转导和激活基因在低温调控马铃薯萌芽中的响应情况,本试验以休眠中后期的马铃薯‘费乌瑞它’和‘米拉’原原种为材料,采用常温(23±2)℃和低温(4℃)贮藏,利用q RT-PCR技术测定两个品种在萌芽过程中5个BR合成、信号转导及激活关键基因的表达量变化。结果表明,低温下,两个品种中的DWF1、BRI1基因在萌芽过程中的表达量保持在低水平;SMO1、BSK和CYCD3基因的表达量在‘费乌瑞它’的萌芽阶段维持在低水平,而在‘米拉’中的表达量却呈相对较高的水平。由此推测低温通过抑制SMO1、BSK和CYCD3基因在‘费乌瑞它’萌芽过程中的表达,抑制萌芽,而有效延长马铃薯贮藏时间。与低温显著延长该品种贮藏时间、延迟萌芽的效果一致。本研究为阐明马铃薯萌芽过程中BR调控机制及其与环境温度的关系,利用分子技术辅助选育耐贮藏品种,以及为马铃薯贮藏调控新技术研发提供新的依据。     

几种新型马铃薯抑芽剂效果评价

为了减少人工合成抑芽剂的使用,开发安全低毒的新型马铃薯抑芽剂,以‘陇薯3号’马铃薯为材料,通过测定萘乙酸、肉桂醛、乙醛和乙烯利4种新型抑芽剂处理后贮藏期间块茎的发芽率、幼芽的生长和失重率,以评价4种抑芽剂的作用效果。结果表明,10 mmol/L萘乙酸,500 mg/kg肉桂醛,250 mg/kg乙醛和50 mg/kg乙烯利能有效控制马铃薯的发芽,其发芽率分别为对照的61%、65%、78%和79%。10 mmol/L萘乙酸和50 mg/kg乙烯利还能有效延缓马铃薯幼芽的生长。同时与对照相比各新型抑芽剂对马铃薯块茎贮藏期间失重率影响不大。可见4种新型抑芽剂在马铃薯抑芽和保鲜方面具有潜在的应用价值。     

反义PPO基因对马铃薯块茎褐化的影响

对刚收获和贮藏5个月后的12个转基因马铃薯品系及对照块茎进行褐化指标的生理检测,发现2个检测时期的各褐化指标在供试品系间差异均达到显著或极显著水平。综合2个检测时期并与对照相比,PPO活性降幅为26.01%~48.65%;酚物质含量降低22.83%~54.81%;褐化强度除GD-9-qc-1低于对照40.45%~46.78%外,其余品系高于对照或与对照无差别。切割块茎发现,大部分转基因品系较对照褐化出现晚,褐化程度低,褐化指数低于对照88.0%~98.86%。PPO的化学定位显示,低褐化转基因品系的多酚氧化酶集中于维管束环,含量明显少于对照,其中GD-9-qc-1仅有少量多酚氧化酶显现出来,推测是由于反义PPO基因抑制块茎POT32基因表达的结果。进一步的方差、相关分析表明,除对多酚氧化酶含量抑制外,反义PPO基因还降低酚物质含量以减轻块茎损伤褐化。     

转PPase基因对马铃薯块茎休眠相关生理特性的影响

马铃薯块茎的休眠和发芽对于马铃薯栽培、贮藏保鲜和加工等具有十分重要的意义。本研究以25℃室温条件下贮藏90d后的转正义和反义无机焦磷酸酶(PPase)基因马铃薯Favorita的块茎为材料,对贮藏块茎的PPase活性和及Pi、可溶性糖、淀粉、蛋白质含量进行了测定,以探讨PPase基因对马铃薯相关休眠生理特性的影响。结果表明,与对照相比,转正义PPase基因的两个株系F-2-1和F-2-4块茎中的PPase活性、Pi含量和可溶性糖含量增加、淀粉含量和蛋白质含量降低,且与对照相比均达到极显著水平(只有F-2-4淀粉含量与对照相比无显著性变化);转反义PPase基因的两个株系F-1-1和F-1-2块茎中PPase活性、Pi含量和可溶性糖含量降低、淀粉含量增加,与对照相比均达到极显著性水平,而蛋白质含量与对照相比无显著性变化。     

马铃薯空心块茎转录组分析

空心是马铃薯块茎内部生理缺陷性状,它会严重影响马铃薯的鲜食和加工。为了解马铃薯空心块茎不同形成时期的差异表达基因和探究与空心块茎形成密切相关功能基因。本研究采用RNA-Seq技术对马铃薯空心敏感性材料('5-19')块茎无空心期(N)、空心轻微期(S,空心长度0～1 cm)、空心较重期(M,空心长度1～3 cm)进行转录组分析。结果显示,各送样样品高质量碱基均达到6.54 Gb,各组样品Q30碱基百分比均在94.15%以上。N-vs-S和S-vs-M的差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)数目分别为44和130个。GO功能注释显示差异表达基因主要集中在代谢过程、细胞过程、单组织过程、结合、催化活性、细胞组分等。KEGG代谢通路富集发现,差异表达基因显著富集到角质素、木栓质、蜡状物合成、苯丙烷生物合成、脂肪酸延长、苯丙氨酸代谢等途径。进一步分析挖掘到19个与马铃薯块茎空心形成相关基因。本研究解析了马铃薯空心块茎形成过程中的转录调控分子机制,为后续研究提供了相关基因数据信息。     

棉花无腺体近等基因系差异表达基因分析

为了揭示棉花腺体发育的分子机制,本研究利用RNA-Seq对棉花无腺体性状近等基因系Z12/Z12YW的幼嫩叶片进行转录组测序,寻找差异表达基因。转录组测序结果表明,与有腺体棉Z12相比,无腺体棉Z12YW中共有306个基因表达发生变化,其中282个基因下调,24个基因上调。差异表达基因GO(Gene ontology)功能注释显示,细胞组分、胞外基质组分的功能变化以及细胞杀伤生物学过程在腺体形成过程中发挥重要作用;COG(Cluster of orthologous groups)功能和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路显著性富集发现,棉酚等萜烯物质的合成主要受甲羟戊酸途径上游基因的表达调控。此外,本研究共筛选到13个差异表达转录因子,可能在腺体发育和棉酚合成过程中发挥关键作用。     

CPPU处理猕猴桃常温贮藏过程中果实糖含量相关基因的表达分析

为了解析采前CPPU处理的猕猴桃果实贮藏性与未处理果实的差异及相关的分子调控机制,以清水为对照,评价了盛花后用20 mg/L CPPU处理果实在常温贮藏下可溶性固形物、可滴定酸及可溶性糖含量的变化,并用转录组分析鉴定出与可溶性糖变化相关的候选基因。结果表明,无论处理还是对照,可溶性糖含量在贮藏过程中呈逐渐上升趋势,但CPPU处理果实的可溶性糖含量始终低于对照果实。转录组分析表明,CPPU处理抑制了淀粉和蔗糖代谢中的基因Achn087691(编码磷酸己糖异构酶)以及果糖和甘露糖代谢中基因Achn203191(编码磷酸丙糖异构酶)的表达,并促进淀粉和蔗糖代谢中基因Achn069851(编码己糖激酶)前期表达,但对基因Achn161931(编码尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶)、基因Achn206141(编码尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸酯-4-表异构酶)和基因Achn295291(编码果胶甲酯酶)表现为前期抑制、中期促进、后期抑制。由此推测,20 mg/L CPPU处理明显影响了徐香猕猴桃果实中可溶性糖含量及糖代谢相关基因的表达,致使果实常温贮藏过程中可溶性固形物和可溶性糖含量降低,且提前软化。     

氮素胁迫对水稻根系影响的转录组分析

养分胁迫会直接影响水稻的生长发育,相对于地上部分,根系往往较早感知环境胁迫。为了研究水稻根系对养分胁迫响应的分子机制,通过Illumina Hiseq2000平台测序,对氮素胁迫下水稻根系转录基因表达情况进行分析。结果表明,氮素胁迫诱导根系出现了2 270个差异转录基因,其中上调表达的有1 176个,下调表达的有1 094个。采用GO功能分类和Pathway功能注释,可将注释的基因划分为48个功能类别118条代谢途径,包括糖酵解、脂肪酸代谢、氧化磷酸化、氨基酸代谢、淀粉蔗糖代谢等生物学过程。部分根系关键基因表达变化表明,氮素胁迫诱导大量新生蛋白质合成,形成各种酶类,促进新RNA合成,从而形成了更多的新生蛋白质。氮素胁迫诱导根系IAA积累更多来自极性运输,参与植物细胞伸长发育的EGase基因及木质素特异合成途径的关键酶(CCR)表达量发生上调,这些转录基因表达量的变化是根系受养分胁迫刺激而发生了伸长生长的内在机制。     

强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因

利用基因芯片杂交方法,检测强优势玉米杂交种(C8605-2×W1445)雌穗发育过程中的基因表达动态,以期为进一步研究雌穗发育的分子机制提供证据。在雌穗到达小穗分化期之后8 d内,有671个基因的表达水平发生显著变化,主要表现出4种不同的表达模式。这些差异表达的基因涉及代谢、发育、刺激应答、细胞信号转导、物质运输等多个方面。细胞分裂基因、细胞壁结构和修饰蛋白基因在雌穗发育过程中大多表现为上调表达,可能对雌穗细胞的分化和果穗性状的形成产生重要影响。蛋白激酶、细胞信号转导以及转录因子基因等上游的信号传输和调控基因在雌穗的发育中也可能具有重要作用。     

铵态氮素促进甘薯块根形成的解剖特征及其IbEXP1基因的表达

This study chose Shangshu 19 (S19) and Jixu 23 (J23) categorized by valid tuber root number per plant as analyzing varieties and arranged treatment combinations consisted of two nitrogen forms ammonium nitrogen (A_N) and amide nitrogen (X_N) integrated with two nitrogen rates 60 kg hm^-2 (L_N60) and 180 kg hm^-2 (H_N180), using field and pot trial assays, plus a check treatment received no nitrogen supply in order to make research on the anatomical observation on sweet potato tuber root differentiation and expression characteristics of IbEXP1 gene associated with tuber root formation in ammonia nitrogen in 2014 and 2015. Our results showed that the storage root yield of Shangshu 19 associated with more valid tuber root number per plant was significantly higher than Jixu 23 at harvest stage, which was significant difference compared with each other. In addition, nitrogen levels and nitrogen forms had significant interaction effects. The 60 kg hm^-2 ammonium nitrogen treatment in two sweet potato genotypes achieved the highest final storage root yield in field experiment and showed higher valid tuber root number per plant, which attributed to the younger tubers whose root diameter between 0.5 cm and 5.0 cm during the canopy closure period. It had been observed that 60 kg hm^-2 ammonium nitrogen treatment possessed the most vessels in the primary xylem bundle and the lignified parenchyma cells of the stele tissues in the pre-cambial period, followed with possessing high level expression of IbEXP1 gene, the biggest root diameter and stele diameter and the most number of primary and secondary xylem bundles in the course of primary cambium growth. As the vascular cambium was initiated, relative expression of IbEXP1 gene at 60 kg hm^-2ammonium nitrogen treatment and the degree of parenchyma cells lignification were intermediate between no nitrogen application and high nitrogen treatments, however, the diameter of root and stele and the ratio of them were highest, which achieved the perfect harmony in lignification and division of parenchyma cells in tuberization.     

Effect of heat treatments on gene expression and enzyme activities associated to cell wall degradation in strawberry fruit

Strawberries at white ripening stage were heat treated at 45 °C for 3 h in an air oven and then stored at 20 °C for 72 h. Firmness, activity of enzymes associated to cell wall degradation, and expression of related genes were determined during the storage. Fruit firmness decreased during the incubation time, and after 24 h of storage the heat-treated fruit softened less than the control fruit. However, after 3 days at 20 °C no differences in firmness were detected between control and heat-treated fruit. Immediately after heat treatment application, the activity of endo-1,4-β-d-glucanase (EGase), β-xylosidase and β-galactosidase decreased, while polygalacturonase activity remained at a level similar to the control fruit. However, lower activities of all these enzymes, including polygalacturonase, were detected in heat-treated fruit after 24 h at 20 °C. The enzyme activity of β-xylosidase, β-galactosidase and polygalacturonase increased after 72 h up to similar or higher values than those of controls. However, endo-1,4-β-d-glucanase activity remained lower in heat-treated samples even after 72 h at 20 °C. The expression of genes encoding endoglucanase (FaCel1), β-xylosidase (FaXyl1), polygalacturonase (FaPG1) and expansin (FaExp2) was reduced immediately after treatment and during the following 4 h, and then increased after 24 h to levels similar to or higher than those of control fruit.

Therefore, the selected treatment (45 °C, 3 h in air) effectively reduced strawberry softening and caused a temporary reduction of both the expression of above-mentioned genes and the activity of a set of enzymes involved in cell wall disassembly.     

‘木门’百合休眠和花芽分化进程中激素变化

为了探究植物激素变化与百合休眠和花芽分化之间的关系,以‘木门’百合为试材,通过糖类物质变化和显微观测确定了休眠解除和花芽分化时期,并通过HPLC-MS技术进行了激素含量变化分析。结果表明‘木门’百合种球在3℃冷藏条件下56天左右休眠解除,70天左右开始花芽分化,其进程分为花芽分化初期、小花原基分化期和花器官分化期3个时期;休眠解除前GA₃/ABA上升,IAA/ABA、ZR/ABA比值保持低水平,休眠解除后GA₃/ABA保持升高,IAA/ABA、ZR/ABA比值升高;花芽分化初期ZR上升、GA₃下降、ZR/GA₃急剧上升,小花原基分化期ZR下降、GA₃上升、ZR/GA₃急剧下降,花器官分化期ZR和GA₃均上升,ZR/GA₃稳定不变。由此可见,低水平IAA/ABA、ZR/ABA促进休眠维持,持续上升的GA₃/ABA促进休眠解除,ZR/GA₃上升促进花芽分化起始,下降则促进小花原基形成。本研究结果将为‘木门’百合的采后储藏和开花调节提供一定理论参考。     

不同促根措施对皖南烤烟成熟期钾素代谢的影响

以大田正常施肥为对照（CK）,设置增施黄腐酸钾（TPFA）、γ-聚谷氨酸（TPGA）和豆浆灌根（TSRI）3个处理,研究不同促根措施对烤烟成熟期根系生理、烤后烟叶钾含量、烟株不同部位钾积累量、钾离子通道基因（NKT1、NtKC1、NtORK1、NtTPK1）和转运体基因（NtHAK1、NtKT12）表达量的影响。结果表明,处理的根鲜重、干重和体积均显著高于CK处理,TPFA和TSRI处理的根系活力显著高于TPGA处理;TSRI和TPGA处理可明显提高烤后烟叶的钾含量;不同促根措施可显著促进根、茎和中部叶的钾积累量;TSRI处理的根中NtORK1的相对表达量显著低于CK处理,TPGA和TPFA处理的上部叶和中部叶NtORK1的相对表达量极显著低于CK处理;TSRI处理根中NtTPK1的相对表达量极显著高于其他处理;3个处理根中NtHAK1的表达量极显著高于CK处理。综合来看,TPGA和TSRI处理不但能促进根系发育、提高钾积累量,而且成熟期烟株对钾的吸收和转运能力强,增加烤后烟叶的钾含量。     

谷子PEPC基因的鉴定及其对非生物逆境的响应特性

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)是C4植物光合作用关键酶,并在植物多种代谢途径及逆境信号应答过程中起重要作用。本研究通过序列比对,从谷子基因组中筛选出6个SiPEPC候选基因。SiPEPC蛋白特征参数相似度很高,序列非常保守,都含有PEPC基因特征功能域PEPcase Motif。SiPEPC成员主要被定位在细胞质、细胞核和线粒体。在SiPEPC成员启动子序列中含大量有光、激素、逆境以及其他生长调控相关的顺式应答元件。苗期逆境qRT-PCR表达谱分析表明,5个SiPEPC基因(SiPEPC1、SiPEPC2、SiPEPC3、SiPEPC5、SiPEPC6)不同程度受ABA、PEG、高盐和低温诱导表达,表明其参与了苗期对非生物逆境的响应。5个SiPEPC基因表达量在正常生长条件下随着谷子的生长呈增强趋势,且在不同生育时期干旱胁迫下明显增加,表明其参与了拔节、抽穗、灌浆期的干旱胁迫应答。拔节期弱光可诱导5个SiPEPC基因的表达,而在拔节期中等强度光照以及抽穗期和灌浆期的中等光照和弱光照下表达量均急剧降低,揭示光照强度严重影响SiPEPC基因的表达。     

增效缩节安化学封顶对棉花主茎生长的影响及其相关机制

缩节安(1,1-dimethyl piperidinium chloride, DPC)是棉花生产中广泛应用的植物生长延缓剂。增效DPC (DPC ⁺, 25%水剂)助剂中的成分能对植物幼嫩组织表面形成轻微伤害, 实践证明其可实现棉花化学封顶、起到替代人工打顶的作用。为探究DPC ⁺作用机制, 本试验于2015年在田间条件下研究了棉花盛花期后(7月24日)应用DPC ⁺ (1125 mL hm ^-2)对棉花主茎生长和顶芽解剖结构、氧化还原状态及相关基因表达的影响。结果表明, 与对照(同期喷施清水)相比, DPC ⁺处理后棉花株高降低, 白花以上节位(nodes above the last white flower, NAWF)更早降到5; 处理后3 d即可观察到主茎生长点较对照扁平, 生长点的纵横比显著低于对照; 处理后6 h棉花顶芽的O₂ ^-、H₂O₂和MDA含量高于对照, 而开花相关基因GhSPL3和GhV1及顶端分生组织相关基因GhREV3的表达量则低于对照。化学封顶剂DPC ⁺可引起棉株顶芽的短期氧化应激反应, 降低与主茎生长点发育和花芽分化相关基因的表达水平, 从而延缓棉株生长和花芽的产生, 实现化学封顶。     

薰衣草芳樟醇合酶基因的克隆、表达及酶活性检测

从高油薰衣草品种“杂花”中克隆得到芳樟醇合酶基因LIS1和LIS2,并对其进行了生物信息学和表达模式分析、原核表达和酶活性检测,以低油品种“法国蓝”为对照。结果表明,LIS1基因编码602个氨基酸,LIS2基因编码564个氨基酸。LIS1蛋白与阔叶薰衣草、一串红的芳樟醇合酶亲缘关系相近,LIS2蛋白与狭叶薰衣草、杂薰衣草的芳樟醇合酶亲缘关系相近。LIS1基因在“杂花”花器官半开期、盛开期和衰败期的表达量均高于“法国蓝”;LIS1基因在“杂花”花萼中的表达量最高,且仅在“法国蓝”雄蕊中少量表达。LIS2基因在“杂花”花器官不同组织和不同发育时期表达量均低于其在“法国蓝”中表达量,该基因在“杂花”花器官衰败期和“法国蓝”花器官半开期表达量最高,在2个品种花萼中高表达。LIS2基因在2个品种不同发育时期及组织中的表达量均明显高于LIS1基因。LIS1和LIS2重组蛋白具有单萜合酶活性,且均参与合成芳樟醇。     

利用染色体片段置换系定位低温影响水稻萌芽期根长和芽长QTL

根和芽的正常生长和发育对保障水稻产量有重要作用。为探究在低温条件下影响幼芽期根长和芽长的QTL,以9311（受体）和日本晴（供体）染色体片段置换系群体为材料,将萌发种子置于15℃低温处理7d,然后在25℃下恢复生长7d,连续测量根长和芽长,以25℃下根长和芽长作为对照,定位低温条件下影响根长和芽长的QTL。15℃条件下,定位到9个根长QTL,贡献率为8.65%~24.35%,其中qRL15T7.2和qRL15T10.3在根生长不同时期被重复检测到;定位到9个影响芽长的QTL,贡献率为1.73%~28.89%,其中qBL15T6、qBL15T7、qBL15T9和qBL15T10被重复检测到。25℃条件下,定位到9个根长QTL,贡献率为1.73%~28.89%,qRL25T7、qRL25T9.3、qRL25T10和qRL25T12在根生长不同时期被重复检测到;定位到5个影响芽长QTL,贡献率为0.58%~38.26%,qBL25T3.3在芽生长不同时期被重复检测到。其中,第2、7、9和10号染色体上4个Bin标记区域存在既控制根长又控制芽长的QTL。通过比较发现,15℃下定位到的根长或芽长QTL与25℃定位到的根长或芽长QTL均不相同,表明低温条件下控制水稻幼芽期根和芽生长的遗传机制可能与正常温度下不同。     

70份国外小麦品种(系)的苗期和成株期抗叶锈病鉴定

小麦叶锈病是小麦生产中的重要病害之一,培育持久抗病品种是最经济、有效和环保的方法。本研究用19个不同毒力的叶锈菌小种苗期接种70份国外引进小麦品种(系)及36个已知抗叶锈病基因的载体品种进行抗性鉴定,同时在2016—2017年度分别于河北保定和河南周口对70份国外引进品种进行田间抗叶锈性鉴定。为进一步检测材料中所携带的苗期和成株抗叶锈病基因,利用12个与已知基因紧密连锁的分子标记进行检测,综合基因推导、系谱分析和分子标记检测的结果,在33份材料中鉴定出15个抗叶锈病基因,包括Lr1、Lr2a、Lr26、Lr3ka、Lr11、Lr17、Lr30、Lr10、Lr14a、Lr2b、Lr13、Lr15、Lr21、Lr44和Lr45,田间鉴定筛选出39份品种表现慢锈性。苗期和田间表现表明,国外品种中含有丰富的对我国叶锈菌小种有效的苗期和成株期抗叶锈病基因,可作为小麦抗叶锈病抗源在抗病育种中加以利用。