Reduction in cadmium accumulation in japonica rice grains by CRISPR/Cas9-mediated editing of OsNRAMP5

Cadmium (Cd) intake is harmful to human health and Cd contamination in rice grains represents a severe threat to those consuming rice as a staple food. Knockout of Cd transporters is a promising strategy to reduce Cd accumulation in rice grains. OsNRAMP5 is the major transporter for Cd and manganese (Mn) uptake in rice. Nevertheless, it is uncertain whether knockout of OsNRAMP5 is applicable to produce low Cd rice without affecting plant growth and grain yield. In this study, we adopted CRISPR/Cas9-based gene editing technology to knock out OsNRAMP5 in two japonica varieties. We generated three independent transgene-free osnramp5 mutants and investigated the effect of osnramp5 mutations on Cd accumulation and plant growth. Hydroponic experiments showed that plant growth and chlorophyll content were significantly reduced in osnramp5 mutants at low Mn conditions, and this defective growth in the mutants could be fully rescued by supply of high levels of Mn. Cd and Mn accumulation in both roots and shoots was markedly reduced in the mutants compared to that in wild-type plants. In paddy field experiments, although Cd in flag leaves and grains was greatly reduced in osnramp5 mutants, some agronomic traits including plant height, seed setting rate, and grain number per panicle were affected in the mutants, which ultimately caused a mild reduction in grain yield. The reduced plant growth in the mutants can be attributed to a marked decrease in Mn accumulation. Our results reveal that the manipulation of OsNRAMP5 should be treated with caution: When assessing the applicability of osnramp5 mutants, soil pH and soil water content in paddy fields need to be taken into consideration, since they might affect the levels of available Mn in the soil and consequently determine the effect of the mutation on grain yield.     

镉胁迫对烟草种子萌发和烟苗生长发育的影响

为探讨不同镉（Cd）胁迫对不同烟草品种种子萌发、幼苗生长的生理生态效应的影响,以吉烟9号、吉烟10号、延晒六号3个烟草品种为材料,研究了不同浓度的Cd溶液对烟草种子萌发以及烟苗生长发育的影响。结果表明,Cd胁迫下烟草种子发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、苗高均受到抑制;烟苗叶绿素含量降低,根冠比变小,生长受到抑制,CAT活性、SOD活性、可溶性糖含量随Cd浓度的增加呈先增后降的趋势,POD活性、MDA含量、Pro含量、Cd含量均随Cd浓度的增加而增加。可见Cd胁迫能不同程度地影响烟草种子萌发和烟苗生长发育,烟苗体内的抗氧化酶系统被破坏,多种酶活性不协调,生理生化过程紊乱,最终导致烟苗受害。     

黄土高原丘陵区枣和酸枣叶脉序特征分析

为了研究枣(Ziziphus jujuba Mill.)和酸枣(Z.jujuba var.spinosa)叶脉序的关系,选用黄土高原丘陵枣区的枣(55个)、酸枣(28个)和过渡型(7个)共计90个样品,利用LEAF GUI叶脉序分析技术,测定了叶脉密度(VLA)、叶脉间距离(IVD)和节点数(Nodes)等14个指标,主成分分析选出8个枣叶脉序特征指标,研究了枣和酸枣叶脉序指标特点及特征。结果表明,在干旱、贫瘠生境中生长的酸枣,其叶脉间距离(0.094 mm)、网眼面积(2.84×10~(-4)mm~2)和节点数(17 823个)都显著低于黄土高原丘陵区枣园栽培条件下的枣(p0.05),而酸枣的叶脉密度(7.14 mm·mm~(-2))显著高于栽培条件下的枣,表现出很高的生态适应性。并且,枣叶脉序特征指标的变异系数范围(15.24%～74.69%)大于酸枣(20.37%～52.84%)。因此,枣和酸枣可以通过权衡叶脉序指标之间的关系,采取不同的适应策略。酸枣相比枣,更倾向于选择高叶脉密度、低网眼面积、低节点数的适应策略。对陕北样品聚类分析,在相似系数为1.8时,分为I、II两大类群;对黄土高原丘陵区的样品聚类分析,在1.69时,分为I、II两大类群,分别为酸枣和枣,过渡型在两个类群中都有。说明酸枣经过渡型向枣的演化,也说明叶脉序可以区分枣和酸枣。而栽培枣被分为4个类群,相似系数为1.29,种间结构较为复杂,是由长期的人工选择和营养繁殖模式所决定。     

不同水肥浓度对涌泉根灌枣树叶面积和产量的影响

以陕西榆林山地矮化密植梨枣树为研究对象,分析了不同水肥浓度对涌泉根灌枣树生育期内叶面积指数、果实发育和产量的影响。结果表明,不同水肥处理叶面积指数在枣树果实膨大期达到高峰,且稳定持续至果实成熟期末期,随后叶面积指数开始下降。叶面积指数随着萌芽展叶期灌水量的增加而增加,所有水肥处理下,枣数叶面积指数最大的是高水中肥处理(W1N2)；所有处理中,高水、低水处理与低肥相组合,果实体积最大,中灌水处理为不施肥时果实的体积最大。单位枝长的果实数目最高的是中水中肥处理(W2N2),最低的是低水处理(W3),在一定范围内,适当施肥能促进枣果单位枝长的果实数目的增加,但肥液浓度过大,反而会抑制其增加。在一定条件下,所有处理中产量最高的是中水中肥处理(W2N2),产量超过2000kg/亩,最低的是低水高肥处理(W3N1),产量不到1000kg/亩。因此可以选择中水中肥处理(W2N2),能获得最高的产量。     

菠萝蜜种子淀粉体外消化酶解动力学及血糖值分析

以菠萝蜜种子为原料提取淀粉,以木薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉为参照,采用体外消化试验测定菠萝蜜种子淀粉的快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量,并进行酶解动力学实验。结果表明:菠萝蜜种子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量分别为4.50%、19.65%和75.85%,酶解速率为0.60 h-1,平衡浓度为36.93%,酶解指数为41.43,血糖指数为62.45,属于中等血糖食物;菠萝蜜种子淀粉消化性、平衡浓度、酶解指数与血糖指数均高于马铃薯淀粉,而低于其他三种淀粉,酶解速率比马铃薯淀粉、木薯淀粉快,比大米淀粉、玉米淀粉慢。      

不同因素影响下层状土壤水分入渗特征及水力学参数估计

层状土壤是自然界常见的土体结构,其水分运移规律不同于均质土;大气降水、灌溉水等水分的入渗是土壤水文过程的一个重要环节,同时它也与地下水补给、污染物运移等过程紧密相关。土壤初始含水量、土体构型及供水强度等因素均会影响水分的入渗过程。为探究积水深度、土体构型、初始含水量三种因素对层状土壤水分运移的影响,通过室内积水入渗试验对湿润锋、累积入渗量、土壤剖面压力水头进行观测,并利用Hydrus-1D模型反演水力参数并对相应条件下的水分运移规律进行模拟和分析。结果表明,层状土壤中湿润锋随时间的推进方式由非线性过渡至线性,入渗率逐渐减小。三种因素作用下,层状土壤水分运移特征有明显差异:积水深度、土壤初始含水量增加时,湿润锋运移速率和入渗率均增大,且各观测点压力水头升高加快,土壤不饱和程度降低;上砂壤下粉砂壤构型较上粉砂壤下砂壤构型而言,整体湿润锋推进速率和入渗率较大,出流快,且入渗后期界面处的压力水头高于其他观测点。且结果表明,反演的水力学参数较拟合实测的参数更适用于层状土壤入渗的模拟和预测。该研究旨在揭示和掌握层状土壤水分运移规律和影响因素的作用机制,并进一步为农田灌溉措施的合理制定提供科学依据。     

基于USLE模型的长株潭城市群生态绿心区水土流失研究

[目的]研究2018年长株潭(长沙市—株州市—湘潭市)城市群生态绿心区最佳植被覆盖和水土流失状况,为区域综合治理提供理论依据。[方法]运用GIS和RS技术,以长株潭区域降雨、土壤、地形、土地利用等数据为基础,采用归一化植被指数(NDVI)模型和USLE国际通用土壤流失方程为优选模型。[结果]长株潭绿心区总面积为52 287 hm~2,整体植被状况较好,高覆盖度(75%～100%)面积最大,占绿心区总面积一半以上,为26 598.40 hm~2;中低覆盖度(30%～40%)面积最小,占区域总面积的8.61%,为4 501.91 hm~2。长株潭城市群生态绿心区总侵蚀(不含微度)面积为3 654.24 hm~2,占总面积的6.99%。湘潭市侵蚀比重最高,为8.51%,长沙市次之,为6.67%,株洲市侵蚀总比例最小,为5.68%。工程建设用地在禁止开发区、限制开发区和控制建设区的侵蚀面积分别为963.92,310.74,735.11 hm~2。[结论]受人为因素、城市建设、产业分布等影响,长株潭城市群生态绿心区覆盖度空间呈现西部低,中东部高的格局,工程建设是造成绿心区土壤侵蚀的主要原因。     

环境因子对中肋骨条藻生长及叶绿素荧光特性的影响

为了解温度、光照和磷酸盐及其交互作用对中肋骨条藻(Skeletonema costatum)生长及叶绿素荧光特性的影响,每个环境因子设置3个水平[温度:17、23、29℃;光照:80、120、160μmol photons/(m~2·s);磷酸盐:0.1、1、10μmol/L],考虑环境因子间的两两交互作用,采用L18(3~7)正交实验表安排室内培养实验,研究中肋骨条藻叶绿素a浓度和光合活性的变化。结果表明,3因素3水平的实验中,中肋骨条藻在10μmol/L磷酸盐浓度下叶绿素a峰值能达到较高水平,其中最优环境因子水平组合为23℃、120μmol photons/(m~2·s)、10μmol/L。在培养期间,磷酸盐浓度对中肋骨条藻叶绿素a峰值造成极其显著的影响(P0.01),温度、光照及两两间的交互作用未对叶绿素a峰值造成显著影响(P0.05)。中肋骨条藻在10μmol/L磷酸盐浓度下光合活性更高,但光能利用效率α并未随磷酸盐浓度表现出明显差异。当中肋骨条藻处于10μmol/L和1μmol/L磷酸盐浓度时,光照对最大量子产量F_v/F_m造成显著影响(P0.05);10μmol/L磷酸盐浓度下,F_v/F_m在80和120μmol photons/(m~2·s)光强下较高;在1μmol/L磷酸盐浓度下,F_v/F_m在120μmol photons/(m~2·s)光强下最低。     

盐胁迫下宁夏枸杞Na+吸收及Na+/H+转运蛋白与H+-ATPase基因表达的研究

为从分子水平揭示宁夏枸杞钠的吸收积累机理,本试验采用原子吸收分光光度法和实时荧光定量PCR(RT-qPCR)方法,对盐胁迫下宁夏枸杞根中Na⁺、K⁺含量以及质膜和液泡膜Na⁺/H⁺转运蛋白与H⁺-ATPase基因表达水平进行测定分析。结果表明,相同胁迫时间下,随着NaCl处理浓度的增加,枸杞根系中Na⁺浓度总体呈缓慢增加趋势,K⁺含量呈先增加后减少趋势,Na⁺/K⁺比值呈先减少后增加趋势;编码质膜和液泡膜的Na⁺/H⁺转运蛋白基因LbSOS1、LbNHX1以及液泡膜H⁺-ATPase基因LbVHA-C1表达量均呈升高趋势,质膜H⁺-ATPase基因LbHA1表达量呈先升高后降低趋势。相同NaCl处理浓度下,随着胁迫时间的延长,Na⁺含量总体呈增加趋势,K⁺含量呈先增加后减少趋势,Na⁺/K⁺比值呈增加趋势。LbSOS1、LbNHX1表达量总体呈先升高后降低趋势,LbVHA-C1、LbHA1表达量总体呈降低的趋势。相关性分析显示,不同胁迫时间下,枸杞根中LbSOS1、LbNHX1、LbVHA-C1和LbHA1表达量与Na⁺含量存在一定的正相关或负相关。上述结果表明,在低浓度NaCl胁迫时,维持枸杞体内较高的K⁺/Na⁺比值是宁夏枸杞耐盐的主要方式之一,同时也说明在胁迫初期,质膜和液泡膜的Na⁺/H⁺转运蛋白与H⁺-ATPase参与了枸杞细胞中Na⁺及时排出胞外和区隔于液泡,从而保持了根细胞内Na⁺的稳定性。此外,随着胁迫时间的延长和NaCl处理浓度的增加,LbSOS1、LbNHX1、LbVHA-C1和LbHA1的表达水平均降低,而 Na⁺积累量大幅增加,致使枸杞抗盐性降低。本研究揭示了宁夏枸杞的耐盐机理,为利用宁夏枸杞改良宁夏大面积盐碱地提供了理论依据。     

黎藤节间与节部纤维形态特征的径向变化

为了更好地指导藤材的合理利用,缓解日益紧张的木材供需矛盾,采用显微图像分析方法,对3组黎藤试样2m处藤节间与节部的纤维形态特征进行了观察与统计,并进行对比与分析。结果显示,黎藤节间与节部纤维的长度、宽度、长宽比、腔径、双壁厚分别为981.779和921.271μm、7.786和8.719μm、130.822和113.021、3.716和3.669μm、4.070和5.051μm。由藤芯到藤皮节间处纤维长度和长宽比均呈现先增后降的趋势,节部处纤维长度和长宽比、节间纤维宽度均呈现逐渐下降的趋势;节间、节部处纤维腔径及节部宽度均呈现先降后增的趋势;节间处双壁厚呈现逐渐下降的趋势,节部处双壁厚呈逐渐增加的趋势。经F检验,在0.05水平上节间与节部处纤维宽度和双壁厚存在极显著差异。平均纤维微纤丝角为42.71°,变化区间在39.38°～46.03°;平均纤维素结晶度为46.96%,变化区间在44.10%～49.82%,且藤皮处结晶度大于藤芯处。