过表达ZmIBH1-1提高玉米苗期抗旱性

【目的】干旱是严重影响玉米生长发育进程的一个重要因素。挖掘玉米抗旱相关基因,通过转基因功能验证和转录组分析,解析关键基因在响应干旱胁迫过程中的分子调控机制,为抗旱分子育种和遗传改良提供理论依据。【方法】以玉米自交系B104（WT）为背景材料,利用农杆菌介导方法构建过表达ZmIBH1-1转基因株系（ZmIBH1-1-OE）;通过对转基因植株进行草铵膦抗性筛选、标记基因和目的基因PCR检测,以及运用实时荧光定量PCR检测目的基因的表达情况,鉴定阳性植株和株系;以WT和ZmIBH1-1-OE转基因株系为材料,通过干旱处理（20% PEG6000）,进行表型鉴定和耐旱生理生化指标测定,验证ZmIBH1-1的抗旱功能;通过对干旱胁迫下玉米4叶期转录组的比较分析,鉴定出差异表达的基因（differentially expressed genes,DEGs）;结合DAP-seq（DNA affinity purification sequencing）分析,初步确定ZmIBH1-1蛋白直接调控与抗旱相关的下游靶基因,利用基因组可视化软件IGV（integrative genomics viewer）分析ZmIBH1-1蛋白结合候选靶基因的位置,然后通过Dual-Luciferase试验验证ZmIBH1-1蛋白与靶基因的调控关系。【结果】通过玉米遗传转化获得12个转化事件;T₃代中,能同时检测到标记基因Bar和目的基因ZmIBH1-1的植株有458个,实时荧光定量PCR检测结果表明,ZmIBH1-1-OE中ZmIBH1-1的表达量显著高于WT,株系3和株系8表达量最高,将其自交获得T₄代转基因株系用于后续试验。在干旱胁迫条件下,ZmIBH1-1-OE株系存活率、叶片相对含水量、叶绿素含量、可溶性蛋白含量及其生理生化指标（超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性）均显著高于WT,说明玉米中过量表达ZmIBH1-1赋予玉米更高的耐旱性。转录组分析结果表明,WT与ZmIBH1-1-OE株系在干旱胁迫下有1 214个差异表达基因;Gene Ontology（GO）功能富集分析结果表明,差异表达基因主要涉及生物过程、细胞组分和分子功能,如在生物过程中主要涉及到光合作用、应激响应、脱水响应等;KEGG富集分析表明,差异表达基因主要参与植物激素信号传导、新陈代谢等过程。结合转录组显著差异表达基因和DAP-Seq分析所得到ZmIBH1-1蛋白的靶基因,初步确定ZmIBH1-1蛋白直接调控与抗旱相关的11个候选靶基因,包括2个钙信号相关基因、3个半胱氨酸代谢相关基因、1个bHLH转录因子、1个应激响应蛋白、1个谷胱甘肽转移酶、1个氧化还原过程蛋白和2个乙烯响应因子;基因组可视化结果显示ZmIBH1-1蛋白可以结合靶基因启动子区;随后通过Dual-Luciferase试验进一步表明,ZmIBH1-1蛋白可以直接作用于11个候选靶基因,其中,ZmIBH1-1蛋白可以促进ZmCa-M、ZmSYCO、ZmbHLH54、ZmGlu-r1、ZmCLPB3和ZmP450-99A2的表达,抑制ZmAGD12、ZmCYS、ZmCYSB、ZmERF-107和ZmEIN3的表达。此外,在干旱胁迫下NAC、WRKY、MYB等转录因子在ZmIBH1-1-OE和WT株系中也存在差异表达。【结论】ZmIBH1-1的过表达可以增强玉米苗期的耐旱性;ZmIBH1-1蛋白通过直接调控乙烯信号通路中的ZmERF-107和ZmEIN3的表达提高玉米的耐旱性;ZmIBH1-1蛋白通过直接调控钙信号相关基因ZmCa-M和ZmAGD12增强玉米的耐旱性;ZmIBH1-1蛋白可能通过间接调控NAC、WRKY、MYB等转录因子响应干旱胁迫。     

基于landsat8的贵州省2015年农业干旱监测研究

在全球气候变暖背景下,干旱普遍发生,而农业干旱对国民经济发展的影响尤为明显,同时农业干旱还威胁着国家的粮食安全和生态安全。基于贵州省2015年不同季节的landsat8 OIL遥感数据,利用影像数据所获取的植被覆盖指数和地表温度数据,拟合植被指数(NDVI)和地表温度(LST)的特征空间,设计得到贵州省2015年春、夏、秋、冬四个不同季节的不同的土壤湿度,将TVDI作为监测农业干旱状况的指标,得到贵州省2015年的农业干旱时空分布图。结果表明,土壤含水率的高低与植被覆盖和地表温度有关,且TVDI更适宜中等植被覆盖的土壤湿度反演。贵州省2015年全年旱情较缓,各地区均不存在春旱或伏旱,只有冬季绝大部分地区土壤含水率较低,更有力地促进了农业干旱的发生。因此,对农业干旱的监测研究为贵州省农业干旱的监测管理提供有力依据,为今后减少农业干旱的影响和进一步促进农业社会经济可持续发展具有重要的现实意义。     

外源褪黑素对干旱胁迫下大豆鼓粒期生理和产量的影响

干旱胁迫降低大豆产量,探究提高大豆耐旱能力和降低产量损失的机制对大豆生产具有重要意义。施褪黑素能缓解干旱胁迫对植株生长的抑制和氧化损伤。本试验于2017—2018年研究叶面喷施褪黑素对干旱胁迫下大豆鼓粒期叶片光合、抗逆、碳氮代谢和产量的影响表明,外源褪黑素提高干旱胁迫下大豆叶片抗氧化酶活性,抑制活性氧的产生和细胞膜损伤,缓解干旱胁迫对光合能力的抑制,提高碳氮同化能力,最终缓解干旱胁迫造成的产量损失。与干旱胁迫相比,褪黑素处理下单株荚数、单株粒数和百粒重两年平均提高了2.9%、0.8%和17.2%,产量(单株粒重)平均提高了14.7%。     

Impact of soil water content on maize responses to the plant growth-promoting rhizobacterium Azospirillum lipoferum CRT1

Members of the bacterial genus Azospirillum are root-associated bacteria that increase yield in cereals by promoting growth and alleviating drought stress. How plants integrate the many bacterium-derived growth-promoting stimuli with other environmental factors to generate a coordinated response remains unresolved. Using a commercial Azospirillum strain, A. lipoferum CRT1 and two host maize cultivars, it was observed that bacterization reduced the drought-induced increase in lateral root growth and enhanced the flood-induced increase in lateral root growth in the more drought- and flood-sensitive cultivar. In the other one, A. lipoferum CRT1 only elicited a moderate root growth response under low soil water potential. The photosynthetic potential and activity were increased in the earlier cultivar and decreased in the later one, irrespective of the soil water content. No impact of the bacterium was seen on the growth of the leaves of both cultivars under both stresses until the third leaf stage, therefore suggesting that it is a consequence of multiple primary adaptations to biotic and abiotic stresses. It is suggested that host–bacteria recognition leads to a stress-specific modulation of the root response and a differential stress-independent effect on photosynthesis. This is the first report of the impact of Azospirillum under flood conditions.     

Response of the soil macrofauna abundance and community structure to drought stress under agroforestry system in southeastern Qinghai-Tibet Plateau

ABSTRACT

Soil macrofauna is vital for soil functions and soil-mediated processes in all ecosystems. However, environmental perturbations, such as drought, that threaten both the abundance and function of soil macrofauna remain mostly unexplored, particularly in an agroforestry system. We investigated the effects of drought on soil macrofauna abundance and vertical distribution under three different planting systems including two intercropping systems, comprising Chinese prickly ash (Zanthoxylum bungeanum) intercropped with soybean (Glycine max) (Z-G) or bell pepper (Capsicum annuum) (Z-C), and one monoculture system, comprising only Z. bungeanum (Z). Soil samples were collected at depths of 0–10, 10–20, and 20–30 cm, and soil macrofauna and chemical properties were analyzed. Soil dryness negatively affected soil macrofauna in all planting systems. Drought reduced the total macrofauna density, biomass, genera richness, and Pielou’s evenness. Additionally, drought significantly decreased density and biomass of Drawida and Eisenia but had no effect on Carabid beetles. Soil macrofauna density was highest in the Z-G intercropping system and higher at 0–10 cm than at other soil depths. These results indicate that intercropping soybean rather than bell pepper increases the abundance and biomass of soil macrofauna, and drought remarkably impacts the response of soil macrofauna to planting systems.     

欧洲葡萄‘粉红亚都蜜’NAC基因DRL1负向调节植物抗旱性

以欧洲葡萄‘粉红亚都蜜’（Vitis vinifera‘Yatomo Rose’）为材料，利用荧光定量PCR技术和转基因技术研究葡萄NAC转录因子DRL1基因对逆境的响应。欧洲葡萄‘粉红亚都蜜’在激素和逆境胁迫下，DRL1表达呈下降趋势，其中以ABA和干旱胁迫处理最为显著。在ABA处理下DRL1转基因烟草株系种子萌发率和根长均高于野生型。干旱处理下，转基因植株对干旱的耐受性降低，同时胁迫相关基因NtLEA5、NtP5CR1、NtPSCS1、NtERD10C和NtDREB3的表达水平比野生型显著下降。此外，DRL1转基因烟草茎中柱发育受到抑制，尤其是导管横切面积仅为野生型的58%。以上结果表明，DRL1基因可能作为1个负向调节子参与植物的干旱胁迫。     

近60年河北省冬小麦干旱风险时空规律

干旱是造成作物减产的主要自然灾害,开展作物干旱成因机制和时空特征研究,对于稳定区域粮食生产有重要意义。本研究基于河北省内18个国家标准气象站点1958—2016年的长时间序列观测资料,采用水分亏缺指数(CWDI)作为干旱评价指标,分析了近60年来河北省冬小麦的干旱风险时空格局;通过CWDI对不同气象因子的敏感性分析,进一步探究了冬小麦干旱的成因机制。研究表明,冬小麦生育期需水量和干旱风险呈先增后减再增加的特征,在拔节–抽穗阶段的干旱风险最高,其次是抽穗-成熟阶段。冬小麦全生育期间干旱等级以重旱和特旱为主,特别在其产量形成的关键生长中后期,河北省东南部黑龙港地区面临较高的旱灾风险。冬小麦干旱受降水、气温、湿度等多种因素的影响,其中影响最大的是降水;气温是影响冬小麦生育后期干旱程度的关键因子,伴随近几十年气候变化冬小麦生长期内温度明显升高,将增加冬小麦生长期的耗水量和灌溉需求。本研究揭示了气候变化影响下河北省冬小麦干旱风险的时空演变规律,识别出了干旱灾害的高风险区和关键生育期阶段,可为优化冬小麦灌溉管理和农田防灾减灾提供参考依据。     

基于温度植被干旱指数的曲靖市干旱监测研究

本研究利用MODIS归一化植被指数(NDVI)和地表温度(Ts)产品数据,构建Ts-NDVI特征空间,计算温度植被干旱指数(TVDI),分析评价云南曲靖市2010—2012年的干旱时空分布状况。结果表明,2010年曲靖市遭遇了非常严重的干旱灾害,受灾面积高达研究区总面积的80%以上,基于TVDI指数的旱情动态监测方法适合云南省曲靖干旱监测。本研究建立的温度植被干旱指数模型提高了干旱监测的实用性,在曲靖市干旱监测上具有很好的适应性,可以广泛应用到该地区干旱监测研究中,为曲靖的农业防灾减灾能力和可持续发展提供科学保障。     

4个核桃类树种苗木应对持续干旱的生理响应

采用自然干旱法，对引种栽培的美国黑核桃‘北加州黑核桃’和美国山核桃‘波尼’以及乡土核桃树种（漾濞大泡核桃和旺核2号）的2年生苗木进行干旱胁迫处理，测定其生理生化指标，对比分析其抗旱性。结果表明：(1) 4个树种的根系活力、叶片相对含水量、叶片水势和超氧化物歧化酶均随干旱胁迫的增强而呈下降的趋势，叶片相对电导率呈上升的趋势，叶片丙二醛含量呈先增加后下降最后上升的趋势，可溶性糖含量呈先增后减的趋势。（2）叶片可溶性糖含量在第14天时发生显著变化；根系活力在第17天时发生显著变化；叶片相对含水量和丙二醛含量以及超氧化物歧化酶活性在第19天时开始发生显著变化；叶片相对电导率、叶片水势均在第23天时发生显著变化。 (3) 4个树种的抗旱隶属值排序为：‘北加州黑核桃’>‘波尼’>‘旺核2号’>漾濞大泡核桃，说明引进种对干旱的适应性要高于乡土树种。     

异源表达玉米ZmC3H54基因增强水稻的耐旱性

CCCH锌指蛋白是一类重要的转录调控因子。从玉米中分离得到一个受干旱和ABA诱导表达的CCCH型锌指蛋白基因ZmC3H54，通过构建过量表达载体并转化水稻来进一步研究其功能。 与对照组相比，转基因植株在干旱胁迫处理下具有更高的相对含水量与存活率以及较低的相对电导率，表明过量表达ZmC3H54基因可以提高转基因水稻的耐旱性。此外，转基因水稻幼苗对外源ABA敏感性更高。以上结果表明玉米ZmC3H54基因可能是通过ABA信号通路调控植物对干旱的耐受性。