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。     

转TaDREB3a基因大豆抗旱筛选鉴定

研究利用转TaDREB3a基因株系T4代大豆植株与野生型植株开展PEG模拟干旱处理和PCR鉴定,获得5个阳性TaDREB3a过表达株系。于苗期和花期分别干旱处理,根据表型及相对含水量、相对电导率、叶绿素含量等生理指标,利用抗旱隶属函数值对5个转基因株系划分抗旱级别,同时分析株高、根长、荚数、粒数等农艺性状差异显著性。结果表明,大豆株系花期极其敏感,不适合在花期鉴定抗旱性,苗期适合抗旱材料鉴定;通过各生理指标与抗旱级别划分以及相关农艺性状显著性分析,最终确定株系HL16-16-6、HL16-17-1为高抗品系,为抗旱材料鉴定及抗旱品种培育奠定理论基础。     

南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征

[目的]分析南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征,为该区旱涝灾害防治决策、牧区生态重建及保护提供科学参考。[方法]基于南方农牧交错带1960—2017年20个气象站点逐月降水量资料,采用标准化降水指数(SPI)、反距离权重插值、M-K突变检验等方法对南方农牧交错带近58 a的降水特征及旱涝灾害时空格局进行研究。[结果]①近58 a以来南方农牧交错带年平均降水量以3.98 mm/10 a的速率在增加,降水主要集中在夏季,用M-K方法检测出该区域年平均降水量在1990年发生突变;②受气候、大气环流、地形、海拔高差、下垫面等因素的影响,降水量在空间分布上以维西—理塘—若尔盖为界,西北部降水量少,东南部降水量多,降水量呈现出由东南向西北递减的趋势;③研究区年降水量的增减变化以松潘—马尔康—新龙—理塘—稻城一线为界线,该线以东地区的年降水量均呈显著增长趋势发展,以西地区的年降水量呈显著减少趋势;[结论]研究区20世纪60—70年代旱灾发生的频率略高,80—90年代涝灾发生的频率较高,2000年以来旱涝灾害呈明显的减弱趋势发展。     

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%。     

干旱胁迫对不同品种大花萱草光合特性的影响

对大花萱草(Hemerocallis hybridus)进行干旱胁迫处理,利用LI-6400XT型便携式光合仪测定了其叶片的光合特性。结果表明,随着干旱胁迫时间的延长,9个品种的大花萱草的蒸腾速率和气孔导度总体上均呈现先上升后下降的趋势,而叶片的总叶绿素含量和净光合速率总体上随着干旱胁迫时间的延长而下降。综合叶绿素含量和净光合下降程度,9个品种大花萱草的抗旱能力表现为:‘世界’‘西罗亚恩典’‘静脉’‘白珍珠’‘花边桌巾’‘冰淇淋’‘迷你斯特拉’‘余烬’‘罗斯维塔’。该研究结果对大花萱草的良种选育具有一定的指导意义。     

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.     

1949-2016年我国粮食主产区旱灾变化趋势分析

采用趋势线法、Mann-Kendall（M-K）趋势检验法及Mann-Kendall（M-K）突变检验法对1949-2016年我国粮食主产区旱灾变化趋势进行分析，以期为降低粮食主产区旱灾风险及灾害损失的措施制定提供理论依据。结果表明：1）除江苏省外，干旱发生率均高于60%，干旱受灾率和成灾率的变异系数均在50%以上。2）东北地区各省干旱受灾率和成灾率均呈现增加趋势且通过M-K趋势检验，增加趋势显著；长江流域的湖北和四川省干旱受灾率呈增加趋势，江西和湖南省干旱受灾率呈减少趋势，但均未通过M-K趋势检验，变化趋势不显著；上述长江流域四省干旱成灾率均呈增加趋势，但只有湖北和四川省通过M-K趋势检验，增加趋势显著；黄淮海地区除江苏省干旱受灾率呈微弱线性增加趋势外，其他各省干旱受灾率均呈减少趋势，但只有安徽省通过M-K趋势检验，表现出显著的减少趋势；黄淮海五省成灾率均呈增加趋势，但只有河北和江苏省通过M-K趋势检验，增加趋势显著。3）M-K突变检验结果表明，安徽省旱灾受灾率变化突变点为2002年，之后呈减少趋势；东北三省及内蒙古自治区干旱受灾率变化突变点分别为1977、1970、1983和1977年，之后干旱受灾率呈增加趋势；各省区干旱成灾率突变点如下：东北地区的黑龙江、吉林和辽宁省及内蒙古自治区分别为1988、1977、1981和1984年，黄淮海地区的河北和江苏省分别为1961和1978年，长江中下游地区的湖北和四川省分别为1986和1975年，各省区干旱成灾率在突变点之后均呈增加趋势。综上，粮食主产区干旱灾害发生率普遍较高且年际变化大，东北地区旱灾影响范围、规模以及致灾程度均呈显著增加趋势；黄淮海地区的河北和江苏省以及长江中下游地区的湖北和四川省虽然干旱影响范围和规模没有表现出显著的变化趋势，但是旱灾的致灾程度却表现出显著的增加趋势；干旱受灾率显著期普遍发生在2000年后；干旱成灾率增加趋势显著期普遍发生在20世纪90年代末-2010年前后。     

基于颜色和纹理特征的玉米旱情统计判别模型

利用颜色和纹理特征判定玉米植株干旱程度是玉米旱情监测识别的新途径,良好的统计判别模型构建方法对实现这一新途径意义重大。采集了玉米出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-成熟3个生长发育阶段适宜、轻旱、中旱、重旱、特旱5个干旱程度的玉米植株图像,用MATLAB软件从图像中提取玉米植株的颜色和纹理特征数据,以SPSS软件对特征数据的训练集进行Fisher逐步判别分析,获得Fisher判别函数组,结合曼哈顿距离判别规则,建立了玉米出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-成熟3个生长发育阶段的正视面、俯视面和侧视面共9个单视角统计判别模型,并将每个生长发育阶段的单视角统计判别模型联合构建为三维统计判别模型。玉米3个生长发育阶段的所有单视角判别模型在训练和测试时的平均判别准确率无显著差异,所有正视面和侧视面单视角统计判别模型训练和测试时的平均判别准确率均在90%以上,判别玉米不同干旱程度的准确率差异性小,所有俯视面单视角统计判别模型训练、测试时的平均判别准确率均低于85%,且判别玉米不同干旱程度的准确率差异性较大。玉米3个生长发育阶段的三维统计判别模型的训练和测试平均判别准确率在97%以上,且判别玉米不同干旱程度的差异性较小。玉米3个生长发育阶段的单视角统计判模型中,侧视面统计判别模型的判别效果最好,正视面统计判别模型次之,俯视面统计判别模型的判别效果相对较差,每个生长发育阶段的三维统计判别模型的判别效果均比单视角统计判模型好。