Morphological,Biochemical and Genetic Analysis of a Brittle Stalk Mutant of Maize Inserted by Mutator

Mutants on stalk strength are essential materials for the studies on the formation of plant cell wall. In this study, a brittle stalk mutant of maize, designated as Bk-x, was screened from a Mutator inserted mutant library. At the germination and early seedling stage, the mutant plants were indistinguishable from the normal ones. However, all of the plant organs were brittle after the 5th-leaf stage and remained brittle throughout the rest of the growing period. Microstructure observation showed that the cell wall in vascular bundle sheath of Bk-x was thinner than that in normal plants. The leaf mechanical strength in Bk-x was 77.9% of that in normal plants growing at Xishuangbanna (BN), Yunnan province and that was 61.7% in Wuhan (WH), Hubei Province, China. The proportion of cellulose was 12.3% in Bk-x, which was significantly lower than that in normal plants (26.7%), while the soluble sugar content was 36.1% in Bk-x, which is significantly higher than that in normal plants (12.4%). Genetic analysis using two F₂ populations and one F_2:3 families demonstrated that the trait of brittle stalk is controlled by a single recessive gene.     

2022 年 11 期目录

  目的  次生细胞壁的发育对于木材的形成至关重要,揭示林木次生壁形成的分子调控机制将为改良其木材品质提供理论依据。  方法  （1）本研究从速生型杨树NE19中克隆得到PdKNAT7基因,并构建表达载体,采用花序侵染法转化拟南芥,筛选得到过表达植株。（2）利用农杆菌介导的瞬时转化法侵染烟草,对PdKNAT7进行亚细胞定位。（3）通过徒手切片观察不同基因型拟南芥花薹基部的次生细胞壁厚度。（4）通过真空渗透的方法瞬时转化84K杨。（5）qRT-PCR分析不同品系杨树中PdKNAT7基因的表达情况,并揭示拟南芥和杨树中参与次生壁形成的相关基因的表达模式。  结果  （1）PdKNAT7定位于细胞核。（2）PdKNAT7主要在NE19杨茎中表达,且表达量高于107杨。（3）与野生型相比,过表达PdKNAT7的拟南芥花薹基部的束间纤维壁变薄,木质部纤维壁变厚,而突变体正好相反;另外,突变体的导管壁更厚。（4）过表达PdKNAT7的拟南芥植株中,4CL1、C4H1、CCR1、CesA8、IRX9和IRX10基因的表达量均下调,突变体中与之相反。（5）瞬时转化PdKNAT7基因的84K杨中,4CL3、C4H1、CCR1、CesA8、IRX9和IRX10基因的表达量也下调。  结论  PdKNAT7通过调控木质素和纤维素的积累来影响拟南芥次生细胞壁的厚度。      

美洲黑杨次生木质部导管分化进程的超微结构分析

利用常规电镜技术,观察研究了美洲黑杨Populus deltoides次生木质部导管分化过程的超微结构变化。结果表明：美洲黑杨导管形态的建成可划分为初生壁的延展、次生壁的构建与穿孔板的形成等3个时期。初生壁的延展是导管分化的初始阶段,导管细胞高度液泡化,细胞质及其细胞器贴壁分布。次生壁的构建是导管分化的关键阶段,次生壁物质的沉积在导管液泡膜破裂之前即已开始,此时导管分子内细胞器结构清晰,其中高尔基体及其分泌小泡最为丰富,说明高尔基体与次生壁物质的合成及运输密切相关;导管分子液泡膜裂解后,次生壁物质沉积极为迅速,伴随次生壁物质的合成,导管分子细胞质解体,细胞核染色质凝聚并边缘化,表现出程序化细胞死亡（PCD）的典型特征。穿孔板的形成是导管分化的终极阶段,在导管次生壁形成时,相邻导管分子的端壁上不发生壁物质的积累,而且在次生壁构建后期,端壁上的壁物质降解,最后残余的端壁断裂形成穿孔板。美洲黑杨次生木质部导管的分化阶段彼此相继有序地进行,其中次生壁构建的启动是导管分子不可逆分化的临界期,随后的分化阶段是一种典型的PCD过程。     

HrcJ参与了Ⅲ型分泌装置的形成从而决定条斑病菌在非寄主上的过敏反应和在水稻上的致病性

 【目的】水稻条斑病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzicola,Xooc）的hrp（hypersensitive response and pathogenicity）基因编码形成的Ⅲ型分泌系统（type Ⅲ secretion system,T3SS）,将致病性效应分子注入水稻细胞中,但Xooc的hrcJ基因在致病性中的作用以及其如何参与形成T3SS分泌装置,并不明确。【方法】本研究根据标记交换原理对Xooc的hrcJ基因进行了敲除。【结果】发现hrcJ突变体丧失在水稻上的致病性和在烟草上的HR激发能力。酵母双杂交显示,HrcJ蛋白N端脂蛋白结构域可与HrcC互作,HrcJ蛋白C端跨膜结构域可与HrcV互作,提示HrcJ蛋白联接于T3SS装置的内膜和外膜之间。功能互补结果显示,缺失脂蛋白结构域和跨膜结构域的hrcJ基因均不能恢复hrcJ突变体在烟草上的HR激发能力和在水稻上的致病性。RT-PCR结果显示,hrcJ的表达受hrpX基因调控,hrcJ基因突变后不影响效应分子hpa1的表达。【结论】hrcJ基因是水稻条斑病菌致病性和非寄主上激发HR的关键因子,其基因产物参与了T3SS装置的形成。     

宽叶缬草短缩茎的结构及石细胞的分布与发育

对宽叶缬草短缩茎的结构及其石细胞分布和发育进行系统观察.结果表明,宽叶缬草短缩茎具有茎尖、腋芽、叶迹和根迹维管束等组织和器官,是完整的营养繁殖体.茎尖明显分为顶端分生组织、伸长区和成熟区,成熟区为初生结构,所占比例最大,成熟区的上、下部结构组成成分上有所不同.短缩茎的薄壁细胞中含有大量白色体、造油体,少数有橙黄色橙皮苷针簇状结晶,是缬草素等次生代谢产物的贮藏器官.短缩茎内茎节的髓部有堆状或带状分布的石细胞,由石细胞原基细胞快速侵入式生长,细胞壁木质化增厚,周围薄壁细胞随之继续增厚而形成.     

酮类物质合成酶OsPKS1和OsPKS2对水稻花粉外壁形成的作用

【背景】植物花粉外围包裹的花粉外壁作为植物雄性配子的天然保护屏障对植物的生殖发育起到非常重要的作用。植物花粉外壁的主要成分是孢粉素,主要由脂类物质和酚类物质构成。因此,脂类物质和酚类物质的代谢是植物花药内外壁形成和花粉外壁形成的关键步骤。在其合成过程中,PKS1/PKSA/LAP6和PKS2/PKSB/LAP5在不同物种间发挥保守的生化功能。【目的】通过研究水稻OsPKS1和OsPKS2在花药内外壁和花粉外壁发育过程中的作用,为水稻花药内外壁和花粉外壁合成机理提供新认识。【方法】水稻花药发育基因共表达网络AntherNet预测到一个可能参与孢粉素合成的基因OsPKS1,利用CRISPR/Cas9技术在野生型9522背景和突变体ospks2背景下敲除OsPKS1获得ospks1单突变体和ospks1 ospks2双突变体。在同一生长条件下比较野生型和突变体植株表型,分析突变体植株的营养生长和花器官发育情况。通过I₂-KI染色分析ospks1和ospks1 ospks2的花粉活力。通过半薄切片观察野生型和突变体各个时期花药四层细胞发育及小孢子发育,利用扫描电子显微镜观察野生型和突变体花药外壁、花药内壁和花粉外壁表面的精细结构,利用透射电子显微镜观察野生型和突变体花药壁细胞、花粉外壁和乌氏体的精细结构。【结果】获得4个ospks1单突变体和4个ospks1 ospks2双突变体,其中,ospks1-3是纯合的单突变体,ospks1-4 ospks2是纯合的双突变体。ospks1-3和ospks1-4 ospks2均呈现雄性不育的表型。ospks1-3与ospks2的花粉外壁和乌氏体结构均不正常,但两者结构不同。ospks1-3花药表面可形成凸起的外壁结构;绒毡层可正常降解。花粉外壁内部形成大量微小的空洞,柱状体变短,无法有效连接覆盖层和花粉外壁内层;乌氏体的底部结构减小,顶部结构增多,并且较野生型更为尖锐。ospks1-4 ospks2花药外壁角质层减少;绒毡层无法正常降解。小孢子表面无花粉外壁,在11期降解;乌氏体在9期形态异常,数目变少,到11期从绒毡层脱落。【结论】PKS1/PKSA/LAP6和PKS2/PKSB/LAP5的功能在多个物种间均保守,可以影响孢粉素的合成和堆积。但在水稻中两者对于花粉外壁内部结构身碎骨和乌式体形成的功能不同：OsPKS1对柱状层的形成以及乌氏体的底部结构形成更为重要;而OsPKS2对于覆盖层的形成以及乌氏体的顶部结构更为重要。两者互相补充,共同调控花粉外壁、花药外壁的形成和绒毡层的降解。     

糜子矮秆突变体“819”矮秆基因的遗传学分析

为揭示糜子矮秆突变体“819”矮秆基因的遗传规律,为后续定位矮秆突变基因提供理论基础,研究调查了糜子矮秆突变体“819”与高秆材料J12,以及它们杂交产生的674个F₂代个体的株高、穗长、穗颈长、分蘖数、茎节数、二级枝梗长度1、二级枝梗长度2、二级枝梗长度3、二级枝梗间距1、二级枝梗间距2共10个性状,进一步利用方差分析、卡方检验、相关及回归分析、主成分分析对这些性状进行研究。结果表明,糜子矮秆突变体“819”的矮秆性状是由单基因控制的隐性性状;株高与穗长、穗颈长、分蘖数、茎节数、二级枝梗长度1、二级枝梗长度2、二级枝梗长度3、二级枝梗间距1呈极显著正相关(P<0.01),与二级枝梗间距2呈显著正相关(P<0.05);株高(Y)对其他农艺性状的回归方程为:Y=-18.446+1.491X₁+1.222X₂+6.827X₄+1.319X₇+0.746X₈,回归方程的拟合度为0.811,回归方程经显著性检验达到极显著水平(P<0.01),可以利用回归方程对株高进行预测;糜子F₂群体的10个性状进行主成分分析获得3个主成分,这3个主成分的累积贡献率高达72.656%,3个主成分分别被命名为长度因子、茎节数因子、枝梗间距因子。研究结果为矮秆基因定位、矮秆后代的评价选择提供了依据。     

小豆矮秆窄叶突变基因对农艺性状的影响

【目的】研究小豆矮秆窄叶突变体(nld)的遗传行为及观察矮秆窄叶突变基因控制的农艺性状的变化。【方法】选用高秆小豆种质资源GM904与nld进行杂交,对亲本和F2、F3、F4各世代分离群体中个体形态进行调查统计,对株高、茎粗、主茎节数、第1至5节间长、前10节间长、单株粒数、百粒重、单株产量、荚长、荚宽、单株荚数等15个农艺性状进行调查分析。【结果】遗传分析结果表明,突变体中矮秆窄叶性状由一对隐性单基因控制。各性状间存在一定的显著或极显著差异,其中株高、茎粗、主茎节数、前10节间长、荚长、单株荚数的广义遗传力达到0.9以上,可作为小豆杂交育种的选择指标。【结论】矮秆窄叶突变基因导致株高变矮,叶变窄,茎变细,主茎节数减少,各节间长缩短,荚变小,产量显著降低。     

特异水稻脆茎突变体生物学特性及生物质降解效率的研究

水稻脆茎突变体是一种重要的种质资源。为研究该突变体在能源作物培育中的利用潜力,比较分析了10个突变体及其野生型品种日本晴(NPB)在物理特性、细胞壁组成、农艺性状、生物质降解效率等方面的差异。结果表明:水稻脆茎突变体生长发育正常,但茎秆抗张力和株高低于NPB;茎秆细胞壁纤维素含量降低,半纤维素含量增高,木质素含量增加不显著。细胞壁合成关键基因转录水平的变化与细胞壁组成一致。此外,水稻脆茎突变体的单株穗重与NPB差异不显著,有效穗数增加,生物质产量增加,抗倒伏性显著增强,秸秆易粉碎且在酸、碱预处理及纤维素复合酶酶解条件下的产糖量及纤维素降解效率显著高于NPB。这些特异水稻脆茎突变体的表型优势揭示出其在水稻秸秆利用中的应用潜力,它们可以用于高产、生物质高效降解水稻品种的培育。     

植物细胞壁的研究进展

细胞壁的组分是纺织、造纸、木材、胶片、增稠剂及其他工业产品重要的原料.植物细胞壁的生物合成过程是植物生长发育中最主要的合成代谢之一,也是植物光合作用产物的主要贮积方式.最近的研究揭示了植物细胞壁多聚糖是如何合成并组装成一个强大的纤维网络系统,以及植物细胞壁生长发育的调控机制.     

水稻脆性突变体nbc(t)的主要特性和脆性基因的初步定位

对脆性突变体的表型、主要农艺性状和稻米品质进行了考查,并对脆性基因进行了初步定位。结果表明:脆茎水稻nbc(t)与野生亲本9311在株高等形态特征上无明显区别,仅在机械强度上有区别;nbc(t)的根、茎、叶、穗及种子都很脆,易折断,且表现全生育期脆性。脆茎突变体nbc(t)的主要农艺性状与9311相似,产量略低于9311,除了整精米率偏低以外,其他稻米品质性状与9311相似。脆茎突变体nbc(t)与广占63-4S所配组合的产量和稻米品质与扬两优6号相当。与9311相比,nbc(t)茎秆的抗折力相当,但抗张力明显降低,纤维素含量约降低17%。遗传分析表明,nbc(t)的脆茎特性可能由2个基因位点控制,初步定位在9号染色体上的2个区段,一个位于9号染色体上段SSR标记RM3700和RM24371之间,遗传距离分别为1.3cM和3.1cM;另一个位于9号染色体下段INDEL标记CL062和CL045外侧,遗传距离分别为1.6cM和6.0cM。     

小麦次生根皮层通气组织产生方式对小麦耐湿性的影响

以４个耐湿性不同的小麦品种为材料,观察了渍水条件下其次生根结构。结果表明,渍水处理后,小麦的次生根以两种方式产生通气组织。各品种处理期间产生的次生根和耐湿性强的品种处理前产生的次生根经渍水处理后多以方式Ⅰ产生通气组织,通气组织形成是由单个细胞凹陷,内容物消失,最后细胞壁完全叠合并彼此连接而形成的,通气组织呈矩形并且不易破裂;不耐湿的品种处理前产生的次生根经处理后皮层以方式Ⅱ产生通气组织,通气组织是由多个细胞融合,内容物消失而形成的,通气组织形状不规则,易彼此贯彻导致机械组织及表皮的脱落。     

陆地棉高秆突变体的质量遗传规律研究

我们自主发现了陆地棉纯高秆突变系L046,其平均株高为132.5 cm,第一果枝节位平均高度为25.4 cm。以L046、正常株高棉花品种"新陆早16"为试验材料,通过杂交、自交、回交等方法,研究了该突变体的质量遗传规律。研究结果表明,L046的高秆性状是受一对完全显性基因控制的质量性状。文章最后讨论了高秆突变体在机采棉育种中的应用潜力。     

一株灰葡萄孢细胞壁完整性缺陷突变株的分子鉴定和表型分析

为探明灰葡萄孢细胞壁相关基因功能,用荧光增白剂Calcofluor White（CFW）从灰葡萄孢T-DNA插入突变体库中筛选细胞壁完整性缺陷突变株,发现一株突变株D-59对CFW的敏感性与野生型相比提高了2.8倍。通过TAIL-PCR扩增突变株的T-DNA插入位点的侧翼序列并对其进行序列分析表明,T-DNA插入于突变株BC1G₀0770.1基因的外显子部位。RT-PCR的结果显示,D-59的BC1G₀0770.1基因不表达。突变株D-59的表型分析表明,突变株的菌丝稀疏,菌落呈土黄色,产孢量明显下降,孢子萌发异常,致病能力减弱,细胞壁的几丁质含量下降了48%。     

牡丹小孢子发生与雄配子体发育的研究

牡丹花药壁发育为基本型。花药壁由６～７层细胞构成,外中层宿存且发生带状纤维加厚。绒毪层有腺质和变形型两种类型。花粉母细胞减数分裂为同时型,小孢子四分体为正四面体型。生殖细胞初期具有呈ＰＡＳ正反应的细胞壁,脱离花粉壁后被一层称为“脂体冠”的结构包围。成熟花粉为２细胞型,此时的生殖细胞为裸细胞,并与营养核紧密相连,构成了雄性生殖单位（ＭＧＵ）。     

植物细胞X射线能谱分析方法的研究

X射线微区分析在我国的植物学研究中应用较少.快速冷冻、冷冻干燥、真空渗透、塑料包埋的薄切片生物制备新技术被证明很适用于对植物细胞中可溶性离子进行X射线微区分析.这对于植物学,诸如矿质营养、生理及抗性等理论问题的研究有着很重要的意义.本文通过实验证明此法除了在冷冻干燥过程中可能会造成某些植物细胞中的液泡结构固缩或破坏以外,与其它生物制备技术相比,大大降低了植物细胞中可溶性离子在制备过程中的流失和移位,从而保证了对植物细胞特别是成熟组织细胞中可溶性离子进行X射线能谱亚细胞定位、定量分析的可靠性.     

柔嫩艾美耳球虫卵囊形成的超微结构

对柔嫩艾美耳球虫卵囊形成的超微结构进行了观察。大配子体系由末代裂殖子侵入盲肠上皮细胞后,长大变圆而形成。大配子体发育、大配子形成、受精、卵囊形成均在带虫空泡内进行,大配子体发育过程的早期,微线、棒状体、椎体、极环等组成的顶复合器消失,随之,首先在大配子体内部形成大量的成囊体 2,成囊体 2有电子稀疏的杆状结构组成,成囊体 2为圆形,外被一层单位膜,结构比较明显,但表面不光滑;成囊体 1较成囊体 2形成晚,其组成成分电子结构十分致密,它也呈圆形,而且表面十分光滑,外被一层不明显的膜;在成囊体形成的同时,支链淀粉和脂肪体也逐渐形成;大配子体和大配子外被单位膜,中央有一个细胞核,核仁不十分明显。卵囊壁形成起始于大配子受精以后,成囊体移向被膜,并且集中于被膜下,首先,成囊体 1解聚,在被膜下形成一层卵囊壁,随后,成囊体 2解聚形成又一层卵囊壁,最后,在内部的合子膜形成第五层囊壁,卵囊形成以后,细胞核位于细胞中央,细胞内有大量的支链淀粉和脂肪体     

植物组织培养研究进展

综述了植物组织培养在快速繁殖、无病毒种苗生产、花药培养和单倍体育种、胚胎培养、植物次生代谢产物生产、植物细胞突变体筛选、原生质体培养与细胞融合、体细胞胚胎和人工种子、组织细胞培养物超低温保存及种质库建立等方面取得的进展, 并提出了植物组织培养中存在的主要问题及相应对策。     

紫花苜蓿MsNST的克隆及对木质素与纤维素合成的功能分析

【目的】木质素和纤维素是植物次生细胞壁的主要组成成分,是影响牧草消化率和品质的主要因素之一。紫花苜蓿作为高蛋白饲草,是奶牛等草食家畜优质饲草的主要来源。因此,苜蓿木质素和纤维素合成机制一直是受到关注的研究热点。模式植物拟南芥NAC家族的NST转录因子（NAC secondary wall thicking promoting factor）调控次生细胞壁的合成,但紫花苜蓿NST的功能与调控机制尚不明确。本研究通过分析紫花苜蓿NST的表达模式,及在拟南芥与苜蓿中过表达揭示其对木质素和纤维素合成的影响。【方法】通过同源克隆获得MsNST CDs序列,并对该基因进行生物信息学分析。利用qRT-PCR检测该基因受赤霉素（GA3）,水杨酸（SA）和多效唑（PCB）诱导后的表达模式。通过转基因植株中过表达MsNST,研究其对木质素和纤维素含量及其合成相关基因的影响。【结果】克隆MsNST 的CDs序列,最大开放阅读框为945bp,编码314个氨基酸。生物信息学分析表明,MsNST主要由无规则卷曲组成（60.83 %）;三级结构预测显示,MsNST以同源二聚体的形式有效的促进蛋白质间的相互作用。进化树分析表明,单子叶和双子叶分为两个分枝,暗示存在一定程度的进化,而MsNST与蒺藜苜蓿和大豆的NST属于双子叶植物分枝中的亚分枝,表明豆科植物间亲缘关系较近。MsNST与拟南芥NST1-3的氨基酸序列相似性较高（49%—55.9%）,并含有NAC转录因子的5个保守结构域。qRT-PCR分析表明,MsNST受GA3、SA和PCB的诱导表达,相对表达水平（12h）分别是对照的2.19、3.67和3.65倍。过表达MsNST导致拟南芥下胚轴缩短,转基因拟南芥半矮化,花序茎束间细胞壁纤维增厚,细胞壁结晶纤维素（13%）、总糖（7%）和木质素（11.7%）含量增加。通过分析木质素和纤维素合成相关基因表达水平发现,拟南芥和苜蓿中过表达MsNST均能激活木质素合成关键基因（PAL,4CL等）及纤维素合酶复合体亚基CesA家族基因的表达。【结论】MsNST受外源激素GA3、SA和PCB诱导表达。转基因植物中过表达MsNST可激活次生壁木质素和纤维素合成相关基因的表达,同时茎束间纤维细胞壁增厚,细胞壁结晶纤维素、总糖和木质素含量增加,暗示MsNST对次生细胞壁木质素和纤维素的合成有重要的调节作用。     

植物组织培养及其应用研究概况

简述了组织培养的概念、原理及方法,概述了植物组织培养在植物快速繁殖、无病毒种苗生产、花药培养、单倍体育种、胚胎培养、细胞培养、植物次生代谢产物生产、植物细胞突变体筛选、原生质体培养、体细胞胚胎和人工种子、组织细胞培养物超低温保存及种质库建立等方面取得的成就.