Metabolic responses to combined water deficit and salt stress in maize primary roots

Soil water deficit and salt stress are major limiting factors of plant growth and agricultural productivity. The primary root is the first organ to perceive the stress signals for drought and salt stress. In this study, maize plant subjected to drought, salt and combined stresses displayed a significantly reduced primary root length relative to the control plants. GC-MS was used to determine changes in the metabolites of the primary root of maize in response to salt, drought and combined stresses. A total of 86 metabolites were measured, including 29 amino acids and amines, 21 organic acids, four fatty acids, six phosphoric acids, 10 sugars, 10 polyols, and six others. Among these, 53 metabolites with a significant change under different stresses were identified in the primary root, and the content of most metabolites showed down-accumulation. A total of four and 18 metabolites showed significant up-and down-accumulation to all three treatments, respectively. The levels of several compatible solutes, including sugars and polyols, were increased to help maintain the osmotic balance. The levels of metabolites involved in the TCA cycle, including citric acid, ketoglutaric acid, fumaric acid, and malic acid, were reduced in the primary root. The contents of metabolites in the shikimate pathway, such as quinic acid and shikimic acid, were significantly decreased. This study reveals the complex metabolic responses of the primary root to combined drought and salt stresses and extends our understanding of the mechanisms involved in root responses to abiotic tolerance in maize.     

杜仲内生拮抗细菌DZSY21诱导玉米抗病基因表达变化的转录组学研究

杜仲内生拮抗细菌DZSY21可在玉米中稳定定殖并增强玉米植株的抗病能力。试验从基因水平上对内生拮抗细菌DZSY21诱导玉米产生抗病性的分子机制进行预测,利用转录组测序技术对内生拮抗细菌DZSY21处理玉米后不同生长时间段叶片的总mRNA进行差异表达分析,以Fold change≥2且FDR<0.01为标准,挑选差异表达基因(DEGs)。结果显示:以处理0 h作为对照,处理12 h时有2 413个差异表达基因,其中上调基因1 278个,下调基因1 135个;处理24 h时有737个差异表达基因,其中上调基因538个,下调基因199个。在此基础上,根据DEGs功能注释分类,在差异表达基因中筛选与抗病相关的基因,最终获得267个抗病基因。处理12 h筛选得到218个基因,主要涉及脂质转移蛋白、MATE转运蛋白及LysM受体蛋白激酶等26个抗病途径;处理24 h获得71个基因,主要涉及异黄酮还原酶、纤维素合成酶、苯丙氨酸解氨酶、L-抗坏血酸过氧化物酶、GLK转录因子及ACC氧化酶等30个抗病途径,其中不同处理时间段内重复基因23个。上述结果表明,将杜仲内生拮抗细菌DZSY21引入玉米,可调节玉米叶片中抗病相关基因的表达,为进一步寻找抗病基因及其功能鉴定奠定了基础。     

铝胁迫诱导根系分泌异羟肟酸及其对玉米抵御铝毒害的作用

【目的】通过对铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸的研究,为揭示玉米的耐铝机制提供理论依据。【方法】选用玉米品种郑单958和泰玉11号,采用水培方法,设置铝胁迫试验,测定它们在铝胁迫下根伸长量、根尖铝含量、根尖胼胝质含量、根系异羟肟酸的分泌量、异羟肟酸解铝毒的相关指标等,分析玉米的抗铝性、铝对根系分泌异羟肟酸的影响及异羟肟酸的解铝毒作用。【结果】与对照（不加铝）处理相比,10 μmol·L^-1铝（AlCl₃）处理后郑单品种幼根伸长显著受阻而根尖铝含量和根尖胼胝质积累量显著增加。根伸长量降低了47.77%,根尖铝含量和根尖胼胝质含量分别增加了226.64%和60.74%。相反,铝处理对泰玉品种幼根伸长、根尖胼胝质积累的影响不显著。虽然20 μmol·L^-1铝（AlCl₃）处理44 h后泰玉品种根系柠檬酸分泌量比对照（不加铝）处理显著增加了41.28%,但处理24 h内2个玉米品种根系柠檬酸分泌量与对照（不加铝）处理的差异不显著,即24 h内铝不能诱导玉米根系分泌柠檬酸。而铝处理24 h后,铝能诱导泰玉根系分泌异羟肟酸（丁布和门布）,且异羟肟酸的分泌量随着铝浓度（10、15和20 μmol·L^-1）的增加和处理时间（3、6、9、12和24 h）的延长而显著增加,但铝（10、15和20 μmol·L^-1）不能诱导郑单品种根系分泌异羟肟酸。与光照条件相比,在黑暗条件下20 μmol·L^-1铝（AlCl₃）诱导泰玉品种异羟肟酸的分泌量显著增加而根伸长也随之显著改善,丁布和门布的分泌量分别增加了40.81% 和72.02%,根伸长量增加了33.15%。与单独20 μmol·L^-1铝（AlCl₃）处理相比,铝溶液中添加丁布（3 mg·L^-1）和门布（3 mg·L^-1）后玉米初生根伸长量显著增加而根尖铝含量显著降低。添加丁布和门布后,郑单品种根伸长量分别增加了14.16%和13.85%,泰玉品种分别增加了16.16%和11.33%;郑单品种根尖铝含量分别降低了39.94%和43.54%,泰玉品种分别降低了39.92%和42.10%。另一方面,20 μmol·L^-1铝（AlCl₃）处理显著增加泰玉品种根和叶片中的异羟肟酸含量。然而,铝胁迫下郑单叶片中的异羟肟酸含量显著降低。【结论】玉米对铝的抗性与异羟肟酸的分泌有关,铝诱导玉米根系分泌异羟肟酸是玉米抵御铝毒害的一种有效机制,而植株叶片中的异羟肟酸含量可能与异羟肟酸的分泌有关。     

干旱耐受型和敏感型玉米应答干旱的比较转录组学分析

【目的】比较分析干旱耐受型（Han21）和敏感型（B73）玉米自交系响应干旱胁迫的转录组数据,为理解玉米应答干旱胁迫的分子机制提供依据。【方法】利用高通量测序技术获得Han21、B73在正常和干旱条件下的转录组,随后利用一系列生物信息学方法进行转录组数据质控（FastQC）、测序数据与基因组的序列比对（HISAT2）、基因表达定量分析（StringTie）、差异表达分析（edgeR）、转录本转换事件分析（deepTS）以及基因功能富集分析（topGO）。【结果】B73和Han21玉米自交系在正常和干旱条件下的差异表达基因分别有917和2 832条,其中转录因子分别有80和214条;干旱胁迫下,双因素分析发现1 475条基因在B73和Han21中的表达存在显著差异,这些基因参与细胞壁合成、碳水化合物及多糖代谢等生物学过程;1 475条差异表达基因中,B73和Han21分别有28和36条基因发生了TS事件,其中15条基因在B73和Han21中的转录本转换事件呈现出相反的转换模式。【结论】基因和转录本层面的比较转录组研究,有助于发现玉米响应和抵御干旱胁迫的重要候选基因。     

玉米不同品种(品系)对粗缩病的抗性鉴定

2008—2010年对普通玉米、甜玉米、糯玉米及自交系进行了抗粗缩病鉴定试验。结果表明,不同年份和不同品种间抗性存在显著差异。2010年在济宁、温岭和东阳等地各安排30个品种试验,结果表明,品种间抗性存在显著差异,同一品种在不同地区间抗性也存在差异,不同玉米类型对粗缩病抗性无显著差异。综合结果表明,甜玉米品种‘农甜3号’对玉米粗缩病表现较强耐病性。     

玉米细胞质雄性不育性(CMS)的激素调控机制

在以前的研究中我们首次报道了玉米细胞质雄性不育(CMS)花药组织生长素亏损——细胞分裂素盈积现象。这种激素含量的异常在雄性不育性的表达与实现进程中起着重要的调节作用,但现有的研究资料尚不能揭示这种调节作用的机制。本文根据目前有关激素作用机制的几种认识以及玉米 CMS 分子生物学研究成果,结合作用对玉米 CMS 小孢子发育和败育过程中物质代谢系统、能量代谢系统、植物激素系统、生物物理系统、细胞学及超微结构等方面的研究结果,对认识 CMS 机制中有代表性的 Flavell 假说进行了评述,对激素调控玉米 CMS 的可能的分子机制提出了自己的看法。     

利用转录组测序鉴定玉米白色籽粒突变基因PDS

为探讨转录组测序在玉米质量性状基因克隆上的应用,以玉米自交系B73籽粒表现为白色的EMS突变体为材料,对该突变体授粉后15 d的籽粒进行转录组分析。通过与玉米B73参考基因组序列的比对分析,共鉴定到138个突变位点,其中51个突变位点对基因的功能有显著影响。通过基因功能注释与分类,发现该突变体在类胡萝卜素合成途径中的八氢番茄红素去饱和酶基因(PDS)发生无义突变,导致PDS蛋白翻译提前终止,阻断类胡萝卜素代谢途径中有色体番茄红素的生物合成,造成玉米籽粒白化。这些结果表明利用转录组测序技术能够快速准确地鉴定玉米EMS突变体的突变基因。     

玉米幼苗叶片响应热胁迫的蛋白质组学分析

玉米是喜温作物,但在生长发育过程中对高温天气敏感,易造成产量下降。以耐热玉米品种先甜5号幼苗为实验材料,在42 ℃下处理0、0.5和3.0 h,提取相应处理的叶片蛋白,进行差异蛋白的筛选,随后对其进行GO分类和KEGG途径分析。结果显示,共筛选到181个差异蛋白,其中上调蛋白95个(定量比值>1.20且P<0.05),下调蛋白86个(定量比值<0.83且P<0.05)。与对照相比,随着热处理时间延长,上调蛋白数明显增加,而下调蛋白数有所下降。GO分类结果显示,2个差异上调蛋白被富集并指定分布在2个细胞组分中,18个差异上调蛋白被富集并指定具有8种分子功能,15个差异上调蛋白被富集并参与17种生物过程。而2个差异下调蛋白被富集并指定分布在8个细胞组分中,29个差异下调蛋白被富集并指定具有11种分子功能,45个差异下调蛋白参与18种生物过程。KEGG分析结果显示,有16个差异上调蛋白被富集并指定参与6个途径,而有14个差异下调蛋白被富集并指定参与8个途径。Domain分析表明,有27个差异上调蛋白被富集并指定含有22个不同结构域,而有34个差异下调蛋白被富集并指定含有21个不同结构域。根据NCBI数据库中信息对上述相关蛋白进行搜索,结果发现假定Dna J分子伴侣蛋白家族、热休克蛋白、硫氧还蛋白H型、脱氢酶和泛素结合酶5类蛋白与耐热关系密切。总之,上述热胁迫响应相关的蛋白质的分析鉴定,可为进一步揭示玉米响应热胁迫的分子机制提供新的思路。     

玉米非编码RNA Zm-1701在逆境胁迫下的表达研究

分别用20%PEG6000,150 mmol·L-1 NaC1,100μmol·L-1 ABA对3叶期的玉米根进行胁迫处理,通过分析3种胁迫应答基因的表达情况确定胁迫的有效时间点,进一步研究玉米非编码RNA Zm-1701在玉米受到干旱和盐胁迫处理时的表达情况.结果表明,玉米根在受到干旱和盐胁迫后,根中非编码RNA Z...     

水分胁迫下玉米叶片乙烯释放和多胺含量的变化及其与玉米耐旱性的关系

水分胁迫导致玉米叶片乙烯(C2H4)释放和多胺的含量发生变化,轻度和中度胁迫下。玉米叶片的乙烯释放先缓慢增加而后下降,多胺的含量先降后升;重度水分胁迫下,乙烯的释放先是大幅度增加而后迅速下降,多胺则是大幅度下降而后缓慢回升。叶面喷施乙烯合成抑制剂AOAA(Amino oxiacetic acid)时,轻度和中度水分胁迫下,叶片乙烯释放量受到明显抑制,低于对照水平,多胺含量转降为升;重度水分胁迫下,乙烯释放量和多胺的含量均接近对照水平。外源多胺预处理降低了水分胁迫下玉米叶片中叶绿素、DNA和蛋白质含量的下降幅度。乙烯加速了水分胁迫下玉米植株的衰老速率,而多胺则有一个相反的效应。从而可增强玉米的耐旱性。水分胁迫下玉米叶片中存在乙烯和多胺的相互制约关系,多胺可能参与DNA和蛋白质合成的调节。     

水分胁迫对甜玉米产量的影响

采用盆栽控水法对真甜美6号、穗甜1号进行水分胁迫试验。结果表明:水分胁迫对甜玉米株高影响比较大,对穗位高基本无影响;不同程度水分胁迫下,叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均下降,重度胁迫时叶片内叶绿素含量极显著低于轻度胁迫和对照,但a/b值增加。随着胁迫程度增强,产量呈下降趋势,轻度胁迫对产量影响不大。     

甜玉米苗期耐铝性状QTL定位

为挖掘甜玉米耐铝基因资源,以耐铝性状差异显著的甜玉米自交系‘T 49’(♀)和‘T 56’(♂)为亲本配制杂交组合‘T49×T56’,以208个F₂单株作为遗传作图群体,构建玉米遗传连锁图谱,选取苗高系数、苗重系数、根长系数、根重系数和整株鲜重系数作为玉米耐铝性的评价指标。用复合区间作图法检测耐铝性状相关QTL。结果表明：在甜玉米10对染色体上获得10个SSR标记连锁群,全长1 199.10 cM,平均间距7.83 cM。共检测到3个苗高系数QTL、4个苗重系数QTL、4个根长系数QTL、3个根重系数QTL、3个整株鲜重系数QTL,单个QTL可解释6.46%～25.37%的表型变异。在第9染色体上phi065—umc1271(bin 9.03—9.04),苗高系数、苗重系数、根长系数、根重系数、整株鲜重系数均检测到1个主效QTL,贡献率为13.1%～25.3%。结合GO、KEGG数据库,在phi065—umc1271内存在2个稳定的甜玉米非生物逆境胁迫耐受性相关的基因Zm00001d045472和Zm00001d046391。     

谷胱甘肽存在条件下NO2-对玉米植株干旱胁迫的缓解作用

【目的】研究谷胱甘肽(GSH)还原亚硝酸钠(NaNO2)生成S-亚硝基谷胱甘肽(GSNO)所释放NO对玉米幼苗抗旱性的影响。【方法】以玉米品种"郑单958"为供试材料,采用盆栽试验,分别用NO-2+GSH合成的不同浓度GSNO(50,250,500,800,1 000μmol/L)熏蒸处理三叶期的玉米幼苗,通过控制浇水进行干旱胁迫,以未经GSNO处理的玉米幼苗(0μmol/L GSNO)为干旱对照,通过测定干旱胁迫期间玉米的生长、生理指标,分析GSNO对干旱胁迫条件下玉米植株生长、抗氧化酶活性、膜脂过氧化程度的影响。【结果】干旱胁迫7d后,50~1 000μmol/L GSNO处理的玉米幼苗较干旱对照生长更好,其中500μmol/L GSNO处理玉米幼苗的株高、茎粗和叶面积分别较干旱对照提高32.26%,45.83%和53.13%。GSNO处理能够显著增强干旱胁迫玉米幼苗的超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶(GR)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸氧化酶(APX)的活性,相应减少过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O-·2)含量,降低膜脂的过氧化伤害。GSNO处理还能够维持干旱胁迫下玉米幼苗光合色素的相对稳定性,降低离体叶片的失水速率,其变化趋势表现为500μmol/L50μmol/L1 000μmol/L。【结论】GSNO处理能明显改善玉米的抗旱性,其发挥作用的最佳浓度为500μmol/L。     

广西主栽玉米品种氮胁迫能力鉴定

【目的】鉴定广西主栽玉米品种的耐低氮能力,筛选适合广西种植的耐低氮型玉米品种,为当地山区玉米生产提供参考。【方法】采用裂区设计,以施氮量为主处理、品种为副处理进行10个主栽玉米品种氮胁迫试验。主处理设正常施氮(N 180 kg/ha,CK)与氮胁迫(N 0 kg/ha)2个处理,灌浆期测量株高与穗位高,成熟期测产并调查穗部性状。分析各玉米品种主要农艺性状指标的耐低氮指数差异性及相关性,并采用模糊函数法五级制划分标准对各玉米品种的耐低氮能力进行综合评价。【结果】氮胁迫处理的株高、穗位、穗长、穗行、穗粒数、百粒重和产量均低于CK,果穗秃尖长则较CK长。不同玉米品种在氮胁迫下各性状的耐低氮指数存在差异,其中以产量的耐低氮指数最小,氮胁迫对其影响最大;株高、穗长、穗行、百粒重等性状的耐低氮指数差异不明显;秃尖长的耐低氮指数变幅最大。相关性分析结果表明,产量与穗粒数呈极显著正相关(P<0.01),与百粒重呈显著正相关(P<0.05,下同),与秃尖长呈显著负相关;氮胁迫条件下,玉米各性状对产量影响程度排序为穗粒数>百粒重>秃尖长>穗行>穗长>株高>穗位。以模糊函数法对各品种耐低氮能力进行综合评价,结果表明,桂单0810、迪卡008、华优168和桂单162的耐低氮能力较强,先达901、亚航0919、兆丰788、桂单901和正大808种的耐低氮性属于中间类型,瑞特237的耐低氮能力较弱。【结论】产量、穗粒数、百粒重和秃尖长可作为大田生产中快速、简易筛选耐低氮玉米品种的指标;初步筛选出耐低氮能力较强的品种为桂单0810、迪卡008、华优168和桂单162。     

3种野生蓼科植物对铝胁迫的生理响应

用水培法,设置0、25、50、100、400 btmol/L 5种AICl3浓度处理,研究了3种野生蓼科植物酸模叶蓼、杠板归和辣蓼对铝胁迫的生理响应.结果表明:3种蓼科植物相对根系伸长率都随A1C13浓度的增加呈递减的趋势,但A1C13对杠板归根伸长的抑制程度要明显高于酸模叶蓼和辣蓼,表明酸模叶蓼和辣蓼的耐铝性显著高于...     

水分胁迫对玉米叶片光合作用的影响

试验在盆栽人工控制水分的条件下,选用耐旱性不同的玉米杂交种沈单10、掖单13号和丹玉13号为试验材料,比较了不同水分胁迫强度对不同耐旱性玉米杂交种叶片光合作用的影响。结果表明,水分胁迫下玉米叶片光合速率随胁迫增强而下降,而在重度胁迫下光合速率显著下降。