生物炭连续施用对农田土壤氮转化微生物及N2O排放的影响

【目的】研究连续添加生物炭6年后对农田土壤氮转化相关微生物功能基因的影响,揭示生物炭影响作物产量和N₂O排放的微生物学机制,并为生物炭的推广使用提供理论依据。【方法】通过在潮土农田设置0（BC0,对照)、2.25（BCL,低量）、6.75（BCM,中量）和11.25 t·hm^-2（BCH,高量）4个秸秆生物炭量处理的田间定位试验,采用田间观测、化学分析、荧光定量PCR（qPCR）技术,系统研究施用生物炭对氧化亚氮（N₂O）排放、氨单加氧酶（amoA）、亚硝酸还原酶（nirK、nirS）、氧化亚氮还原酶（nosZ）基因丰度及夏玉米产量的影响。【结果】与对照BC0处理相比,施用生物炭可显著提高夏玉米籽粒产量,且BCM处理籽粒产量达到最大值10 811 kg·hm^-2,显著降低夏玉米生育期N₂O累积排放量,并以BCM处理减少N₂O排放效果最优。研究还发现,在夏玉米多个生育时期,与对照比较,生物炭施用可以显著提高耕层土壤无机氮储量和土壤含水量。此外,随着生物炭施用量增加,土壤氨氧化古菌（AOA）基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期均表现为先上升后下降趋势,且两个时期均以BCM处理最高,而氨氧化细菌（AOB）基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期分别为BCH处理和BCM处理最高。与对照相比,中、高量生物炭施用（BCM、BCH处理）可显著提高夏玉米大喇叭口期和成熟期土壤反硝化作用功能相关基因（nirK、nirS、nosZ）拷贝数。相关性分析表明,夏玉米成熟期土壤N₂O排放通量与土壤硝态氮、土壤含水量、AOA、AOB、nirK、nirS、nosZ呈显著负相关关系。【结论】施用生物炭通过增加土壤微生物氮转化功能基因丰度进而降低土壤N₂O排放,通过增加土壤耕层无机氮储量和土壤水分含量进而提高作物产量,并以中等用量（6.75 t·hm^-2）施用效果最优。     

旱垂柳转录组测序及赤霉素在垂枝形成中的作用

垂枝作为特殊的林木形态结构,因形态优美在全世界被广泛用于绿化和园林景观而成为研究热点。国内外对垂枝植物的研究表明赤霉素在垂枝形成中起作用,但是垂枝形成的分子背景研究仍比较缺乏。本研究以旱垂柳(Salix matsudana var. pseudo-matsudana)的垂枝为研究对象,通过对旱垂柳在不同生长发育时期的叶片、茎尖和茎基部进行了转录组和数字表达谱测序研究,共获得71 474个Unigenes序列。将Unigenes与COG和KEEG数据库比对,与转录和信号转导机制相关的基因在旱垂柳中高度富集,最终确定8 359个差异表达的基因,其中427个基因与激素相关。进一步分析赤霉素相关基因得出,主要参与2条赤霉素合成途径,具有生物活性的GA4是合成途径中的主要产物,而且GA4在枝条中的含量显著高于GA1和GA3。参与赤霉素信号转导途径中的GID1B在旱垂柳中上调表达,以及在G1和G4生长期的表达量高于其他时期,而DELLA蛋白GAI在G2生长期以后下调表达,GID1B和GAI在旱垂柳的垂枝生长过程中可能起非常重要的作用。这些研究结果将有助于探索赤霉素在旱垂柳垂枝形成中的分子作用,可为林木形态的遗传改良提供基础理论依据。     

翠竹及菲白竹LEA3同源基因的克隆及序列分析

竹类植物在中国有着非常悠久的栽培历史,并被广泛应用于园林、造林、庭院以及食品等行业。本研究以翠竹和菲白竹为材料提取其叶片总DNA,采用PCR方法获得翠竹SpLEA3基因与菲白竹SfLEA3-1、SfLEA3-2基因;其中SpLEA3全长804 bp,编码195个氨基酸,GC含量为68.4%;SfLEA3-1全长803 bp,编码195个氨基酸,GC含量为68.2%;SfLEA3-2全长557 bp,编码144个氨基酸,GC含量为67.8%。通过ProtParamy等生物软件分析,SpLEA3、SfLEA3-1和SfLEA3-2与贵州悬竹LEA3基因同源性高达61%以上,且3个基因编码蛋白均属于亲水性蛋白。源自2个竹种LEA3基因均包含一个完整的开放阅读框,其编码的氨基酸含有4~6个由11个氨基酸组成的保守基元序列。本研究不仅为深入了解竹类植物抗旱的分子机理研究提供了基础数据,也为竹类植物的抗旱育种后续研究提供了科学依据。     

农业分区框架下Hargreaves-Samani公式的逐月回归修正

为验证中国农业综合分区框架下Hargreaves-Samani(HS)公式线性回归修正方案的适用性,利用中国气象数据网发布的124个站点1957—2016年的逐月有效日平均气压、平均最低气温、平均最高气温、平均风速、平均水汽压、月总太阳辐射数据及站点经纬度数据,首先,分别基于Penman-Monteith(PM)公式和HS公式计算了各站点多年逐月的参考作物需水量ET_(0-PM)和ET_(0-HS)。然后,以ET_(0-PM)为真值,基于1957—2010年的逐月ET_(0-PM)和ET_(0-HS),利用线性回归分析方法获取了中国38个农业管理子区的HS公式校正系数a、b,并以2011—2016年为验证年份,通过比较ET_(0-HS)校正前后的相对误差变化,验证了HS公式线性回归校正方法在中国农业区的适用性,并结合验证年份的具体误差结果,确定了各农业区HS公式校正系数a、b的逐月最优取值。结果表明:大部分农业区的大部分月份ET_(0-PM)与ET_(0-HS)的相关系数超过0. 6,可以进行ET_(0-HS)的回归校正;回归校正得到的系数a存在显著的季节变化规律,系数b则表现较为平稳;系数a、b的大小及变化说明了ET_(0-PM)和ET_(0-HS)彼此之间存在差异,且季节性明显;校正前后的ET_(0-HS)均存在不同程度的相对误差,但校正后的ET_(0-HS)的误差范围已经显著缩小;在具体的验证应用中,校正后的ET_(0-HS)并不完全是最优结果,实践中系数a、b的优选使用才是最佳方案。本研究验证的HS公式线性回归校正方法是实践中简便、可行的方案,对大尺度区域快速获得较高精度的参考作物需水量具有实际意义和推广价值。     

茶树叶片响应茶饼病侵染的转录组分析

采用高通量测序技术对被茶饼病病菌侵染的茶树叶片进行转录组测序,筛选得到差异基因359个,其中248个上调表达,111个下调表达。差异基因中有216个获得GO（Gene ontology）数据库功能注释,主要涉及到生物合成过程、催化活性、细胞过程等诸多生理生化过程;KEGG（Kyoto encyclopedia of genes and genomes）数据库富集分析发现,共有106个基因被注释到47个代谢通路中,其中,单萜生物合成、卟啉和叶绿素代谢、核糖体、氮代谢、双萜生物合成、植物病原互作等通路显著富集。有32个差异基因被鉴定为转录因子,分布在16个转录因子家族中。利用实时荧光定量PCR（Real time quantitative PCR,qRT-PCR）验证了随机挑选的差异基因在感病叶片和未感病叶片中的相对表达量,与转录组测序结果的变化趋势一致。结果表明,茶树响应病原菌侵染是一个复杂的过程,大量基因被诱导或抑制表达,与抗病相关的转录因子被大量激活且上调表达。本研究为深入挖掘茶树抗病基因及进一步研究抗病分子机制提供了理论依据。     

转Pi9抗稻瘟病基因水稻株系的比较转录组分析

【目的】在转录水平上解析Pi9基因介导的稻瘟病抗性调控机理,为培育抗病水稻品种提供理论依据。【方法】向水稻品种日本晴(NPB)及其转Pi9抗稻瘟病基因株系(NPB/Pi9)接种稻瘟菌。分别于接种后0 h、12 h、24 h、36 h提取叶组织样品,选取12503个水稻基因定制基因芯片,进行水稻基因转录组分析,并通过qRT-PCR对部分差异表达基因进行验证。【结果】NPB/Pi9在接种后12 h、24 h和36 h的基因表达量分别与其接种0 h表达量比较,共检测到7754个差异表达基因;相应地,感病水稻NPB在以上时间点共检测到7385个差异表达基因;在接种后36 h,NPB/Pi9的差异表达基因数目显著多于NPB。比较NPB/Pi9和NPB相同时间点的基因表达量,共获得4065个差异表达基因,其中接种后36 h的差异表达基因显著多于接种后0 h、12 h或24 h。因此,NPB/Pi9的稻瘟病防御反应更强烈。对NPB/Pi9与NPB相同时间点的差异表达基因进行GO和KEGG分析,细胞外区域、植物对刺激应答、转录调控、氧化还原、离子结合、次生代谢和植物激素相关的GO分类在接种后呈显著富集,苯丙氨酸代谢、类黄酮生物合成和植物激素信号途径的KEGG通路在接种后显著富集。与效应分子触发的免疫反应(ETI)相关的水杨酸信号途径、几丁质酶,以及与病原相关分子模式触发的免疫反应(PTI)相关的胞外区域、对刺激的应答、木质素合成等,均在抗感水稻之间差异表达。而且PTI/ETI共有的WRKY转录因子、MAPK激酶、茉莉酸和乙烯信号途径等发生差异表达。综上所述,NPB/Pi9和NPB的差异表达模式与ETI和PTI相关,两者相互联系并在Pi9介导的稻瘟病抗性中发挥作用。【结论】与日本晴比较,抗病基因型NPB/Pi9对稻瘟病防御反应更强烈。转录因子、激酶、NBS-LRR基因、几丁质酶、水杨酸、茉莉酸和乙烯信号途径,以及植物次生代谢在Pi9介导的稻瘟病抗病反应中发挥重要作用。     

Regional and temporal differentiation of virulence phenotypes of Puccinia triticina from common wheat in Russia during the period 2001–2018

Leaf rust, caused by the fungus Puccinia triticina, is one of the most damaging rust diseases of wheat in Russia. Populations of P. triticina were monitored in seven regions of Russia from 2001 to 2018, with a total of 5,191 single urediniospore isolates from bread wheat (Triticum aestivum) being analysed. Populations have changed significantly in all regions since 2012, after 2 years of drought (2010–2011). Regional collections of P. triticina were also significantly different between the two periods 2001–2009 and 2012–2018, with changes along two geographic gradients from West Siberia to the north-west and south-west (North Caucasia) of the European part of Russia. All tested isolates were avirulent to resistance gene Lr9 in 2001–2009 but, since 2010, virulence to Lr9 has occurred and annually increased in the Asian part of Russia (Ural and West Siberia) due to deployment of cultivars with the Lr9 gene. Virulence to Lr2a and Lr15 was considerably lower in Dagestan (6%–33%) and all European regions (35%–67%) than in Asian regions (84%–96%). During 2001–2009, virulence on Lr1 was also lower in Dagestan (33%) and the European regions (50%–77%) than in Asia (91%–96%); however, by 2012–2018, nearly all isolates were virulent on Lr1. Remarkable changes were observed in frequencies of P. triticina races defined by their virulence/avirulence to Lr1 and Lr2a genes. We postulate the P. triticina population in Dagestan is specific to that area and pathogen populations in European and Asian parts of Russia are distinct.     

刺萼龙葵种子中适宜内参基因的筛选

入侵杂草刺萼龙葵Solanum rostratum Dunal传播扩散的主要载体是种子,研究其种子休眠萌发基因的激素调控对于其防除具有重要意义,而选择合适的内参基因可以提高相关基因表达分析的准确性。本研究以赤霉素、脱落酸和水处理的刺萼龙葵种子为材料,利用geNorm、NormFinder、BestKeeper和RefFinder 4种软件对15个候选内参基因进行表达稳定性评价,并通过检测ABI5(abscisic acid-insensitive 5)的表达验证所筛选的内参基因的适用性。结果表明,对于赤霉素、脱落酸和水处理过的种子,最稳定的内参基因分别为eIF(eukaryotic initiation factor)、SAND(SAND protein family)和ACT(β-actin);对所有种子样本而言,PP2Acs(a catalytic subunit of protein phosphatase 2A)是最稳定的内参基因。研究结果将为刺萼龙葵种子休眠萌发的遗传调控研究提供重要参考。