Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: Ten years of the GPC-B1 gene

To provide food and nutrition security for a growing world population, continued improvements in the yield and nutritional quality of agricultural crops will be required. Wheat is an important source of calories, protein and micronutrients and is thus a priority to breed for improvements in these traits. The GRAIN PROTEIN CONTENT-B1 (GPC-B1) gene is a positive regulator of nutrient translocation which increases protein, iron and zinc concentration in the wheat grain. In the ten years since it was cloned, the impacts of GPC-B1 allelic variation on quality and yield traits have been extensively analyzed in diverse genetic backgrounds in field studies spanning forty environments and seven countries. In this review, we compile data from twenty-five studies to summarize the impact of GPC-B1 allelic variation on fifty different traits. Taken together, the results demonstrate that the functional copy of the GPC-B1 gene is associated with consistent positive effects on grain protein, Fe and Zn content with only marginally negative impacts on yield. We conclude that the GPC-B1 gene has the potential to increase nutritional and end use quality in a wide range of modern cultivars and environments and discuss the possibilities for its application in wheat breeding.     

Kernel vitreousness and protein content: Relationship,interaction and synergistic effects on durum wheat quality

Four sets of durum samples were used in this study to further understand the interrelationships among hard vitreous kernels (HVK), protein content, and pigment concentration, with a focus on the interaction and synergistic effects of protein content and vitreousness on durum quality. HVK level increases with higher protein content in the range of 9.5–12.5%, but this relationship is less evident in durum samples with high protein content (12.5–14.5%). Both protein content and kernel vitreousness can significantly affect durum milling quality. White starchy kernels (WSK) in low protein durum have a very detrimental impact on milling and pasta processing quality, but high protein content can mitigate the adverse impact of WSK on durum quality. Although protein content plays a dominant role, higher HVK might contribute positively to pasta firmness. There was no significant difference in yellow pigment content between HVK and WSK. However, pigment loss from semolina to dough was higher for WSK than HVK. Despite the difference in protein content, HVK and WSK have little difference in gluten strength. The monomeric protein was preferentially accumulated in HVK. The glutenin proteins of HVK and WSK were similar in the ratios of 1Bx/1By and HMW/LMW-GS.     

桃若干重要特异性状的遗传趋向分析

为了明确桃树菊花花形、窄叶形、白化与黄化叶色及盘龙形与垂枝形树形等6个性状的遗传特性,以‘粉菊花桃’ב红根甘肃桃1号’、‘红花重瓣垂枝桃’(简称‘红垂枝’)ב粉菊花桃’、‘S9’ב粉菊花桃’、‘粉菊花桃’ב瑞光2号’、‘红珊瑚’×(‘粉菊花桃’ב瑞光2号’)为组合配制F_1和F_2代,研究菊花花形、叶片白化及垂枝树形的遗传特性;以‘98-4-32’ב金蜜狭叶桃’、‘99-7-14’ב金蜜狭叶桃’及‘99-7-15’ב金蜜狭叶桃’为组合配制F_1和F_2代,研究窄叶形遗传趋向;以‘北京2-7’ב白花山碧桃’为组合配制F_1和F_2代,研究叶片黄化遗传特点;以‘红垂枝’ב帚形山桃’及‘96-7-56’ב帚形山桃’为组合配制F_1和F_2代,研究盘龙形树形的遗传。结果表明:在蔷薇花形与菊花花形组合中,"蔷薇形/菊花形"表现出2对等位基因(Ch/ch及Ch_2/ch_2)控制的遗传特性,且蔷薇形对菊花形为显性;在铃形花形与菊花花形组合中,F_1代蔷薇形表现为二者的中间类型。在‘98-4-32’ב金蜜狭叶桃’及‘99-7-14’ב金蜜狭叶桃’组合中,"宽叶/窄叶"表现出2对等位基因(Nl/nl及Nl_2/nl_2)控制的遗传特性,且宽叶对窄叶为显性;在‘99-7-15’ב金蜜狭叶桃’组合中,"宽叶/窄叶"表现出1对等位基因控制的遗传特性。叶片"正常/白化"表现出1对等位基因(Wl/wl)控制的遗传特性,且正常对白化为显性,白化基因可能来自‘粉菊花桃’;叶片"正常/黄化"表现出2对等位基因(Yl/yl及Yl_2/yl_2)控制的遗传特性,其中1对为显性时对另一对具有抑制作用,黄化基因可能来自‘白花山碧桃’。直立树形同时表现为盘龙形与垂枝形及盘龙形与开张形的中间类型;"开张形/垂枝形"表现出1对等位基因(We/we)控制的遗传特性,且开张对垂枝为显性。结论:菊花花形由2对隐性基因(chchch_2ch_2)控制;窄叶形可能由2对隐性基因(nlnlnl_2nl_2)控制;叶片白化由1对隐性基因(wlwl)控制;叶片黄化可能由2对等位基因(Yl_yl_2yl_2或Yl_2_ylyl)控制;仅盘龙形与直立形由1对等位基因(Br_2/br_2)控制,其中盘龙形基因型为br_2br_2;垂枝形由1对隐性基因(wewe)控制。     

干旱胁迫下‘宁玉’草莓生长发育及相关基因表达特点

为分析基因诊断草莓在干旱逆境条件下生长状态的可行性,以‘宁玉’草莓为试材,调查了不同干旱胁迫条件下的生长特点以及与生长素合成、脱落酸合成、花果发育、色素合成相关的10个基因的表达情况。研究结果表明:在不同干旱条件下草莓均可完成从营养生长到生殖生长的生命周期,所选基因也都行使并完成了其调控功能。与对照植株相比,在轻度和中度干旱胁迫(50%~65%土壤持水量)条件下,草莓植株的物候期较对照(80%土壤持水量)提早,而在严重干旱胁迫(35%土壤含水量时)条件下延缓,随着干旱胁迫条件的加重,草莓植株、叶片、果实明显变小,果实着色加深。每个基因在不同干旱条件下表达水平的变化趋势基本一致,且都与相应的物候期以及生长发育时间长短的变化情况相一致,但所选基因在几种干旱条件下其表达开始的早晚、表达水平的高低以及表达相应程度持续时间的长短存在不同。在轻度和中度干旱条件下,这些基因的表达时间提早,但持续时间较短,表达水平高于对照;而在重度干旱条件下,这些基因的表达开始的时间较对照延缓,表达水平较低但持续时间拉长。上述研究结果表明,利用基因的表达信息可以提前推断草莓植株在不同干旱条件下的生长发育状态,了解干旱胁迫对草莓生长发育的影响以及为是否需要提早采取管理措施等提供重要依据。     

小麦茎秆实心度对茎秆强度的影响及相关性状QTL分析

在QTL水平上研究茎秆实心度与强度的遗传关系及实心度对茎秆强度的影响,为小麦抗倒伏育种提供依据。利用普通小麦宁麦18与实秆小麦种质"武云实秆"的F2群体和F2:3家系,对小麦茎秆强度、实心度及影响实心度的相关性状包括厚径比、壁厚、茎粗和髓腔直径进行了相关分析,并对茎秆强度相关性状QTL进行分子标记定位及遗传效应分析。结果表明小麦茎秆强度与厚径比、壁厚均呈极显著正相关,与髓腔直径呈极显著负相关。基于复合区间作图法进行QTL定位,检测到与茎秆强度、厚径比、壁厚、茎粗和髓腔直径相关QTL共23个,分布在1B、3B、4A、4B、5A上,表型贡献率3.5%~44.0%。在染色体3B、4A和5A上的标记区间gwm547–gwm247、wmc718–wmc468和gwm156–gwm443均检测到贡献率很高的茎秆实心度相关QTL,说明在这3条染色体上可能存在控制茎秆强度的主效QTL。用普通小麦宁麦13(N13)×武云实秆的24个F7家系检验分子标记gwm247的可靠性表明利用标记gwm247选育茎秆实心度优于宁麦13的概率较大。研究结果为进一步精细定位相关主效QTL以及分子标记辅助改良小麦茎秆强度奠定了基础。     

不同种植密度对夏玉米品种株型及产量性状的影响

为了阐述不同玉米品种株型及产量性状对密度响应,以目前生产上广泛种植的6个品种（‘郑单958’、‘先玉335’、‘伟科702’、‘浚单20’、‘金海5号’、‘利民33’）为材料,研究4个种植密度(60000、90000、112500、127500株/hm2)下不同品种株型和产量性状的变化。结果表明：6个品种棒三叶面积及茎粗系数均随着密度增加而减小,但减小幅度在不同品种或不同叶位存在差异。产量构成因素如穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数和千粒重随着密度增加而减小。4个种植密度中,‘金海5号’、‘伟科702’、‘郑单958’在密度为90000株/hm2时产量为最高;其他3个品种随密度增加,产量降低。回归分析发现在10个已知影响玉米产量因素中,穗粒数对产量的直接影响最大,其次为行粒数。此结果为玉米品种选育和生产上高效栽培提供理论依据。     

外源硒处理对优质地方水稻品种产量及稻米硒氮磷钾含量的影响

旨在研究外源硒处理对不同类型优质地方常规稻产量及硒氮磷钾含量的影响。以籼稻品种(‘泰选1号’)和粳稻品种(‘粳选1号’)为材料,采用完全随机设计,于较高海拔山区试验田(800 m以上)进行不同浓度硒处理试验。结果表明:施用外源硒处理后不会降低两个品种的稻谷产量;随外施硒浓度的提高,两个水稻品种精米及米糠硒含量均显著提高,粳稻品种在0~15 g/hm2外源硒浓度范围内随硒浓度的增加,精米中硒含量的增加率呈较高的线性模式增长;而高浓度硒处理下,粳稻精米率、整精米率显著降低;随外施硒浓度的增加,水稻精米中氮钾元素含量与硒含量从极显著正相关变为极显著负相关。在硒浓度较低的环境下,适当增加氮、钾肥的施用量能促进水稻对硒元素的吸收积累,高浓度反之。因此,对优质地方常规稻外施硒以提高品质与硒元素积累的研究是可行的。     

不同供磷水平对辣椒根系形态和根际特征的影响

以辣椒品种线椒王为试验材料,采用盆栽方式,通过分析不同施磷水平下辣椒根系形态和根系生理的变化,探究辣 椒磷高效利用的主要根系及根际过程。结果表明,辣椒地上部和根系生物量随供磷水平的增加呈现先增加后下降的趋势,整 株磷浓度以及整株磷累积量呈增加趋势。随供磷水平增加,根系总根长呈先增加后下降趋势,根系平均直径、根冠比呈逐渐 降低趋势;辣椒根系菌根侵染率和土壤酸性磷酸酶活性呈现先增加后下降的趋势。相关分析结果表明,土壤有效磷浓度和整 株磷浓度与根系平均直径、菌根侵染率呈极显著负相关,与总根长可用一元二次方程拟合,表明辣椒根系适应低磷的根际特 征可能是通过增加根系生物量及总根长,同时降低根系平均直径来实现的。     

基于自压滴灌工程过滤装置尺寸的确定及应用

由于新疆牧业灌区无电供应,水源无法过滤,实现滴灌工程难,目前采用地面灌溉。地形坡度大、灌水量多、大量水土流失。灌区下游排水不畅,洼地沼泽化面积剧增,地下水位上升导致土壤盐碱化,弃田面积逐渐扩大、种植面积萎缩。为了解决上述问题,充分利用地形落差,研制了自压滴灌工程过滤装置。同时渠道进水流量、调水池的调节流量、集水桶流量及系统流量之间建立了平衡关系。用实例说明不同地形落差与自压滴灌工程系统流量及过滤装置尺寸的计算过程。解决了自压滴灌工程水源的过滤、排沙、冲沙及自行冲洗等问题。为无电牧业灌区实现节水灌溉技术提供依据。