基于无人机多源影像数据的灌浆期人工合成小麦抗旱性评价

【目的】基于无人机多源影像及产量数据评价人工合成小麦种质的抗旱性,优选高通量抗旱性鉴定指标,发掘抗旱人工合成小麦种质资源,为加快拓展小麦抗旱遗传资源、提升旱地小麦育种水平提供技术支撑和种质材料。【方法】以80份人工合成小麦种质及对照小麦品种新春37为试验材料,在田间进行小区播种,设置干旱和灌溉2种水分处理;利用无人机搭载多光谱及热红外相机采集试验材料灌浆期多源影像进行拼接处理,通过阈值分割等方法提取各试验材料的光谱指数;利用相关性分析和主成分分析鉴选抗旱相关光谱指标,结合单指标及综合评价方法鉴定人工合成小麦种质的抗旱性。【结果】基于无人机多源影像数据提取了80份人工合成小麦种质的19种光谱指数。不同光谱指数抗旱系数与小区产量抗旱指数的相关性分析结果表明,OSAVI的抗旱系数与抗旱指数的关联度最高,NDVI、CIre和NDRE的抗旱系数与抗旱指数的关联度较高。部分光谱指数的抗旱系数间相关性较高,存在冗余信息,通过主成分分析,将19个光谱指数的抗旱系数转换为3个相互独立的综合指标,3个综合指标的贡献度分别为59.6%、12.0%和9.6%。利用加权隶属函数法聚合综合指标,通过公式计算获得各人工合成小麦种质的综合抗旱性度量值。基于抗旱指数鉴定出6份强抗旱人工合成小麦种质,基于综合抗旱性度量值鉴定出5份强抗旱种质,其中,SW004和SW009在2种方法的评价结果中均被评为强抗旱种质。基于OSAVI的抗旱系数对80份人工合成小麦种质进行抗旱性分级,分级结果与基于综合抗旱性度量值的分级结果基本一致。根据OSAVI的抗旱系数鉴定出的6份强抗旱种质中,有5份在基于综合抗旱性度量值分级中也被鉴定为强抗旱种质。【结论】基于无人机多源影像提取的光谱指数NDVI、OSAVI、CIre和NDRE,以及基于光谱指数的综合抗旱性度量值均可用于辅助鉴定小麦种质抗旱性。

小麦TabHLH112-2B基因克隆及每穗小穗数相关功能标记开发

bHLH(basic Helix-Loop-Helix)转录因子在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究克隆了小麦TabHLH112-2B,该基因由7个外显子和6个内含子构成,编码444个氨基酸,在315~364位氨基酸处具有一个典型的HLH保守结构域。组织表达模式分析表明TabHLH112-2B在小麦幼苗期、拔节期、抽穗期和开花期的各个组织中均有表达,其中在叶和根中表达量较高。顺式作用元件分析发现TabHLH112-2B启动子区含有植物激素应答、胁迫响应、与分生组织发育相关的多种顺式作用元件, qRT-PCR结果显示其表达响应ABA、IAA、MeJA等植物激素和干旱、高盐、低温、高温等胁迫处理。基因组序列多态性分析检测到启动子区域的2个SNP,分为2种单倍型。根据SNP-682开发分子标记并进行关联分析,发现该标记与干旱、高温等多种环境下的每穗小穗数显著相关,Hap-2B-2为每穗小穗数多的优异单倍型。研究结果为培育高产广适小麦新品种的分子标记辅助育种提供了优异基因资源和技术支撑。

小麦E3泛素连接酶基因TaSINA-3A与多种环境下的株高和千粒重相关

E3泛素连接酶SINA(seven in absentia)家族参与植物的生长发育、免疫共生并响应逆境胁迫。本研究克隆了位于小麦染色体3A上的TaSINA-3A基因,其基因组序列长度为3897 bp,其中启动子区为2001 bp,基因序列为1896 bp,编码244个氨基酸,在50~91位氨基酸处有一个RING(really interesting new gene)保守结构域。RT-qPCR结果显示,TaSINA-3A基因在小麦的各个发育阶段的不同组织中均有表达。序列多态性分析表明,在TaSINA-3A的启动子区存在33个SNP(single nucleotide polymorphism)位点,编码区有4个SNP位点。基于启动子区的变异位点SNP-159、SNP-418和SNP-1286开发分子标记,扫描小麦自然群体,并与表型性状进行关联分析。结果表明,标记CAPS-159与多种环境下的株高和倒二节长显著相关,SNP-159-C是倒二节较短的矮秆等位变异,标记dCAPS-418分别与多种环境下的穗长和千粒重显著关联,SNP-418-A是长穗、高千粒重的优异等位变异;TaSINA-3A负调控穗和籽粒的发育,TaSINA-3A的表达可能受到MYC转录因子的抑制;在我国小麦育种进程中SNP-418-A受到正向选择,在育成品种中的频率逐步增加,但尚未充分利用。研究结果为深入探讨小麦株高、倒二节长及产量的形成机制提供参考,并为培育高产稳产广适新品种提供了基因资源。

小麦烯醇化酶基因TaENO1-5B在多种环境下对株高与穗粒数的调控

【目的】烯醇化酶是糖酵解过程中的关键限速酶,在植物生长发育和逆境胁迫应答中发挥重要作用。揭示小麦烯醇化酶基因TaENO1-5B的功能,开发分子标记,为通过分子育种改良小麦提供基因资源。【方法】以小麦品种旱选10号为材料克隆TaENO1-5B,在SMART网站分析其编码蛋白的结构域,采用Phyre2软件预测蛋白的二级和三级结构;采用实时荧光定量PCR技术分析基因在小麦不同发育时期的组织表达水平,以及在植物激素处理和逆境胁迫下的表达模式;以30份遗传多样性丰富的小麦种质为材料分析基因序列多态性,开发分子标记;以323份小麦构成的自然群体为材料进行TaENO1-5B单倍型与表型性状的关联分析,利用小麦地方品种和现代育成品种群体分析优异单倍型在我国不同麦区受育种选择的趋势。【结果】TaENO1-5B由17个外显子和16个内含子组成,编码446个氨基酸,含有保守的N端结构域和C端TIM(triose-phosphate isomerase)桶状结构域;TaENO1-5B在小麦幼苗期、拔节期、抽穗期和开花期的各个组织中均有表达,在根、根基和穗中表达量较高;TaENO1-5B启动子区含有多种顺式作用元件,包括脱落酸(ABA)、生长素(IAA)和茉莉酸甲酯(MeJA)等激素应答元件和干旱、低温胁迫相关的多种应答元件,TaENO1-5B的表达受植物激素和干旱、低温等胁迫的显著诱导;在TaENO1-5B的启动子区检测到4个SNP,基因区检测到3个SNP,组成3种单倍型Hap-5B-1、Hap-5B-2和Hap-5B-3。在干旱、高温等多种环境下,单倍型Hap-5B-2为优异单倍型,与矮秆、多小穗数和穗粒数显著相关,在我国小麦主产区的育种历史中受到了正向选择。基于TaENO1-5B启动子区SNP(2 399 bp,G/A)开发的KASP标记,与多种环境下的每穗小穗数显著相关。【结论】TaENO1-5B响应植物激素信号及非生物胁迫,在干旱、高温等多种环境下,与株高、每穗小穗数和穗粒数显著相关,Hap-5B-2是矮秆及每穗小穗数和穗粒数较多的优异单倍型。根据TaENO1-5B变异位点开发的分子标记可用于小麦株高及相关产量性状的遗传改良。

小麦抗旱性研究进展与展望

利用优异基因资源改良小麦抗旱性是应对干旱和保障粮食安全的重要途径。结合国内外小麦抗旱性研究的最新进展和本研究组的研究实践,概述了现行主要抗旱性鉴定方法的适用对象和评价指标,以及小麦抗旱种质创新、抗旱基因资源发掘与利用等方面的研究成果,同时提出未来小麦抗旱性研究的重点任务和发展方向,即建立基于高通量表型鉴定的抗旱性综合评价技术体系,建立基于高通量基因型鉴定的抗旱基因资源发掘平台,创建基于综合运用多学科技能的智慧育种策略,以期为加快小麦抗旱性遗传改良提供信息资源和理论参考。

小麦转录因子TaMYB5-3B与株高和千粒重相关

MYB转录因子在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究克隆了小麦3B染色体上的TaMYB5-3B基因,基因组序列全长3005bp,其中编码区上游为2112bp,编码区为893bp,包含2个外显子和1个内含子,编码一个R2R3-MYB蛋白。序列多态性分析表明,在TaMYB5-3B的–2048、–1632、–1178、–1156、–504、–461、–433和61 bp处各有1个SNP位点,分别是G/A转换、G/A转换、G/A转换、T/C转换、C/T转换、A缺失、T缺失和T/A颠换,这8个SNP位点连锁。基于启动子区SNP-1632的变异开发分子标记,检测小麦自然群体的基因型,与表型性状进行关联分析,结果显示TaMYB5-3B与株高、穗下节长和千粒重显著相关。TaMYB5-3B在群体中有2种单倍型Hap-3B-1和Hap-3B-2,其中Hap-3B-2是植株较矮、千粒重较高的优异单倍型。在我国的小麦育种历程中Hap-3B-2受到了正向选择,在育成品种中的频率逐步增加,但仍然有进一步的应用潜力。研究结果为深入探讨小麦株高和产量的形成机制提供参考,也为小麦株型和产量分子育种提供了基因资源与选择标记。

小麦转录因子基因TaPHR1参与调控每穗小穗数

利用水分高效基因资源创制新型小麦品种是应对气候变化和人口高速增长的有效途径。MYB(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)是植物中最大的转录因子家族之一,参与调控植物生长发育,生物和非生物胁迫。本研究在TaPHR1-4A和TaPHR1-4B中分别鉴定出19个和15个SNP,基于这些多态性位点开发了分子标记。关联分析表明,Hap-4B-I是小穗数多的优异单倍型。通过创制两个回交导入系群体,进一步证实Hap-4B-I有利于改善小麦穗部性状。TaPHR1的转录表达分析发现Hap-4B-I单倍型幼穗中TaPHR1的表达水平均高于Hap-4B-II单倍型。此外,TaPHR1在水稻中的异源表达导致穗分支变多,也证实TaPHR1参与调控每穗小穗数。小麦育成品种的时空分布分析发现尽管Hap-4B-II在我国现代育成品种中占比最多,但随小麦育种时间的推进,Hap-4B-I的占比在逐渐增多。总之,TaPHR1是小麦每穗小穗数的正调节因子。因此,本研究开发的分子标记可作为小麦标记辅助选择和遗传改良的重要来源。

冬小麦不同基因型幼苗形态性状遗传力和抗旱性的研究

用植物根系喷雾试验箱培养冬小麦茶淀红×MY9094、轮抗7号×山农215953的四个亲本及其两个杂种F2，研究两叶到六叶期幼苗形态性状的遗传力及幼苗形态性状与抗旱性的关系。结果表明：幼苗的抗旱性与根干重呈显著正相关。幼苗的根数、根长及株高等性状遗传力随叶龄增加而增加。因此，育种上以4—6叶幼苗的形态性状筛选抗旱品种或选择杂种材料为宜。

变水处理条件下小麦幼苗的甜菜碱代谢与抗旱性的关系

在缓慢土壤水分胁迫-复水的变水处理条件下,小麦幼苗地上部分相对含水量在80％～70％时,甜菜碱含量及甜菜碱醛脱氢酶活性最高,相对含水量大于80％或小于70％,甜菜碱的含量和甜菜碱醛脱氢酶活性都降低,并且两者变化是“同步”的。水分胁迫时,小麦幼苗迅速积累甜菜碱,抗旱型小麦增加6～8倍,水分敏感型增加4倍。积累甜菜碱与小麦抗旱性密切相关,积累的甜菜碱在维持细胞质与其内（液泡）外环境的渗透平衡中起主要作用。小麦幼苗中甜菜碱的最大含量比脯氨酸和可溶性糖最大含量出现得早;甜菜碱含量高、最大含量出现较晚的小麦基因型,幼苗抗旱性较强。

小麦幼苗根系形态与反复干旱存活率的关系

以 3 5个不同栽培类型的小麦品种 (系 )作为试验材料 ,根据其 6叶幼苗的根系形态性状进行聚类分析 ,供试材料的根系类型分为 3种 :大根系、小根系和中间型根系。具有中间型根系的材料反复干旱存活率最高 ,这些材料的根系特点是单株根数 7～ 8.5条 ,最大根长 2 0～ 2 2 cm,根总干重 44～ 48mg,其中 1 0 cm以下根干重占 3 6 %～ 45 % ,根冠比范围在 0 .2 2～0 .2 4。一些水地栽培的育成品种苗期抗旱性较强 ,旱地栽培的育成品种苗期抗旱性差异较大 ,个别旱地栽培的地方品种在土壤水分胁迫条件下反而比在正常水分条件下的根系发育更好 。

用花药培养创建小麦加倍单倍体作图群体

用花药培养创建加倍单倍体作图群体是构建数量性状基因作图群体的有效途径，但通过花药培养生产小麦加倍单倍体的成功率较低。该文考查了小麦幼穗发育时期、低温处理幼穗及高温处理接种花药对花粉愈伤诱导率的影响。采用春播小麦做为花药供体，推迟花药接种时间，避免试管苗在低温条件下越夏，有利于早移栽，培育冬前壮苗，同时加强试管苗移栽后的田间管理，保证安全越冬，有效地提高了花药培养生产加倍单倍体的成功率。通过花药培养创建了一个具有１９１个个体的小麦加倍单倍体作图群体。

小麦抗旱种质资源的遗传多样性

在雨养和灌水条件下,田间栽培小麦抗旱材料。根据结实器官建成与物候期、生育期的对应关系,通过供试材料产量构成因素的旱、水表现,分析在各因素形成时期的抗旱性。分别以抗旱系数和抗旱指数作为评价抗旱性的指标,通过聚类分析供试材料的遗传多样性。结果发现有些材料表现为全生育期抗旱,而有些材料只在苗期、拔节期、开花期和灌浆期等一个或几个生育时期表现抗旱;有的材料表现为抗旱高产,但有的材料产量水平较低;同时还发现部分抗旱种质资源在灌水条件下有较大的增产潜力。

外源甜菜碱对小麦幼苗抗旱性的影响

用不同浓度甜菜碱溶液对６个基因型小麦进行浸种和干旱后复水的试验，以幼苗反复干旱存活率高低作为幼苗抗旱性强弱的指标。结果表明，在第一次干旱后用５ｍｍｏｌ／Ｌ的甜菜碱溶液复水会明显提高小麦幼苗的相对含水量和抗旱性。基因型×处理的交互作用结果表明，不同基因型小麦对外源甜菜碱作用的反应有差异，用５ｍｍｏｌ／Ｌ和１５ｍｍｏｌ／Ｌ的甜菜碱溶液进行复水，会显著提高鲁麦１４幼苗的相对含水量和抗旱性。以较高浓度甜菜碱溶液（８０ｍｍｏｌ／Ｌ）浸种的小麦幼苗抗旱性差。

冬小麦幼苗根系形态性状及抗旱性的遗传

用鲁麦１４和冀麦１号这两个幼苗抗旱性差异较大的小麦品种配制正、反杂交组合，估算亲本及其Ｆ１、Ｆ２幼苗根系形态性状及抗旱性的杂种优势和广义遗传力，探讨根系形态性状与抗旱性的关系。结果表明Ｆ１幼苗的种子根总长、单株根总长、单株最大根长及单株根干重等性状都表现明显的杂种优势。Ｆ１幼苗的反复干旱存活率也表现明显的杂种优势，正交Ｆ１第三次干旱存活率的杂种优势显著高于反交Ｆ１，可能受其母本幼苗抗旱性较强的影响。与反复干旱存活率显著正相关的根系形态性状有种子根平均长、单株最大根长及根干重。幼苗种子根数及根冠干重比的广义遗传力较高。

用渗透胁迫鉴定小麦种子萌发期抗旱性的方法分析

本文以聚乙二醇 (PEG) - 6 0 0 0、甘露醇和蔗糖作为渗透剂模拟水分胁迫 ,胁迫溶液渗透势范围在 - 0 2 5MPa到- 1 5 0MPa ,分析适于进行小麦种子水分胁迫萌发试验的条件 ,以鉴定小麦萌发期的抗旱性。结果表明 ,蔗糖溶液易诱发霉菌 ,胚芽不能正常生长。渗透势为 - 0 2 5MPa的PEG - 6 0 0 0及 - 0 5 0MPa的甘露醇胁迫已经显著抑制了胚芽伸长 ;- 0 5 0MPa的PEG - 6 0 0 0及 - 1 0 0MPa的甘露醇显著抑制种子萌发 ,随着胁迫强度增加 ,种子相对发芽率及胚芽长度减小 ,主要是因为渗透胁迫降低了种子吸水速度 ,胚芽的相对含水量和渗透势均低。在渗透势相同的胁迫条件下 ,PEG - 6 0 0 0对小麦种子萌发各项检测值的抑制作用均大于甘露醇。如果目的是通过鉴定小麦种子在高渗溶液中的萌发情况 ,评价萌发期的抗旱性 ,选用 - 0 5 0MPa的PEG - 6 0 0 0或者 - 1 0 0MPa的甘露醇较为理想 ,若同时考虑降低试验成本 ,则应首选 - 0 5 0MPa的PEG - 6 0 0 0。

作物抗旱节水研究进展

发掘利用抗旱节水基因资源,提高作物的抗旱性和水分利用效率,发展生物节水农业,对于缓解水资源危机,保障国家的粮食安全、生态安全和社会可持续发展具有重要意义。本文综述了作物抗旱节水的基础理论、鉴定评价技术、基因资源发掘与品种选育等方面的研究现状和问题,并探讨了作物抗旱节水研究的发展趋势。

作物抗旱性的根系研究

作物根系不仅以形态变化适应土壤干旱，而且能发出某些信息，使其地上部分对干旱做出迅速的反应．因此，对根系的深入研究有助于提高对作物抗旱性的认识．

作物抗旱研究的现状与思考

干旱是一个世界性问题。前人已在许多方面对作物抗旱性进行了探讨，如作物适应干旱的机理，作物的形态结构及生理代谢与抗旱性的关系，并提出了评价抗旱性的指标，有的研究已对有关抗旱性状的遗传进行了分析。但是现有研究结果多数是针对某个方面进行的单项机理研究，并且未能联系作物产量进行分析，使研究结果有一定的局限性。建议把产量作为抗旱性的重要指标，通过分子生物技术筛选抗性基因，为尽快提高作物抗旱性提供选择依据和物质基础。

SSR标记在小麦种质资源研究中的应用

本文通过ＳＳＲ标记，对小麦种质资源的亲缘关系进行鉴定。结果表明，在国家种质库中保存的３个平遥小白麦中，编号为ＺＭ１２１３的平遥小白麦与燕大１８１７的相似程度最高；对平遥小白麦、蚂蚱麦及其衍生品种的系谱亲缘材料进行ＳＳＲ标记，聚类分析结果与系谱中亲缘关系的远近基本一致。因此，ＳＳＲ标记是鉴定小麦种质资源亲缘关系的一条有效途径。

碱草核型分析及其三属杂种观察

对碱草的核型以及中５×碱草的Ｆ２植株花粉母细胞的染色体数目和减数分裂情况进行研究，结果表明，这个三属远缘杂交组合的Ｆ２群体中有一部分单株是真杂种。