CRISPR/Cas9技术在热带作物育种中的应用研究进展

在热带地区种植的香蕉、番木瓜、甘蔗、木薯、天然橡胶、油棕等热带作物,是我国农业的重要组成部分,不仅为我们的日常生活和工农业生产提供了重要的原材料,而且为我国热带与亚热带地区的主要农业产量和经济增长做出了贡献。然而,这些作物的现代分子育种受其生物学特性和遗传复杂性的严重阻碍,多倍化、杂合性、无性繁殖、童期长和植株高大等问题导致热带作物的传统杂交育种周期长、难度大、进展慢。基因编辑技术的发展为热带作物育种带来了新途径和新机遇。CRISPR/Cas9系统介导的基因组编辑技术以其更高的靶向效率、多功能性和易用性,已被广泛应用于植物基因组编辑育种中。近年来,该技术在香蕉、木薯、天然橡胶、甘蔗等热带作物上也实现了广泛应用。本文介绍了基于CRISPR-Cas9系统的基因组编辑、CRISPR-Cas9在热带作物改良中的应用进展以及所面临的挑战和问题,同时对热带作物基因编辑育种方面提出建议,以期为后续研究提供思路,并为进一步开发应用该技术以有效改良热带作物的植物性状提供参考。

香蕉AP2/ERFs超家族的重新鉴定及在果实采后成熟过程中的差异表达特性

【目的】在全基因组水平上重新鉴定香蕉A基因组中的AP2/ERF家族成员,研究其在香蕉果实采后成熟过程中的差异表达特性,明确可能参与香蕉果实成熟调控的关键基因。【方法】对香蕉A基因组中AP2/ERF家族成员进行系统进化、结构特征、蛋白质特性、保守结构域分析和两大类主栽品种巴西蕉(AAA)和粉蕉(ABB)果实采后成熟不同阶段的转录组分析。【结果】发现AP2/ERFs家族共有317个家族成员,分为AP2(49个)、ERF(253)和RAV(15)三个亚家族,他们不均匀地分布在染色体上。根据保守结构域和基因结构特征,ERF又分为a、b、c、d、e、f、h、i、j和k共10个亚类。转录组分析结果表明,在巴西蕉果实采后成熟过程中差异表达的AP2/ERFs家族成员有77个,其中高水平表达的有MaERF15、36、42和AP2-28。在粉蕉果实采后成熟过程中差异表达的AP2/ERFs家族成员有74个,其中高水平表达的有MaERF42和AP2-28。同时在巴西蕉和粉蕉果实成熟过程中差异表达的基因有57个,其中高水平表达的基因有MaERF15、42和AP2-28,只在巴西蕉果实中特异表达的有20个,只在粉蕉中特异表达的有17个。【结论】重新鉴定了香蕉AP2/ERFs超家族成员及其在果实后熟过程中的差异表达特性,为系统深入解析香蕉AP2/ERF基因功能奠定了基础,对为调控香蕉果实成熟提供靶标基因具有一定的理论意义。

香蕉抗性淀粉研究进展

抗性淀粉(Resistant starch,RS)是指在120 min内不能被健康人体小肠消化和吸收、但在大肠中能够被发酵的淀粉及其淀粉降解物的总称,具有预防糖尿病、改善肠道微环境、降血糖、降血脂和减肥等多种保健作用,引起农业、食品和医药等领域学者的极大兴趣,已成为作物营养品质改良、健康食品研发的热点内容之一。依据其化学结构、来源和性质不同,RS共分为RS_(1)、RS_(2)、RS_(3)、RS_(4)和RS_(5)等5种类型。香蕉是世界贸易量最大水果和世界第四大粮食作物,为全球20亿人口碳水化合物来源。香蕉RS属于RS_(2)类型,是唯一被美国食品和药物管理局确定为膳食纤维的RS。青香蕉果实富含RS(>40%),远高于水稻(<3%)、小麦(<3.5%)和高直链淀粉玉米(<22.4%)等作物,是功能性食物的直接来源。自1982年英国生理学家Englyst首次发现并命名RS以来,香蕉在RS颗粒形态特征、加工处理条件与络合反应对RS颗粒形态特征变化影响、积累和降解特点与果实品质形成关系、制备方法及食品加工中的应用等方面均取得了较大进展。但与水稻等作物相比,在涉及香蕉RS合成核心基因挖掘、转录因子调控核心基因表达影响RS合成分子机制、功能鉴定及分子育种等方面的研究明显滞后。本文对1982年以来香蕉RS在细胞学、生理生化、食品加工、分子生物学等方面工作进展进行了回顾和展望。

汾河流域的生态保护与修复路径分析

随着工业和农业的快速发展,汾河流域水资源日渐短缺,生态环境承载力日益增大,流域生态环境问题更加严峻。结合汾河流域生态保护与修复的背景和现实意义,提出汾河流域生态保护与修复的措施,然后开展汾河断面水质自动监测评价。坚持控源截污、内源治理、湿地建设和生态修复的基本思路,对汾河流域进行生态保护与修复,实现汾河水质退出劣Ⅴ类的目标。建立汾河庙前村断面水质自动监测站,确保监测数据达标,把清澈的汾河水送入黄河,为“一泓清水入黄河”工程奠定基础,这对汾河流域生态环境保护和修复具有重要的指导意义。

水环境监测质量控制途径分析

水环境监测质量有效控制,主要为了优化监测效果,切实维护水体安全。本文简要分析了水环境监测质量控制的现实意义与现行标准,并围绕现有工作开展阻碍确立优化途径,通过建立规范化质控规程、研发智能监测系统、推行水质自动监测技术、加强遥感监测数据分析等举措,充分提升水环境监测质量控制有效性,改善水污染治理成效,为相关机构给予可靠指引。

香蕉采后生理学研究进展

香蕉是一种典型的呼吸跃变型水果,不耐贮运。综述香蕉果实外观品质的变化、采后生理生化变化和采后病害三方面的研究进展,并展望该领域今后的研究方向。

2个辣椒栽培种的核型分析

分析了一年生辣椒与中国辣椒各3个品种(系)的染色体核型。结果表明,3个一年生辣椒品种"05Ca58M"、"05Ca60M"和"5860"的核型分类均为"2A"型,染色体数目均为2 n=24。但它们的核型公式不同,"05Ca58M"的核型公式为22 m+2 sm,"05Ca60M"的核型公式为20 m+4 sm,而"5860"的核型公式为20 m+2 sm+2 st。3个中国辣椒品种(品系)的核型分类也都为"2A"型,染色体数目均为2n=24。它们的核型公式也各不相同:03YB03为22 m+2 st;05YB11为20 m+4 sm;03YB03×05YB11为22 m+2 sm。

香蕉中8个WRKY转录因子的克隆及表达分析

WRKY转录因子在植物生长发育和抗逆过程中发挥重要作用。为了解香蕉WRKY转录因子的功能,本研究在香蕉根系中克隆了8个WRKY家族基因,与香蕉基因组数据库比对后,将其分别命名为MaWRKY2、MaWRKY21、MaWRKY44、MaWRKY47、MaWRKY125、MaWRKY136、MaWRKY139和MaWRKY147。序列分析和遗传进化树结果表明,MaWRKY2和MaWRKY47属于第I类家族,其余6个属于第II类家族。对8个基因在香蕉的根、球茎、假茎、叶、花和果中的表达进行分析,结果表明,这8个基因在所有的器官中均表达,说明这些基因在香蕉的生长发育过程中起作用。对8个基因在盐、低温、干旱、水杨酸、茉莉酸、ABA、乙烯和香蕉尖孢镰刀菌生理4号小种胁迫处理的香蕉苗根系中的表达进行分析,结果表明8个基因对这些胁迫均有响应,说明香蕉中的这8个WRKY基因参与了生物胁迫、非生物胁迫和激素信号途径。

香蕉ASR的特征和采后表达分析

从香蕉cDNA文库中获得香蕉ASR全长cDNA序列,命名为MaASR。构建遗传进化树发现MaASR与单子叶植物中的芭蕉科植物的亲缘关系较近。对正常成熟和乙烯处理的香蕉果实各时期内源ABA的含量进行测定,结果表明,在正常成熟的香蕉果实中,成熟早期(0-2 d),内源ABA含量相对较低,第8天ABA含量达到最大,随后迅速下降。在乙烯处理的香蕉果实中,ABA含量急剧上升,第3天ABA含量达到高峰,随后逐渐下降。利用荧光定量RT-PCR对MaASR在正常成熟和乙烯处理后的果实中的表达情况进行分析,在自然成熟的果实中,MaASR在采后2 d达到高峰,而后迅速下降,在6-16 d时一直保持较低水平。在经外源乙烯诱导的果实中,MaASR表达水平没有表现出剧烈变化的趋势,整体表达量较低。表明MaASR对乙烯信号有应答,但应答强度较低,其表达趋势与ABA的含量或者信号强度呈负相关。

香蕉乙醇脱氢酶基因的克隆及其逆境胁迫表达

香蕉乙醇脱氢酶基因的克隆及在逆境胁迫下的表达分析,将为进一步研究ADH在香蕉中的功能奠定基础。本研究从香蕉果实抑制差减文库中获得一条香蕉乙醇脱氢酶基因片段,采用RACE技术获得其全长,命名为MaADH。MaADH的cDNA全长1140 bp,编码379个氨基酸。生物信息学分析该基因编码的蛋白分子量为40.7 kDa,等电点为7.09。保守结构域分析发现,该基因具有MDR保守结构域,包含22个NAD结合位点、11个底物结合位点和4个锌结合位点。系统进化树分析表明,MaADH与拟南芥和甘蓝亲缘关系较近。MaADH在盐胁迫和低温胁迫处理的香蕉苗中上调表达;在干旱胁迫下该基因是先上调表达,随后下调表达;在伤害胁迫下是先下调表达后上调表达,但变化不明显。研究说明,香蕉中的乙醇脱氢酶基因在香蕉适应盐、低温、干旱和伤害等逆境中发挥重要的作用。

香蕉中一个新的S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因的克隆及采后表达分析

利用抑制消减文库从香蕉中分离到一个cDNA片断,结合RACE技术获得该基因的全长序列。该全长cDNA共含1 285个碱基,通过Blastx同源性分析结果显示它与香蕉的一个S-adenosyl-L-methionine synthase(SAMS)基因(GenBank序列号为AF004317)具有82%的碱基同源性,编码的氨基酸顺序有93%同源性,但在cDNA的5’和3’非编码区同源性较低。设计特异引物对此基因进行RT-PCR分析表明,正常成熟的香蕉果实,采后当天表达量较高,随后略有降低,至采后12 d又达到一个相对较高值后迅速下降;高锰酸钾处理的果实,整个成熟期该基因均表现一个比较高的表达量;乙烯利处理的果实,采后表达量明显下降且处在一个比较稳定的水平。

长春花核型的研究

对长春花属的长春花(Catharanthusroseus(L.)G.Don)、白长春花(C.roseus(L.)G.Don‘Albus’)和黄长春花(C.roseus(L.)G.Don‘Flavus’)的染色体数目和核型进行了研究。结果表明,它们的核型公式均为2n=2x=16=2m+12sm+2T,均属于"3A"核型,染色体数目均为2n=16,但它们的端部和中部着丝点染色体在核型分析中的排列次序不同。

香蕉中4条乙醇脱氢酶基因的克隆及表达分析（英文）

该研究采用RACE技术从香蕉中克隆了4条乙醇脱氢酶基因——MaADH1(GenBank No.KM253748)、MaADH2(GenBank No.KM253749)、MaADH3(GenBank No.KM253750)、MaADH4(GenBank No.KM253753),且在核苷酸水平上4条基因与2A基因组中的乙醇脱氢酶同源性较高;遗传进化树分析显示,MaADH2、MaADH3和MaADH4属于乙醇脱氢酶第I类,而MaADH1不属于第I类,也不属于第Ⅲ类。半定量RT-PCR分析显示,4条基因在不同器官中的表达量不同;不同激素、不同非生物胁迫以及生物胁迫处理后4条基因的表达显示,MaADH2受ABA、乙烯、茉莉酸、水杨酸、干旱和涝害诱导表达,最大表达量分别为19.14、428.19、68.21、61.79、53.73和108.43;MaADH3受盐胁迫诱导表达,最大表达量为220.27;MaADH1和MaADH4在不同处理后的表达量变化不明显。研究表明,在香蕉中MaADH2可以作为ABA、乙烯、茉莉酸、水杨酸、干旱和涝害的标记基因,MaADH3可以作为盐害的标记基因。

二步倍增东方百合“星球战士”及提高组培苗移栽成活率的研究(英文)

采用二步倍增法直接再生了东方百合"星球战士"。鳞片切块培养在MS+4.4μmol/L BA+ 0.5μmol/LNAA的培养基上50 d后,再生出大量丛生芽。将丛生芽切块置于同样的培养基上进行诱导,40 d后,从基部短缩茎切片上诱导出了大量不定芽,但是根切段上不再生芽。一个中等大小的东方百合"星球战士"鳞茎120 d就可以再生出97 200个独立完整的新植株。研究还发现:加椰糠的培养基质最适于组培苗的驯化培养因而获得最高的移栽成活率。组培苗移栽后生长正常,2 a后正常开花。

香蕉中2条MaMLO基因的克隆及表达分析

MLO基因是一类植物特有的抗病基因,为了研究香蕉MLO基因在香蕉抗枯萎病中的作用,利用RACE技术从香蕉中克隆获得了香蕉2条MLO基因,分别命名为MaMLO1和MaMLO2。序列分析表明,MaMLO1的开放阅读框为1 473 bp,编码490个氨基酸;MaMLO2的开放阅读框为1 689 bp,编码562个氨基酸。系统进化树分析表明,MaMLO1与已登录的香蕉MLO1(XP_009413424)亲缘关系较近,MaMLO2与已登录的香蕉MLO6(XP_009411538)亲缘关系较近。组织特异性研究表明,这2个基因在香蕉各器官中均有表达,但MaMLO2在根中的表达量最大。不同激素处理下的研究表明,MaMLO1受ABA、乙烯和水杨酸诱导上调表达,受茉莉酸诱导下调表达;MaMLO2受ABA、乙烯、水杨酸和茉莉酸4种激素诱导上调表达。在感病品种中2个基因均是下调表达,在抗病品种中均是上调表达。结果表明,克隆到的2条MLO在感病品种中没有参与到香蕉抗枯萎病的过程,而在抗病品种中参与了香蕉抗枯萎病的过程。

花卉品质改良研究进展

综述了近年来国内外花卉品质改良研究进展．常规育种虽然是花卉品种改良的主要方法．但有其局限性．现在日益成熟的生物技术为花卉品种改良提供了新的方法,分子育种已在植物的花色、花型、花期、花香、花卉保鲜、抗性等方面取得了一定的成果．

香蕉苹果酸脱氢酶基因克隆及其逆境胁迫表达

从香蕉果实抑制差减文库中获得一条香蕉苹果酸脱氢酶基因片段,采用RACE技术获得全长,命名为MaMDH;MaMDH基因全长1 249bp,编码332个氨基酸。生物信息学分析预测其编码蛋白分子量约35 448Da,等电点为6.53。与已知植物苹果酸脱氢酶基因相比,氨基酸同源性均达92%。保守结构域分析发现,MaMDH基因具有NAD结合位点、苹果酸结合位点和二聚体结合位点。系统进化树比对分析表明,MaMDH与玉米和小麦的亲缘关系较近。MaMDH基因在乙烯利处理香蕉苗中上调表达;在盐、Al 3+胁迫和香蕉尖孢镰刀菌4号生理小种处理幼苗中先上调表达,后下调表达;在冷害胁迫幼苗中先下调表达,后上调表达;而在干旱胁迫、伤害胁迫幼苗中表达没有明显变化。研究表明,香蕉中的苹果酸脱氢酶基因具有响应生物胁迫和非生物胁迫能力,可能在香蕉适应衰老、盐、铝、低温胁迫和枯萎病菌侵染等逆境中发挥重要作用。

香蕉乙二醛酶基因MaGLO14的克隆及在非生物胁迫下的功能鉴定

为研究香蕉乙二醛酶基因的功能,根据香蕉果实采后早期成熟的抑制缩减杂交文库(suppression sub-tractive hybridization library,SSH)获得的香蕉乙二醛酶基因片段,首次从香蕉中克隆了乙二醛酶基因的cDNA全长,命名为MaGLO14。该cDNA的ORF全长1 074 bp,编码358个氨基酸。BlastX分析表明,该基因cDNA推导的氨基酸序列与云杉(ABK22263)、葡萄(CBI23235)、葡萄柚(CAB09799)、棉花(ACJ11750)和蓖麻(EEF43857)有较高的一致性,分别为82%、83%、82%、80%、82%。组织特异性表达结果显示,该基因在香蕉根、茎、叶、花、果实中均有表达。在NaCl、低温、乙烯利胁迫处理后基因呈现上调表达;在干旱、涝害胁迫处理后基因呈现下调表达。该基因转化烟草显示能够增强转基因烟草离体叶片耐盐性。

乙烯和1-MCP处理对香蕉采后果皮色素含量及褪绿变黄的调控

【目的】为了揭示香蕉采后果皮色素代谢及褪绿变黄的生理机制，【方法】以‘巴西’蕉（MusaacuminateL．AAAgroup‘Brazilian’）果皮为试材，通过自然后熟、乙烯、1-MCP3种不同处理，分析果皮褪绿变黄与各种色素含量变化的相关关系。【结果】在自然后熟过程中，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均呈下降趋势，类胡萝卜素含量逐渐上升；乙烯处理后0～12d，总叶绿素含量由32μg·g-1下降到2μg·g-1，同时类胡萝卜素迅速合成；1-MCP处理延缓了果皮叶绿素含量降解和类胡萝h素含量积累。相关性分析表明，在自然后熟和乙烯处理后，类胡萝卜素含量变化与叶绿素卜含量变化分别达到显著、极显著负相关；而1-MCP处理后类胡萝h素含量变化与叶绿素卜相关性不显著。【结论】香蕉采后果皮褪绿变黄过程可能主要涉及到叶绿素卜含量的下降和类胡萝卜素含量的上升。

香蕉寒害研究现状及展望

我国绝大部分香蕉种植区域属于香蕉非最适宜种植区,容易受到冬春寒流的侵袭而造成重大经济损失。寒害已成为制约我国香蕉产业健康发展的主要灾害之一。对香蕉寒害症状和类型、香蕉抗寒生理生化研究、防寒措施、抗寒相关基因的挖掘等方面进行了综述,简述了香蕉寒害研究存在的问题和发展现状,以期对香蕉寒害的基础研究及生产应用提供参考。