基于RNA-Seq筛选高粱低氮胁迫相关候选基因

研究低氮胁迫条件下不同高粱材料间的基因差异表达,为耐低氮型高粱品种选育和耐低氮胁迫的分子机制探究提供参考。选取2个耐低氮型高粱(BSX44和BTx378)为试验材料,设置正常和低氮胁迫2个处理,利用RNA-Seq技术对高粱苗期、抽穗期和开花期的基因表达进行分析,通过生物信息学对差异基因的生物学功能和代谢途径进行研究,筛选可能参与低氮调控的基因,了解氮高效基因型在氮素吸收利用过程中可能的分子途径。结果表明,在正常和低氮胁迫下,BTx378和BSX44在苗期分别筛选出937个和787个差异表达基因,抽穗期分别筛选出1305个和935个差异表达基因,开花期分别筛选出1402个和963个差异表达基因。对3个时期的差异表达基因进行鉴定,发现在苗期、抽穗期和开花期分别有246、371和306个基因在2个耐低氮高粱品种中共同差异表达,有28个基因在2个耐低氮品种的不同生育时期均差异表达,其中有5个基因上调表达,23个基因下调表达;对共同差异表达基因的KEGG相关代谢通路富集分析,发现主要集中在氮代谢、丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代谢、甘油磷脂代谢、氨基酸的生物合成等途径,表明耐低氮型高粱可能通过这些途径相关基因的表达影响其对低氮胁迫的耐受性。

不同烤烟品种(系)苗期耐低氮胁迫差异研究

为分析不同烤烟品种(系)的耐瘠薄特性,筛选适宜丘陵烟区生长的品种(系),本试验以豫烟7号、豫浓香201(Y2001)、Y074、7564、渠首1号等为试验材料,研究在低氮胁迫条件下各烤烟品系的叶片叶绿素值(SPAD值)、光合特性、根系形态及根系活力等生理指标的差异。结果表明,在0.5 mmol/L氮素供应的情况下,豫烟7号、Y074和7564能保持较好的叶片状态,胞间CO_(2)浓度、光合速率、蒸腾速率等受低氮胁迫影响较小,表明这3个品系受到低氮胁迫的影响较小,耐低氮能力更强。

高粱miRNA159在低氮胁迫下的表达分析

本研究旨在探究高粱miRNA159在低氮胁迫条件下的表达模式。通过对高粱幼苗叶片和根系中miRNA159a和miRNA159b的表达进行研究,结果显示,miRNA159a和miRNA159b在高粱根系和叶片中表达模式不同,而且短时和长时低氮胁迫下其表达量也有差异,这表明高粱miRNA159在响应低氮胁迫时具有组织和时间特异性的调节效应。试验结果有助于深入理解高粱在低氮环境下miRNA159参与的调控机制,为揭示植物适应低氮胁迫的分子调控网络提供了重要线索。

不同披碱草种质对低氮胁迫的形态和生理响应分析及耐低氮性评价

本研究以22份披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)种质为试验材料,设置全氮(1 mmol·L^(-1),TN)和1/100氮(0.01 mmol·L^(-1),LN)两个氮浓度处理28 d,对处理后披碱草的形态指标和生理指标进行测定,并对各测定值进行隶属函数分析比较,探究22份披碱草种质在长期低氮胁迫下的耐低氮特性。结果表明:在低氮胁迫下,22份披碱草的植株表型均受到不同程度影响,表现为株高降低,根长缩短;生理指标方面:低氮显著降低了披碱草幼苗的硝态氮含量、净光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度、硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性以及可溶性糖含量;低氮显著提高了谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活性,同时显著增加了超氧阴离子、过氧化氢以及可溶性蛋白的含量。经过相关性分析、主成分分析和隶属函数分析,提取7个主成分作为披碱草耐低氮性评价的综合指标,经过计算得出耐低氮性较强的种质是E17,E19,低氮敏感型种质是E12,E16。研究结果为披碱草耐低氮品种选育工作提供理论支持。

成熟期不同基因型谷子对低氮胁迫的响应

为研究耐低氮谷子生理机制,挖掘氮高效利用种质资源,本研究采用盆栽试验,以6个不同基因型谷子品种为材料,设置正常施氮(120 mg/kg, NN)和不施氮(N0)两个处理,分析不同处理对6个谷子品种叶片光合性能、各营养器官氮含量、氮素分配比例和籽粒主要品质指标的影响。结果表明,不同谷子品种的生物量、千粒重、籽粒氮含量、植株全氮含量及不同器官的氮素积累量、氮素分配比例有显著差异(P<0.05)。N0处理下,同其他基因型谷子品种相比,济谷17千粒重增加11.1%~21.6%,籽粒中氮素分配比例及粗纤维、赖氨酸含量分别增加3.5%~9.5%、9.7%~18.2%、0.3%~45.5%;NN处理与N0处理相比,各基因型谷子品种植株氮含量及籽粒氮含量分别增加8.8%~20.7%、2.3%~22.4%。聚类分析结果表明,正常施氮和不施氮条件下,济谷17和豫谷18均表现较优,长农35则对低氮环境比较敏感。本研究结果可为耐低氮谷子品种选育和种植提供理论依据。

西瓜对低氮胁迫响应的转录组分析

氮是植物必需的大量元素之一,对于西瓜生长发育至关重要。为阐明西瓜响应低氮胁迫的作用机制,对连续低氮胁迫下西瓜的表型变化进行分析,并利用Illumina Novaseq平台对3个氮素水平(CK、N1、N3)处理下第15天的西瓜叶片进行转录组测序。结果表明,低氮处理促进了西瓜地下根系伸长,但对地上植株长度和地上鲜重有明显抑制作用,处理后植株表现出地上部矮小的症状。转录组测序结果显示,在CK/N1、N1/N3、CK/N3对比中,分别鉴定出121、1184、516个差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs),其中共有的DEGs有12个,上调1个和下调11个,下调表达基因主要通过烟酰胺合成酶、bHLH转录因子、糖转运蛋白、叶绿素代谢等通路来响应低氮胁迫,而上调表达基因与酪氨酸代谢有关。综上,西瓜响应低氮胁迫是个复杂的过程,经转录组鉴定的与氮胁迫相关的关键基因在提高西瓜对低氮胁迫的耐受性以及提高西瓜的氮利用效率方面有重要作用。以上研究结果为深入研究西瓜低氮胁迫响应机理奠定了基础。

燕麦幼苗对低氮胁迫响应的表型及转录组分析

本研究对燕麦低氮不敏感材料As581和低氮敏感材料As533幼苗(3叶1心期)进行低氮胁迫处理,于胁迫处理12 h采集根系和叶片进行转录组测序,以期揭示燕麦低氮胁迫相关的分子及信号通路,同时为低氮胁迫响应候选基因的克隆与功能验证奠定基础。结果表明,与As581相比,低氮条件下敏感材料As533株高、叶绿素含量、氮含量、叶长、叶宽、叶面积、根冠比、最长主根长和根面积的差异更明显。低氮条件下,As581中有466个差异表达基因,As533中有1090个差异表达基因,两个材料叶片中的差异表达基因均比根系多,且多为下调。GO分析表明,As533和As581根系和叶片生物学过程都富集到代谢过程,细胞组分都富集到细胞和细胞组分,分子功能都富集到催化活性、结合和转运活性。KEGG分析表明,As533根系和叶片都富集在苯丙氨酸代谢、植物昼夜节律、淀粉和蔗糖代谢通路,As581根系和叶片都富集在氮代谢、ABC转运、TCA循环、氧化磷酸化以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路中。RT-qPCR分析表明,6个低氮相关差异表达基因的表达量变化趋势与RNA-seq结果一致。

低氮胁迫下外源色氨酸对小叶杨生长和氮代谢酶活性的影响

研究外源色氨酸对低氮下小叶杨生长和氮代谢的影响规律,可为生产中利用色氨酸缓解氮胁迫提供理论依据。以小叶杨扦插苗为试验材料,设置正常供氮(N1)、低氮(N2)、低氮+30 mg·L^(-1)色氨酸(N3)、低氮+65 mg·L^(-1)色氨酸(N4)、低氮+100 mg·L^(-1)色氨酸(N5)共5个处理,研究不同浓度色氨酸对低氮胁迫下小叶杨生长和氮代谢的影响。结果表明:低氮胁迫显著降低了小叶杨株高,与N4相比,N2、N3的株高分别提高了49.28%、28.16%,N5与N4对株高的影响处于同一水平;与N1相比N2会显著降低小叶杨硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、亚硝酸还原酶活性,与N2相比N4会显著提高各氮代谢酶活性,N2与N3处理各氮代谢酶活性处于同一水平,N4与N5之间无显著差异;低氮胁迫降低了小叶杨游离氨基酸含量,N4可显著提高低氮胁迫下小叶杨叶片内游离氨基酸含量。65 mg·L^(-1)的色氨酸是促进低氮胁迫下小叶杨生长和提高氮代谢能力的适宜浓度。

低氮胁迫对耐低氮玉米品种苗期光合及叶绿素荧光特性的影响

【目的】叶绿素荧光参数经常用来评价光合器官的功能和环境压力的影响,不同玉米基因型耐低氮胁迫能力差异较大,与光合及叶绿素荧光特性对低氮胁迫的响应机制有关。本文以耐低氮能力差异较大的4个玉米杂交种为试验材料,研究了低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期光合及叶绿素荧光特性的影响,以期明确耐低氮胁迫玉米品种的光合机制。【方法】采用二因素完全随机设计盆栽试验,因素A为不同耐低氮性玉米品种:‘正红311’、‘成单30’和不耐低氮品种‘先玉508’、‘三北2号’;因素B为不同氮素水平:正常氮CK(霍格兰完全营养液,N 15 mmol/L)、低氮胁迫LN1(N 0.5 mmol/L)、极低氮胁迫LN2(N 0.05 mmol/L)。测定了苗期单株干物质积累量,单株氮素积累量,叶片叶绿素含量与荧光特性,以及光合效率指标。【结果】低氮胁迫下玉米苗期单株干物质积累量、单株氮素积累量、叶片叶绿素含量等生理指标显著下降,但耐低氮品种的下降幅度显著低于不耐低氮品种;低氮胁迫下玉米苗净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)显著降低,胞间CO2浓度(Ci)显著升高,净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)的降幅及胞间CO2浓度(Ci)的增幅耐低氮品种均显著低于不耐低氮品种;低氮胁迫下可变荧光(Fv)、最大荧光(Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ有效光量子产量(Fv'/Fm')和光化学猝灭系数(q P)等叶绿素荧光特性也均显著降低,耐低氮品种下降幅度显著低于不耐低氮品种;低氮胁迫下耐低氮品种PSⅡ实际光量子产量(ΦPSⅡ)降低,不耐低氮品种有所增加;而耐低氮品种非光化学猝灭系数(NPQ)升高,不耐低氮品种有所降低。【结论】耐低氮玉米品种能够减缓低氮胁迫对植株光合系统的影响,进而保证植株较高的氮素积累,提高叶片叶绿素含量,维持较高的PSⅡ有效光量子产量(Fv'/Fm')和光化学猝灭系数(q P),为光合作用提供充足的光能;从而保持了较高的净光合速率(Pn),保证了耐低氮品种在低氮条件下保持较高的干物质生产。

不同甘蔗基因型对低氮胁迫的响应

为了解甘蔗不同品种的耐低氮胁迫栽培的能力,以每公顷施尿素300、150和0 kg的3种施氮水平处理作主区,选择5个引进的固氮甘蔗品种和广西主栽品种之一新台糖16号(CK)作副区,进行1年新植1年宿根裂区试验。结果表明:各品种新植蔗产量极显著高于宿根蔗,施氮比不施氮增产达极显著水平,每公顷施尿素300与150 kg之间产蔗量差异不显著。3种施氮水平下5个引进品种新植宿根平均产蔗量极显著高于CK。不施氮对各参试品种的分蘖、宿根发株、伸长、成茎均有不利影响,特别是对分蘖和有效茎数的不利影响较大。各品种耐无氮、低氮肥胁迫栽培的能力从高到低依次为B8>B9>B5>B1>B3>新台糖16。研究结果可为今后进行固氮或氮高效利用甘蔗品种的选育和推广提供参考。

不同基因型小麦对低氮胁迫的生物学响应

采用溶液培养法,研究了不同基因型春小麦(加春1、24、号)根系对低氮胁迫的生物学响应、苗期氮素吸收、分配的基因型差异以及与根系形态之间的相关关系。结果表明,在低氮胁迫下,小麦的根重、根长、根条数、根系总吸收面积与活性吸收面积、根系活力均明显降低,但不同基因型间差异明显,加春2号根系具有较好的形态学与生理学性状,根重、根长、根总吸收面积与活性吸收面积、根系活力的下降幅度明显低于其他2个基因型,地上部氮累积量占总氮量的百分率比其他2个基因型分别高7.6%和8.2%,氮的利用率也分别高8.0%和9.9%,差异达显著水平。加春2号比其他2个基因型更能适应低氮环境胁迫。在低氮胁迫下,春小麦根重、根总长度、根系活力、根系总吸收面积及活性吸收面积与总吸氮量呈显著线性相关,而在高氮水平下无相关关系,表明在氮素胁迫条件下,根系形态对氮吸收率起重要作用。

低氮胁迫对不同耐低氮玉米品种苗期伤流液性状及根系活力的影响

【目的】研究了低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期生长、伤流性状及根系活力的影响,比较不同耐低氮性玉米品种对低氮胁迫响应的差异,以期为西南丘陵地区耐低氮玉米品种的选育提供理论依据。【方法】以两个耐低氮品种‘正红311’、‘成单30’和两个低氮敏感品种‘先玉508’、‘三北2号’为试验材料进行水培试验,营养液设置4个氮水平:0、0.05、0.5、5 mmol/L。测定了苗期株高等形态指标、干物质积累量、根系活力,计算了根冠比、活跃吸收面积比、伤流液中可溶性蛋白等转运速度及氨基酸/硝态氮浓度的比值。【结果】低氮胁迫下玉米苗期苗高、茎粗、叶面积、SPAD、单株干重、地上部干重、伤流强度,伤流液中可溶性蛋白和可溶性糖转运速度,氨基酸和硝态氮转运速度及浓度,根系活力,根系总吸收面积和根系活跃吸收面积均显著下降,但耐低氮品种各指标的降幅均低于低氮敏感品种。根冠比、伤流液中氨基酸/硝态氮浓度比值均显著升高,可溶性蛋白和可溶性糖浓度随胁迫时间的延长表现出先下降后升高的趋势。耐低氮品种根冠比增幅低于低氮敏感品种,而可溶性蛋白浓度的增幅高于低氮敏感品种,且低氮胁迫下耐低氮品种根系活力、伤流液中可溶性蛋白和可溶性糖浓度显著高于低氮敏感品种。【结论】耐低氮品种在低氮胁迫下能够保持较高的根系活力,进而促进了根系对营养物质的吸收和转运,提高了伤流液中各组分的浓度和转运速度,较好地维持了碳氮循环,从而有效地协调了植株地上、地下部养分和物质的分配,控制了根冠比的增加,维持了地上部的生长。

低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期生长和生理特性的影响

以4个不同耐低氮性玉米品种为材料,采用盆栽试验研究低氮胁迫对玉米苗期生长和生理特性的影响。结果表明,低氮胁迫下玉米苗期株高、叶面积、地上部干重、单株干重、氮积累量、地上部氮分配比例及叶绿素、可溶性蛋白等指标均显著下降;根冠比、根系氮分配比例、氮素生理效率、可溶性糖、MDA、脯氨酸和POD等均显著升高,根系干重在各氮水平下差异不明显。低氮胁迫下,耐低氮品种株高、叶面积、单株干重、地上部干重、根冠比、氮积累量、地上部氮分配比例、根系氮分配比例和叶绿素、可溶性蛋白、MDA变化幅度低于不耐低氮品种,而氮素生理效率、可溶性糖、脯氨酸和POD变化幅度则大于不耐低氮品种。与不耐低氮品种相比,耐低氮品种通过保持地上部氮分配比例,较高的叶绿素含量和较大叶面积来维持较强的光合生产能力;通过保持较高的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等有机渗透物质含量和较强的POD活性来降低膜脂过氧化伤害,延缓叶片衰老,从而提高了其对低氮环境的适应性。

不同糜子品种对低氮胁迫的生物学响应

采用溶液培养的方法,研究了低氮胁迫下不同糜子品种苗期生物学性状、氮素吸收利用效率差异及与根系形态生理指标之间的相关关系。结果表明,低氮胁迫下,糜子地上部生长受抑程度大于根部,植株氮累积量降低但氮利用效率明显提高。晋黍7号株高、叶面积、茎叶干重、根干重、总根数、总吸收面积和活性吸收面积下降幅度在所测试品种中均最小,其总氮累积量分别是晋黍1号、晋黍5号、晋黍8号的1.35、1.50、1.39倍,根系氮累积量/总氮量的百分率增加的幅度和地上部氮累积量/总氮量的百分率下降的幅度均最低,分别为9.75%和3.47%;植株氮利用效率比晋黍1号、晋黍5号、晋黍8号分别高20.92%、12.44%、14.83%。晋黍7号较其他品种更耐低氮胁迫。低氮胁迫下,糜子根系干重、总根长、总吸收面积与总氮累积量呈显著线性相关,表明低氮胁迫下,根系形态生理指标对氮素吸收效率起重要作用。

低氮胁迫对不同苦荞品种苗期生长和根系生理特征的影响

以2个耐低氮苦荞品种(‘迪庆苦荞’、‘广苦1号’)和2个不耐低氮苦荞品种(‘西荞1号’、‘黑丰1号’)为材料,采用盆栽试验研究了低氮胁迫对苦荞苗期生长和根系生理特性以及氮素利用的影响,以揭示苦荞耐低氮胁迫的生理响应机制。结果显示:(1)与正常供氮处理(15mmol/L)相比,低氮(0.5mmol/L)和极低氮(0.05mmol/L)胁迫处理下,苦荞幼苗的株高、茎粗、叶面积、地上部干重、根系平均直径、根系体积及根系表面积均呈下降趋势,主根长和根冠比呈升高趋势,但在低氮(0.5mmol/L)条件下各品种根系干重均有所增加,且耐低氮品种增加幅度较大(13.69%、19.26%)。(2)低氮胁迫使苦荞叶片的叶绿素含量、最大荧光产量(Fm)和最大光化学效率(Fv/Fm)以及根系活力、硝酸还原酶(NR)活性和可溶性蛋白含量显著降低,而叶片初始荧光产量(Fo)及根系超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)、可溶性糖及游离脯氨酸含量呈升高趋势。(3)低氮胁迫使苦荞植株全氮含量及氮积累量显著降低,却使氮素吸收效率显著升高。研究表明,不同耐低氮苦荞品种对低氮胁迫的响应存在显著差异,在低氮胁迫下,耐低氮品种(‘迪庆苦荞’、‘广苦1号’)具有明显的生长优势,不仅农艺性状、叶片光合作用及根系活性受低氮胁迫影响小,而且具有较高的根系保护酶活性、渗透调节物质含量以及全氮量和氮积累量。

低氮胁迫对不同基因型玉米根部性状的影响

通过盆栽试验,在施氮(N+)和不施氮(N-)条件下,对不同基因型玉米在不同发育时期的根部性状进行了分析。结果表明,在拔节期、开花期和灌浆期,6种不同基因型之间在4个根部性状上均存在极显著或显著差异。除农大108外,许178表现突出,4个根部性状均居前列,高于或显著高于其他自交系;其他自交系在不同时期、不同性状上位次变化较大,如材料2的根系活力最差,但根体积仅次于许178;黄C的根体积较小,但主根数较多。各根部性状之间相互协调是许178保持优势的关键。与N-相比,N+条件下3个时期不同根部性状均有增加,但不同基因型增幅不一,农大108和许178增幅最小,表明许178对低氮胁迫不敏感,是低氮胁迫条件下氮高效利用基因型。

低氮胁迫对超高产玉米叶片保护酶活性的影响

试验研究了低氮胁迫对玉米叶片保护酶活性的影响。结果表明:低氮胁迫下,各品种植株的MDA含量变化较大;CAT、POD活性变化较大,都呈单峰曲线变化,以正常施氮处理水平下CAT活性最高,且随着施氮量的降低逐渐降低,以无氮处理水平下POD活性最高,且随着施氮量的增加而逐渐降低;而SOD活性虽呈现单峰曲线变化,但却随着施氮量的增加而升高。在低氮胁迫条件下,"郑单958"、"先玉335"保护酶活性较高,丙二醛含量较低,抗衰老能力强,适应环境能力较强,叶片衰老慢。

低氮胁迫不同氮效率基因型茄子光合特性差异

以4个不同氮效率基因型茄子为供试材料,采用营养液进行培养,研究了正常供氮和低氮胁迫下,茄子五叶期到八叶期的光合特性。结果表明,与正常供氮相比,低氮胁迫下,不同氮效率基因型茄子的光合速率(Pn)、叶片叶绿素相对含量(SPAD)和光系统Ⅱ的最大光化学效率(Fv/Fm)均较低,并表现先上升后下降趋势;与低氮高效及双低效基因型相比,氮双高效基因型具有较强的光合能力。

耐低氮胁迫玉米的筛选与评价

收集了国内外应用的玉米自交系和自选的二环系 16 1个 ,农家玉米品种 15个 ,北方地区主栽的玉米品种 71个 ,在低氮土壤上种植 ,结果表明 :玉米自交系、农家品种、杂交品种 (系 )分别对低氮胁迫耐性表现出很大的差异。

低氮胁迫对不同甘蔗基因型的影响初报

为研究不同甘蔗基因型在低氮胁迫下的主要农艺性状、产量和品质性状等方面的表现,以‘新台糖22号’为对照,对04系列6个甘蔗新品系进行新植品比试验。试验结果表明:04/1028、04/1531、04/522、04/539、04/2299、04/109在出苗率、茎径、有效茎、产蔗量及含糖量方面均明显超过CK。其中04/539耐低氮胁迫能力较强,产蔗量及含糖量分别为104.81t/hm2、15.04t/hm2,比CK增加17.46%和15.04%。低氮胁迫对各参试甘蔗品系的分蘖率、蔗茎伸长有明显的不利影响。试验结果可为进一步筛选固氮甘蔗优良品种提供参考。