生物科学拔尖学生培养的实践与探索——以华中农业大学“狮山生物科学英才班”为例

基础学科拔尖学生培养是建设科技强国和教育强国的重大战略任务之一。华中农业大学顺应时代发展潮流,以培养未来生命科学领域的顶尖科学家和领军人才为目标,于2018年成立了“狮山生物科学英才班”,开展了生物科学拔尖学生培养的一系列实践与探索。5年来,教学团队通过严格选才鉴才、动态流动管理、深化课程改革、全程导师引领、加强国际交流合作等举措,探索出了一套生物科学拔尖学生培养模式,可为同类高校基础学科拔尖学生培养提供借鉴与参考。同时,本文还研究分析了拔尖学生培养过程中遇到的实际问题,并提出了针对性的解决方案,以期不断优化基础学科拔尖学生培养模式。

华中农业大学校园被子植物叶片离子组学研究

为明确被子植物的离子组及其与植物种类的关系,以及不同科被子植物叶片离子组组成的差异与联系,本研究对《狮山兰芷》中收录的华中农业大学校园种植的被子植物进行系统分类,从中筛选出102种被子植物,测定叶片中氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、硼(B)、钼(Mo)和镍(Ni)等13种矿质元素的浓度,建立这些植物离子组指纹图谱并分析这些植物的离子组成分及其与植物种类的关系。结果显示,叶片中N、K和Ca 3种元素含量最高,P、Mg和S其次,微量元素含量最低。其中,豆目植物叶片N含量较高,石竹目植物叶片中P和K含量较高,7种微量元素含量在这102种被子植物叶片中也表现出较显著的差异。相关性分析显示,每种元素都至少与其他4种矿质营养元素存在显著相关性,其中Ca分别与Mg和B,N、P和K三者之间都存在极显著的正相关,Zn与Ca、Mg,P和Mn之间存在极显著的负相关。主成分分析显示,同一科植物的叶片离子组相似,不同科植物叶片离子组不同。聚类分析结果显示,Ca、N、K、S、Mg、P这6种矿质元素在不同科植物离子组的变异中具有较大的贡献率。以上结果表明,被子植物的系统发育与叶片离子组相互关联,同一科的植物叶片离子组表现出高度的相似性,我们或许能通过植物叶片离子组对植物进行种类鉴定。

甘蓝型油菜光叶性状的遗传分析及基因定位

【目的】表皮蜡质是覆盖植物叶片和茎秆等部位的疏水层,在植物抵御逆境方面发挥着重要作用,同时会影响光合作用和生长发育;甘蓝型油菜作为世界上主要的油料作物之一,研究表皮蜡质突变体的遗传机制,为实现油菜高产稳产提供参考。【方法】对油菜光叶突变体M8和普通蜡质叶中双11(ZS11)和C20的叶片表征进行记载,使用便携式植物光合作用测量系统测定叶片光合速率;利用M8和ZS11、C20分别杂交获得2个F1、自交构建2个F2分离群体,用于分析油菜光叶性状的遗传规律;选取M8和ZS11杂交的F2群体中光叶和蜡质叶表型单株分别进行混池,通过集团分离分析法结合靶向测序技术进行基因克隆,结合比较基因组和转录组数据进行候选基因预测,并通过RT-PCR验证候选基因。【结果】甘蓝型油菜光叶表型叶片气孔导度更大、光合效率更高;遗传分析表明M8光叶性状受1对基因控制,光叶相对蜡质叶为隐性。图位克隆将光叶控制基因定位至A08染色体0.134—0.699 Mb物理区间内。进一步分析发现,相比于ZS11,光叶突变体M8中A08染色体0.22—0.58 Mb区间存在大片段缺失,ZS11在该区段中的Bna A08G0006900ZS(Bna A08.SAGL1)可能为光叶的候选基因,该基因编码一个Kelch-F-box蛋白,在ZS11叶片中表达量高而M8中未检测到,该基因缺失可能导致了M8光叶表型。【结论】甘蓝型油菜光叶新突变体M8相比野生型蜡质叶片光合速率更高,该光叶表型受1对隐性基因控制;图位克隆鉴定到光叶性状调控基因为Bna A08.SAGL1,基因缺失产生了光叶表型。

玉米无基因型限制遗传转化体系建立和应用

农杆菌介导的玉米自交系遗传转化具有基因型依赖性。形态发生基因Baby boom(Bbm)和Wuschel2(Wus2)显著提高了转化效率,拓宽了可转化自交系的范围。然而,多数玉米自交系仍然难以得到转基因苗,且潜在机制尚不清楚。本研究发现,目标载体与Bbm和Wus2的辅助载体按10∶1比例混合能使大部分自交系产生体细胞胚。瞬时侵染效率和筛选是影响体细胞胚形成和成苗的关键因素。通过利用Bbm和Wus2混转以及优化侵染和延迟筛选的方式,建立了一个快速、不受基因型限制的玉米遗传转化体系。利用该技术体系对131个自交系进行遗传转化,其中104个自交系获得阳性转基因植株。

从头驯化:作物品种设计与培育的新方向

全球气候变化对农业生产带来了巨大挑战。在农业投入减少的前提下如何保障粮食生产持续稳步增长,满足人们吃饱、吃好的需求是亟需考虑的问题。培育高产、稳产、绿色、营养的新型作物品种仍然是解决该挑战的有效措施之一。作物新品种的培育高度依赖育种材料遗传多样性的拓宽和育种技术的创新。从头驯化是一种作物品种创新的全新育种策略,以具有某些优异性状的未驯化、半驯化植物作为底盘物种,通过农艺性状重新设计和驯化基因导入实现野生植物快速驯化,从而满足人类多样化需求。本文回顾了作物驯化、遗传改良历程,阐明了丰富作物多样性的必要性,强调野生植物丰富的遗传多样性对于拓展作物重新设计空间的重要价值,提出育种策略革新是加速作物育种的关键,探讨了通过从头驯化快速培育新型作物品种的可行性和发展前景。

宛氏拟青霉提取物与阿维菌素配施对番茄根结线虫病的防治效果

为明确宛氏拟青霉提取物(ZNC)对番茄根结线虫病的防治潜力,采用盆栽试验,以清水为对照,研究ZNC(0.5、1.0μg·株-1灌根)、阿维菌素(5 mg·株-1底施处理)及两者配施对番茄生长和果实品质的影响及其对根结线虫病的防治效果。结果显示,与清水处理相比,ZNC能够显著提高番茄根质量,降低根结数量,同时能够显著增加番茄的叶长、叶宽,提高番茄的株高和地上部鲜质量,还可提升植株抗氧化能力和果实品质;与阿维菌素配施对番茄根结线虫病防效可达88.89%,显著高于阿维菌素单施,同时番茄生长状况和果实品质得到提升。表明ZNC能够促进番茄生长,与阿维菌素配施后可提高番茄根结线虫病的防治效果。

长粒香型的超短生育期水稻新品系创制

培育优质、超短生育期的水稻品种对提高长江中下游地区复种指数,保障我国粮食安全具有重要意义。本研究以超短生育期水稻品系CPPC09-180-28-1-5为母本,携带香味基因fgr和粒长基因GW7的优质水稻品种象牙香占为父本,通过杂交、回交并结合全基因组分子标记辅助选择技术培育了3个携带纯合fgr和GW7基因的优质、超短生育期水稻新品系。对新育成品系进行香味鉴定、主要农艺性状考察及稻米品质分析。结果表明,导入fgr和GW7基因的新品系具有明显香味,粒长较受体CPPC09-180-28-1-5显著增长,品质较优。新品系的全生育期85~98 d,与受体CPPC09-180-28-1-5基本一致,可作早稻或晚稻在长江中下游稻区进行种植,提高复种指数。此外,新育成品系在株高、千粒重以及单株产量等性状较受体CPPC09-180-28-1-5有显著减小,表明本研究中携带目标基因的2个染色体片段导入对受体CPPC09-180-28-1-5的主要农艺性状具有显著的影响。本研究可为优质、超短生育期的水稻分子育种提供种质资源和育种策略。

长江中游地区不同钾肥用量对油菜生物量、产量和养分吸收利用的影响

2021~2022年在长江中游地区湖北省武汉市江夏区开展田间试验,研究不同氯化钾施用量对油菜苗期及成熟期生物量、产量和养分吸收分配的影响。试验设置6个氯化钾施用量处理,分别为K_(0)(K_(2)O 0 kg/hm^(2))、K_(30)(K_(2)O30 kg/hm^(2))、K_(60)(K_(2)O 60 kg/hm^(2))、K_(90)(K_(2)O 90 kg/hm^(2))、K_(120)(K_(2)O 120 kg/hm^(2))和K_(150)(K_(2)O 150 kg/hm^(2))。结果表明,在一定范围内,随着钾肥用量的提高,油菜苗期以及成熟期各部位生物量和产量显著增加,其中最高增产量和增产率分别为1199.6 kg/hm^(2)和57.2%。当施钾量超过120 kg/hm^(2)后油菜生物量和产量均不再显著增加。油菜苗期以及成熟期各部位钾含量随着钾肥用量的增加而显著提高,氮含量均无显著变化,但成熟期籽粒中的磷含量随着施钾量的提高而显著增加。钾肥偏生产力随着钾肥用量的提高而显著降低,但钾肥农学利用率、生理利用率、表观利用率以及收获指数均在施钾量为90 kg/hm^(2)时达到最大,随后逐渐减小。经济效益分析表明施钾量为120 kg/hm^(2)时产投比和净收入达到最大,再继续增加钾肥用量经济效益反而会降低,结合线性加平台方程拟合结果该地区实现经济效益最大化的推荐施钾量为114.6 kg/hm^(2)。综上,合理施用钾肥能够显著提升油菜生物量、氮、磷和钾等养分积累量,提升株高、一级分枝数和角果数,实现增产和最大经济效益。

甘蓝型油菜盐胁迫响应基因表达谱分析及共表达网络的构建

甘蓝型油菜是重要的油料作物,而盐胁迫是影响油菜生长发育的主要环境条件之一,可能会造成油菜减产、品质下降甚至死亡。本研究利用半冬性油菜ZS11作为试验材料,对盐胁迫处理0、0.25、0.5、1、3、6、12和24h的叶片和根系组织进行转录组测序,通过测得的90份RNA-seq数据,获得了油菜响应盐胁迫的高分辨率时间动态转录表达谱。相关性分析发现,样本在盐胁迫处理1 h前后具有明显的早期响应与后期响应的聚类差异。利用DESeq2进行差异基因分析,鉴定出根系以及叶片组织响应差异基因分别为20,462个和29,334个,表明油菜叶片组织的响应程度整体上比根系更剧烈。进一步利用WGCNA分别构建根系以及叶片组织响应盐胁迫的基因共表达网络,从中筛选出与盐胁迫早期响应阶段显著相关的tan和yellow模块,以及与盐胁迫后期响应阶段显著相关的green和red模块,对其进行GO富集分析,并从中分别筛选出早期以及后期响应盐胁迫的核心转录因子41个和26个。功能注释显示4个模块中均存在已知的拟南芥同源基因参与不同阶段的盐胁迫响应,还发现BnWRKY46和BnWRKY57等核心基因在505份盐胁迫处理的油菜群体变异数据中具有丰富的SNPs变异和单倍体类型,表明这些核心转录因子可能是油菜响应盐胁迫的关键候选基因。本研究可为甘蓝型油菜耐盐性改良提供可靠的数据参考和候选基因资源。

陆地棉CLE基因家族的鉴定及GhCLE13参与调控棉花抗旱性的功能分析

CLAVATA3/Embryo surrounding region-related(CLE)小肽家族是植物中最大的小肽激素家族,在植物中广泛存在,且参与植物多个重要的生命活动。本研究对陆地棉CLE基因家族进行了鉴定,并对GhCLE基因家族成员进行基因结构、启动子顺式作用元件、蛋白质理化性质、系统发育的分析;通过RNA-seq数据构建了GhCLE基因家族成员在陆地棉各组织的表达谱及干旱处理下的表达模式,并筛选在棉花根系特异表达且受干旱诱导的CLE基因;最后通过VIGS技术对筛选出的GhCLE基因进行了抗旱功能的验证。结果显示,在陆地棉全基因组共鉴定出40个GhCLE基因,GhCLE基因结构较为简单,32个GhCLE基因没有内含子,所有基因编码的蛋白序列均包含12 aa的CLE结构域;GhCLE基因启动子区域包含多种光诱导响应、胁迫响应、激素响应和发育相关的顺式作用元件;GhCLE基因在陆地棉多个组织均有表达,筛选出了1个根系特异表达且受干旱诱导的GhCLE13-D-2基因。通过VIGS技术和MDA含量的测定和比较验证了GhCLE13-D-2基因提高棉花的抗旱性的功能。本研究为CLE小肽在植物抗逆方面的深入研究以及棉花种质创新提供了新的理论依据。

玉米果穗相关性状QTL定位及重要候选基因分析

玉米果穗相关性状与产量直接相关,其遗传基础解析对于指导玉米遗传改良意义重大。本研究对3年6个环境下的168份高代回交重组自交系(AB-RILs)的穗长、穗行数和百粒重等8个性状进行表型鉴定,结合玉米10 K芯片产生的覆盖全基因组的11,407个SNP(Single Nucleotide Polymorphisms)标记对8个性状进行QTL定位。共鉴定到32个与8个果穗性状相关的QTL,其中包含5个环境一致性的QTL,3个多效性QTL。进一步利用507份关联群体的基因型与表型数据对主效QTL候选区间进行关联分析,鉴定到19个可能与果穗性状相关的重要候选基因,结合候选基因的进化分析和表达分析等,初步确定其中4个为关键候选基因。以上结果为玉米育种中果穗性状的遗传改良提供了重要的标记信息,同时也为果穗性状相关基因克隆提供指导。

玉米ZmEREB46基因调控耐渍性功能探究

为鉴定和发掘玉米渍水胁迫抗性基因,克隆玉米ERF家族成员ZmEREB46(Zm00001d015759)基因,同时对该基因进行重测序分析、功能变异位点鉴定以及表达模式分析,并进一步在模式植物拟南芥中初步探究ZmEREB46参与耐渍的功能。结果显示,ZmEREB46编码1个AP2/EREBP类转录因子;相较于耐渍自交系A3237,ZmEREB46基因编码区及启动子区在渍水敏感自交系A3239中分别存在1个G/A的转换以及1个911 bp片段插入,911bp片段的插入显著抑制了渍水敏感自交系A3239中ZmEREB46基因的表达;亚细胞定位结果显示,ZmEREB46定位在细胞核中;荧光定量PCR结果显示,ZmEREB46受渍水胁迫诱导上调表达,渍水处理8 h后ZmEREB46在耐渍自交系A3237中的表达量是渍水敏感自交系A3239中的2倍。结果表明,ZmEREB46在拟南芥中过量表达提高了拟南芥苗期的耐渍性。

利用CRISPR/Cas9基因编辑片段敲除技术创制玉米多样化等位变异

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制等位变异已经成为众多植物中增加种质资源多样性的重要手段。提高玉米等谷物中类胡萝卜素含量是发展中国家解决维生素A缺乏症的一种经济方法。本研究以玉米中调控类胡萝卜素合成的基因crtRB1为研究对象,利用双靶标片段缺失性基因编辑技术,在原生质体中对crtRB1的启动子顺式元件进行片段敲除,获得了具有片段缺失和InDel(插入或缺失)的多样化等位变异,这为在玉米中实现稳定的crtRB1启动子元件的缺失突变奠定了基础,对启动子元件的功能研究和玉米的品质改良具有重要意义。

玉米籽粒发育突变体emp35的表型分析与基因定位

为解析玉米籽粒形成的遗传基础,探究Emp35基因在玉米籽粒发育中的作用,对籽粒缺陷突变体empty pericarp35(emp35)进行表型鉴定、胚乳细胞显微观察、胚乳贮藏物质含量测定及图位克隆。结果显示:突变体籽粒发育缓慢,明显小于同期发育的正常籽粒,成熟籽粒干瘪呈空皮状;胚乳细胞显微观察发现emp35的胚和胚乳发育严重滞后,胚乳细胞中线粒体结构异常;淀粉和蛋白质积累减少;F_(2)代分离果穗上正常籽粒与发育缺陷籽粒呈3∶1分离,表明籽粒缺陷表型由单个隐性核基因突变所致。采用集团分离分析法(bulked segregant analysis,BSA)将Emp35定位于第8染色体127.90~163.36 Mb区间,在该区间内开发了4个InDel标记,连锁作图将Emp35精细定位于139571117~146176858区间。

霍霍巴油的研究进展及其应用前景

霍霍巴(jojoba,Simmondsia chinensis)是一种特色的油料植物,由于其种子中富含液体蜡酯而受到全世界的关注。霍霍巴种子含油量约占种子干重的60%,其中液体蜡酯占总油脂的95%以上。液体蜡酯具有良好的抗氧化、耐高温及高绝缘等特性,在化妆品、医药工业和润滑剂等领域具有广泛的应用价值。前期,本实验室的研究表明霍霍巴种子中脂酰辅酶A还原酶(fatty acyl-CoA reductase,FAR)和蜡酯合酶(wax synthase,WS)是液体蜡酯合成的关键酶,而霍霍巴种子子叶中高表达的WS及极低表达的二酰甘油酰基转移酶(diacylglycerol acyltransferase,DGAT)则是霍霍巴种子可以大量积累液体蜡酯的主要原因。霍霍巴种子中WS主要以C20:1-C22:1的脂肪醇和脂肪酸为底物合成C42-C44的液体蜡酯。高芥酸油菜籽中含有丰富的C22:1,是霍霍巴油异源生物合成的优良受体材料。本文系统讲述了霍霍巴油的研究进展及其应用前景,结合霍霍巴油生物合成途径及WS的底物偏好性,提出利用生物技术在高芥酸油菜籽中合成霍霍巴油的设想,为霍霍巴油的产业发展提供参考。

基于轻量化Ghost-YOLOv8和智能手机的田间水稻有效分蘖检测方法

[目的/意义]单株有效分蘖数是影响水稻产量的重要农艺性状之一,为解决水稻分蘖密集、相互遮挡且存在无效分蘖导致有效分蘖检测成本高、精度较低的问题。[方法]通过对水稻有效分蘖与无效分蘖高度的调查分析,提出一种基于水稻分蘖高度的有效分蘖计数方法,即在水稻固定高度收割后,测量茎秆数量以得到水稻有效分蘖数;通过GhostNet对YOLOv8模型进行轻量化,以减小模型规模,便于手机端部署;并基于此模型,开发手机端水稻有效分蘖检测程序。[结果和讨论]田间实验结果表明,在水稻植株总株高的52%~55%范围内进行收割,计数茎秆数量得到有效分蘖数,其查全率与准确率均超过99%;轻量化的Ghost-YOLOv8模型参数量减少43%;基于该模型的水稻有效分蘖App,对本研究标准下采集的100张茎秆横截面图像进行预测,准确率为99.61%,召回率为98.76%,与人工计数单株有效分蘖结果相比,决定系数为0.9859。[结论]满足田间水稻有效分蘖计数需求,有助于育种专家收集大量数据,为水稻产量田间预测提供基础。

基于深度学习的小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对土壤遮蔽引起的断根问题,提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法,以修复根系断裂区域,并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽、根深、根宽深比、根密度6个表型性状,分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示,干旱胁迫下,小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数,结合主成分分析法,对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。

甘蓝型油菜矮秆突变体M6的应用潜力分析

降低株高可显著提高甘蓝型油菜的抗倒伏能力,增加种植密度,提高产量和收获指数。M6是一个不完全显性矮秆突变体,成熟期株高71 cm左右,株型紧凑。为探讨M6在杂交种中的利用价值,将M6分别与阳光2009、华双5号、华128、华919、浙油7、中双11等6个甘蓝型油菜品种杂交获得杂种F_(1)。与野生型油菜品种相比,杂种F_(1)株高、第一分枝高度、节间长度和分枝角度均显著降低;部分杂交种的主花序长度无显著变化,部分杂交种的主花序长度显著降低;根颈粗显著增加;除个别杂交种外,其余的有效分枝数、主花序有效角果数、单株角果数、单株产量均显著增加。表明M6所配制的杂种表现为半矮、紧凑株型,具有很强的产量优势,是一个优良的矮秆基因资源,在油菜矮化育种中具有潜在的应用价值。

耐亚磷酸盐除草剂转基因油菜的创建和抗性评价

在油菜的生产过程中,大量伴生的杂草严重影响了其产量和品质。由于近年来田间抗除草剂杂草数量的增加,除草剂的选择正在迅速减少,这影响了未来农业的可持续发展。植物可以通过正磷酸盐(Pi)转运蛋白吸收亚磷酸盐(Phi),但Phi不能被代谢为作物的磷肥料,导致植物生长受到抑制。此前,从罗尔斯通菌属(Raltsonia sp.strain 4506)中分离出了ptxD(phosphite dehydrogenase)基因,其139位的酪氨酸突变为谷氨酰胺(Y139Q)的突变蛋白ptxD_(Q)催化Phi转化为Pi的活性显著提高。为了评价ptxD_(Q)/Phi系统对甘蓝型油菜杂草的防治效果,本研究获得了带有密码子优化的ptxD(Y139Q,ptxD_(Q))基因的转基因甘蓝型油菜。在以Phi为单一磷元素的条件下,ptxD_(Q)转基因油菜可以正常生长,体内Pi含量显著提高,且Pi饥饿响应基因(PT21和PT24等)的表达水平被显著抑制,说明ptxD_(Q)在油菜体内可以促使Phi转化为Pi。此外,ptxD_(Q)转基因油菜具有比野生型油菜和单子叶杂草(狗尾草)更强的生长竞争优势。综上所述,ptxD_(Q)/Phi是一种有效的油菜磷利用和杂草控制系统,既可以抑制杂草的生长,又可以为作物提供充足的Pi营养,从而提高了农业的可持续性。

免疫诱抗剂ZNC对小麦赤霉病防治和产量的影响

【目的】探究一种有效、安全的药剂防治小麦赤霉病,降低小麦赤霉病发病率及药剂自身对小麦产量和品质的影响。【方法】多菌灵和植物免疫诱抗剂(ZNC、氨基寡糖素)3种药剂,采用平板抑菌法探究不同药剂对小麦赤霉病病原菌禾谷镰刀菌的抑制效果;通过盆栽试验对不同药剂的防效进行验证;通过盆栽试验探究不同药剂对小麦生长的影响,之后在人工接种禾谷镰刀菌条件下探究不同药剂对小麦赤霉病的田间防效。【结果】多菌灵对禾谷镰刀菌生长具有显著抑制作用,且田间防效也显著高于ZNC和氨基寡糖素,防效达77.90%,ZNC、氨基寡糖素在平板抑菌试验中对禾谷镰刀菌无明显抑制效果,但在盆栽和田间防效试验中均表现出抑菌效果,并显著降低了田间病情指数,分别较CK降低47.59%、49.93%;多菌灵抑制了小麦的生长和小麦产量,相比于CK,小麦株高、茎粗、根长、根数、鲜重和干物质量分别降低8.69%、2.90%、21.28%、12.50%、12.83%和15.15%,小麦产量降低13.70%;ZNC则促进了小麦的生长,提高了小麦产量,相比CK,小麦产量提高7.96%,小麦籽粒蛋白质含量提高14.45%,小麦籽粒呕吐毒素(deoxynivalenol,DON)含量降低6.00%。【结论】ZNC在防治病害的同时能够促进小麦生长、提高小麦产量并改善小麦籽粒品质,植物免疫诱抗剂ZNC为防治小麦赤霉病提供新的选择。