豆类作物雄性不育及杂种优势利用的研究进展

豆类作物是我国重要的经济作物,在种植业中有较高的地位。杂种优势的利用可提高产量。雄性不育是花粉或花药发育异常的现象。雄性不育系的利用为杂种优势的利用提供了重要材料和思路。生物技术手段的发展和模式植物拟南芥的花粉和花药发育分子遗传传机制的深入研究,为近几年对大豆细胞质雄性不育、细胞核雄性不育及育性恢复基因的分子遗传机制研究提供技术和理论的依据,并使相关研究取得了一定进展。在此基础上,其他豆类雄性不育的分子遗传机制及杂种优势利用的研究也有所突破。本文综述了植物花粉发育的分子遗传机理以及豆类作物雄性不育分子遗传机制和杂种优势利用的研究进展,为豆类作物杂种优势的相关研究提供较为全面的信息。

大豆叶型性状全基因组关联分析与候选基因鉴定

大豆叶片的形状和垂直分布影响群体冠层结构和光合效率并最终影响大豆的产量。植物叶片大小、形态因着生位置不同而产生差异的现象称为异形叶,虽然异形叶现象在被子植物中广泛存在,但目前关于大豆叶片发育过程中异形叶的调控的研究还很有限。本研究通过对283份大豆种质资源的叶长、叶宽、叶形指数和异形叶指数等叶型相关的性状在江苏南京进行连续2年的考察,利用全基因组关联分析检测到181个叶型性状相关位点,其中能够在2个环境或多个性状中重复检测到的位点18个。利用检测到的与叶型相关的SNP位点,结合基因的表达谱数据、拟南芥中同源基因的功能,鉴定与大豆叶片发育和异形叶形成相关的候选基因。其中在20号染色体的相关位点Chr20:36152820上游发现已知的大豆叶形调控基因Ln(Glyma.20G116200)。此外,在19号染色体的相关位点Chr19:45155943附近鉴定到2个候选基因Glyma.19G192700、Glyma.19G194100,分别被注释为Growth-regulating factor 4(GRF4)和LITTLE ZIPPER 3(ZPR3)基因的同源基因,为阐明大豆异形叶等叶型性状遗传的分子机制奠定了基础。

高蛋白夏大豆新品种苏豆13的选育及栽培技术

苏豆13是江苏省农业科学院经济作物研究所以苏系5号为母本,巨丰辐射M6为父本,经过常规人工杂交育种所选育出的新品种。2015和2016年分别参加江苏省淮南夏大豆区域试验,2017年参加江苏省淮南夏大豆生产试验,比对照早熟19 d,较对照增产10. 55%。经农业部谷物品质监督检验测试中心检测,苏豆13粗蛋白质(干基)含量高达44. 66%。2018年通过江苏省农作物品种审定委员会审定(审定编号:苏审豆20180001)。该品种平均生育期99 d,属早熟、高产、高蛋白及抗大豆花叶病毒的淮南夏播粒用大豆。

早熟鲜食夏大豆新品种苏豆22的选育及栽培技术

苏豆22是江苏省农业科学院经济作物研究所以苏鲜15-5为母本,辽鲜3号为父本,通过杂交育种和系谱法选育而成的早熟鲜食夏大豆新品种。2019—2020年参加江苏省鲜食夏大豆区域试验,2年平均鲜荚产量11659.5 kg/hm^(2),较对照品种通豆6号增产8.1%;平均鲜粒产量6084 kg/hm^(2),较对照品种通豆6号增产6.9%。2021年参加江苏省鲜食夏大豆生产试验,平均鲜荚产量11014.8 kg/hm^(2),较对照品种通豆6号增产6.5%;平均鲜粒产量5977.5 kg/hm^(2),较对照品种通豆6号增产7.9%。该品种出苗至青荚采收为79.6 d,较对照品种通豆6号早熟5.5 d,适宜在江苏地区作早熟鲜食夏大豆品种种植。2022年通过江苏省农作物品种审定委员会审定,审定编号为苏审豆20220003。

绿豆C3H和NBS转录因子家族成员鉴定及盐胁迫响应分析

NBS和C_(3)H是植物体内2个重要的转录因子家族,在调控植物抗病与耐盐方面不可或缺。本研究通过转录组数据分析、qRT-PCR分析,分别鉴定出30个和289个绿豆C_(3)H和NBS家族成员,2个基因家族各有13个基因受到纯化选择,并且C_(3)H和NBS基因家族种内共线性关系均为片段重复。耐盐材料的转录组数据分析结果表明,VrC_(3)H5、VrC_(3)H7、VrC_(3)H10和VrC_(3)H13等4个基因的表达量在盐胁迫后发生显著改变。VrC_(3)H5,VrC_(3)H7和VrC_(3)H133个基因对脱落酸(ABA)处理、氯化钠(NaCl)处理、干旱胁迫都有不同程度的响应,VrC_(3)H5在ABA处理后基因表达量上调超过了10倍。在NBS基因中,有85个基因在盐胁迫10 d和15 d后出现显著差异表达,其中9个NBS基因表达变化值|log_(2)FC|(FC为表达倍数变化)大于2。VrNBS20转录因子通过调控EVM0022385参与绿豆的耐盐功能,VrNBS20可能是绿豆抗病与耐盐调控网络中的交叉点。本研究结果为绿豆耐盐与抗病研究提供了丰富的基因资源。

不同绿豆品种的芽用特性评价及其专用品种筛选

为了筛选出芽用特性优良的绿豆品种,为绿豆芽菜生产及芽用绿豆品种的培育提供资源材料,以来自亚洲不同地区的67份绿豆种质资源为研究材料,测定了不同绿豆芽菜的外观及生长指标和营养功能品质指标等13项芽用特性指标,利用主成分分析和隶属函数分析等方法对各材料的芽用特性进行了综合评价。结果表明,不同绿豆芽菜的13项芽用特性存在较大差异。利用主成分分析将13个芽用特性指标转换为4个独立的综合指标,其累计贡献率达到68.42%。结合隶属函数分析结果,筛选出产量、功能性成分、基本营养成分与外观品质特性较好的品种各10份,为芽用绿豆的品种改良提供了材料基础。依据芽用特性综合指标值筛选出南阳大绿豆、苏绿1号、保定1028、苏绿7号和化西2019等芽用特性优异的绿豆品种10份,为绿豆芽菜的生产提供了优异种质材料。采用逐步回归分析法建立了绿豆芽用特性评价的数学模型,筛选出可食鲜质量、可溶性蛋白含量、总酚含量、DPPH自由基清除率和下胚轴长等5个鉴定指标,可作为绿豆芽用特性的评价指标。

大豆根特异性GmPR1-9启动子的鉴定及其在根腐病抗性中的应用

【目的】鉴定大豆根特异性启动子及其最小调控片段,并利用启动子工程技术构建时空特异人工启动子并评价其在根腐病抗性中的应用价值,为大豆抗疫霉根腐病的遗传改良提供遗传元件。【方法】通过分析大豆根、茎和叶片转录组数据,筛选在根中特异高水平表达的基因,克隆获得其启动子序列。根据顺式元件的分布位置构建截短载体,并驱动GUS报告基因在大豆发状根组织中超表达,筛选控制根特异性表达的核心片段。将获得的核心启动子片段与疫霉菌诱导启动子元件p4XD串联构建人工启动子驱动疫霉抗性相关基因GmNDR1在大豆发状根中超表达,分析转基因组织对疫霉菌抗性水平及目的基因在病原菌侵染过程中的表达水平。利用转基因本氏烟草从整株水平评价转基因材料对疫霉菌的抗性水平。【结果】通过筛选发现6个大豆根特异性表达的PR1同源基因,其中,pGmPR1-9具有最高的启动子表达活性。PLACE在线预测发现其启动子区域含有大量的根特异表达相关顺式元件。对pGmPR1-9启动子进行截短试验,发现5′端截短片段L1、L2、L3、L4和L5均具有启动GUS表达活性,长度为166 bp的L5(-166—-1)片段具有全长启动子80%的活性,并可驱动GUS在转基因烟草根中特异表达;3个3′端截短片段R1、R2、R3和1个双端截短片段M1几乎检测不到GUS酶活性。p4XD-L5融合片段驱动GmNDR1在大豆发状根中超表达后可显著提高大豆发状根对疫霉菌的抗性,超表达发状根接种病原菌后发病程度和病斑长度显著低于对照,疫霉菌丝积累量在接种48 h时减少66.5%。GmNDR1在超表达组织中始终维持在高表达水平,在接种前,表达量是对照组织的39.2倍,接种后,表达量受疫霉菌侵染诱导进一步上调,并在36 h达到最高。GmNDR1在p4XD-L5::NDR1转基因本氏烟草根中的表达量显著高于茎和叶片,表现出明显的根部表达偏好性。超表达株系接种辣椒疫霉菌15 d后的株高、根长和鲜重显著高于对照,同时叶片萎蔫率和病斑长度显著低于对照植株。【结论】鉴定获得一个大豆根特异性表达启动子及其核心序列,融合诱导性和组织特异性启动子核心元件的人工启动子p4XD-L5驱动抗性基因GmNDR1超表达,可显著增强转基因大豆发状根和本氏烟草对疫霉菌的抗病性。

基于绿豆发状根的快速CRISPR/Cas9基因编辑方法

由于缺乏有效稳定的遗传转化体系,导致基因编辑技术在绿豆中的应用受到极大限制,也使绿豆基因功能研究受到极大阻碍。因此,建立一套基于发根农杆菌的操作简便、快速且高效的绿豆嵌合植株转化技术,可以为绿豆基因功能研究提供技术支撑。首先在CRISPR/Cas9载体骨架中插入1个绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)表达框用于阳性发状根的快速筛选,然后将含有靶标基因gRNA的CRISPR/Cas9质粒导入发根农杆菌K599。菌液注射侵染绿豆幼苗植株下胚轴,评价K599在绿豆中诱导发状根发生及CRISPR/Cas9系统在绿豆转基因发状根组织中的效率。结果显示,K599菌液侵染种植7 d的绿豆幼苗植株并在保湿条件下培养3周可在侵染点诱导发状根产生,此嵌合植株在切除原生根后可在霍格兰培养液中正常生长且培养1周后即可用于后续检测。用GFP筛选的结果显示,阳性发状根占比约为(57.8±10.0)%。随机选择15个荧光检测阳性的转基因发状根组织,利用测序检测靶位点的编辑效果,结果显示有10个靶位点的序列发生了突变,突变比例达到67%,其中碱基缺失突变9个,碱基转换突变1个。由本研究结果可知,利用该方法可以在无菌组织培养的条件下于4周内获得目的基因编辑的转基因组织,极大地便利了绿豆分子水平上的功能研究,也为其他尚缺乏稳定遗传转化体系的作物进行基因功能研究提供了参考。