谷子中矮秆资源创制、遗传解析和育种利用

谷子是旱作生态农业的主栽作物和应对气候变化的战略储备作物,也是新时期功能基因研究的模式作物。谷子品种的中矮秆化是产业发展的必然趋势。国内外目前已报道的谷子矮秆材料达70多个,从形态上谷子矮秆种质可以分为叶穗直立的紧凑型和叶穗下披的常规型2类;赤霉素(GA)敏感性测定发现4个材料对GA不敏感,其他均是GA敏感型;显隐性分析表明,多数矮秆材料为隐性单基因控制,但矮88株高为多基因控制。利用自然群体关联分析和双亲杂交分离群体合计发掘了109个控制株高的QTL,精细定位了7个矮秆基因,半显性矮秆材料84133的矮化基因SiDW1是唯一克隆并进行功能分析的矮化基因。对谷子中矮秆品种选育的梳理表明,利用矮88和其衍生系为亲本已培育出139个中矮品种(系),实现了谷子株高的显著矮化,满足了机械化收获对抗倒伏降株高的要求。本文综述了国内外谷子株高矮化基因的研究进展,梳理了已经定位和克隆的谷子矮秆基因,讨论了谷子矮秆遗传和育种研究中的问题,展望了未来发展方向。

谷子抽穗期基因SiGI的表达与单倍型变异分析

谷子抽穗期是决定品种适应性的关键性状,解析抽穗期关键基因的表达规律及其单倍型变异特点可为提升品种改良效率奠定基础。本研究通过全基因组关联分析,发现了一个与抽穗期紧密相关的关联信号,该信号定位于谷子5号染色体的11062649 bp处,该位点附近存在一个拟南芥抽穗期基因AtGI的同源基因SiGI。使用qRT-PCR技术研究短日照(10 h光照/14 h黑暗)条件下SiGI 24 h节律变化规律,并对其进行了组织时空表达及亚细胞定位分析。利用697份谷子品种,分析SiGI编码区和启动子区的遗传多态性和单倍型变异规律,并对单倍型的表型效应进行鉴定。结果显示,SiGI在光周期响应组织(根、茎、叶等)中高表达,亚细胞定位于细胞核,在傍晚表达量上调,呈现出24 h节律性表达模式。SiGI在不同谷子品种中存在丰富的多态性,其中,启动子Hap-6单倍型较Hap-3单倍型品种的相对表达量显著上调了约1.5倍(P=0.0083)。在8个不同种植环境下,Hap-6单倍型品种的抽穗期显著提前,并在4个环境中株高显著降低。结果表明SiGI基因的Hap-6单倍型具有早熟且对产量影响较小的优势,可作为优异单倍型用于分子育种选择。

谷子抽穗期突变体jt1242-14b的遗传分析和定位

为鉴定控制谷子抽穗的关键基因,通过甲基磺酸乙酯(ethyl methylsulfonate,EMS)诱变谷子参考基因组测序品种豫谷1号,获得遗传稳定的谷子超早抽穗突变体jt1242-14b.与豫谷1号相比,jt1242-14b抽穗期明显提前,茎秆变细,叶片变窄、变短.遗传分析表明,突变性状受隐性单基因控制.以SSR41(父本)、jt1242-14b(母本)和F2群体进行突变基因定位,结果表明,该基因位于第9号染色体,在分子标记In4746和In9-11之间的4447 kb之内.进一步测序比对分析发现突变位点位于PHYB基因内部,因此,PHYB很可能是该早熟突变体的目标基因.本研究为谷子早抽穗基因克隆及PHYB基因功能研究提供材料基础.

谷子重组自交系主要农艺性状和品质性状相关分析

通过对谷子主要农艺性状遗传变异分析,探讨影响谷子直链淀粉和黄色素含量的主要因素,筛选出综合性状优良的株系,为谷子遗传改良和创造新种质提出理论参考。本研究以嫩选15和黄金苗杂交获得的重组自交系群体为材料,于2020年和2021年种植于山西农业大学东阳示范基地,对籽粒直链淀粉、黄色素2个品质性状和株高、穗长、叶面积、茎粗、穗粗、茎节数、单穗重、穗粒重8个主要农艺性状进行了遗传变异分析、相关性分析和回归分析。综合两年试验结果表明:亲本之间黄色素含量、直链淀粉含量、叶面积和穗粗存在显著差异;RIL群体所调查性状变异丰富,分布近似符合正态分布,表现双向超亲分离。各个性状的变异系数范围为8.05%~35.32%,综合分析两年数据可知,单穗重和穗粒重变异系数较高,株高和直链淀粉含量的变异系数较低。黄色素含量与直链淀粉、株高、茎节数呈极显著正相关,与穗粒重呈显著正相关,与叶面积呈极显著负相关。直链淀粉含量与叶面积、茎粗、穗长呈极显著负相关,和茎节数呈极显著正相关。进一步回归分析可知,叶面积、株高和穗长是影响黄色素含量的最主要因素,叶面积、穗长对直链淀粉含量存在负向的影响作用,单穗重、穗粗、茎节数对直链淀粉含量存在正向的影响作用。

谷子产量性状与碾磨品质性状的相关分析

为研究谷子品种产量性状和碾磨品质性状的相关性,以150份谷子品种为材料,采用相关分析、通经分析及多元回归分析等方法,探讨7个产量性状(穗长、穗粗、码数、码粒数、单穗重、穗粒重和千粒重)和3个碾磨品质性状(脱壳率、出米率和整精米率)之间的关系,明确影响谷子整精米率的主要因子。结果表明,山西谷子品种产量性状和碾磨性状的变异系数为3.74%~38.57%,单穗重变异系数最大,脱壳率变异系数最小。整精米率与脱壳率(r=0.780)、出米率(r=0.796)及穗粗(r=0.218)呈极显著正相关,与穗长(r=-0.296)和单穗重(r=-0.283)呈极显著负相关,与穗粒重(r=-0.176)和码粒数(r=-0.163)呈显著负相关。逐步回归分析结果表明,穗长、穗粗、单穗重、穗粒重、脱壳率和出米率是决定整精米率的主要因子。通径分析结果表明,穗粗、出米率和脱壳率对整精米率产生了直接正向效应,穗长和单穗重对整精米率产生了直接负向效应,穗粒重主要通过单穗重对整精米率产生较大的负向效应。主成分分析结果表明,10个性状可归为5个主成分,累积贡献率达87.897%;其中,第1、第2主成分的贡献率较高(32.226%和25.692%),分别代表了产量因子和碾磨品质因子。综上,在谷子育种中,选择脱壳率和出米率高的品种,增加穗粗,降低单穗重和穗长,能在更高水平上协调产量性状和碾磨品质的关系。本研究结果为谷子优良品种的选育提供了理论依据。

影响谷子愈伤组织基因枪转化的因素

通过 Ｇｕｓ 基因 在谷子 胚性愈伤 组织中 的瞬时表 达检测， 分析 了影 响谷 子愈 伤组 织基 因枪转化效 率的几个 因素。钨 粉的包 被质粒 Ｄ Ｎ Ａ 用量以 ３ μｇ／ ｍ ｇ 钨粉 ， Ｃａ Ｃｌ２ 浓度１５ ｍ ｏｌ／ Ｌ，亚 精胺浓度４０ ｍ ｍ ｏｌ／ Ｌ 为最 佳，过高 的 Ｄ Ｎ Ａ 、 Ｃａ Ｃｌ２ 和亚精 胺加入量 均显著降 低转 化率 ； Ｊ Ｑ７００ 基因 枪样品室高度 ７ ｃ ｍ ，轰 击速 度 ４００ ～４５０ ｍ ／ｓ 转 化， 较其 它 速度 和样 品 室高 度下 转 化 Ｇｕｓ 基因 表 达率高；每 次转化的 愈伤组织 用量对 转化效率 也有影 响， 以１ ～２ ｇ Ｇｕｓ 基 因表 达斑 最多； 玉米 ｕｂｉｑｕｉｔｉｎ启动子 较 Ｃａ Ｍ Ｖ３５ Ｓ 启动子 的瞬时表 达显著增 强。

十五年区试数据分析展示谷子糜子育种现状

谷子(Setaria italica Beauv.)和糜子(Panicum miliaceum L.)是中国起源的古老粟类作物,在旱作生态可持续农业建设和种植业结构调整中具有重要作用,也是应对未来更加干旱环境的战略储备作物。自2001年到2015年,全国农技中心组织国家谷子糜子区域试验,对这个时期培育的谷子糜子品种的产量、适应性和品质进行综合鉴定,积累这个时期谷子糜子育成品种的产量和农艺性状表现的基础数据。本期《中国农业科学》发表了6篇对过去10—15年谷子糜子育成品种产量和农艺性状表现的分析评价文章,这些文章从整体上梳理了中国华北夏谷区、西北早熟区、西北中晚熟区、东北春谷区和糜子育成品种的产量水平、育种进步的性状和存在问题等,也提出了近期及将来的育种目标。本文是对这6篇文章进行的简评,希望能引导这6篇文章的深入研读。谷子糜子育种的突破有赖于关键性亲本的发现、创制和利用,以及有益产量性状累加育种技术的突破;商品性优质、食味优质、功能性优质专用和中矮秆适合机械化轻简化栽培应成为谷子糜子育种最应关注的重点方向。

谷子体细胞无性系变异及其在育种上的应用

本研究对谷子 (Setaria italica Beauv.) 7个品种的体细胞无性系性状变异和遗传进行了分析。结果表明 :以 R2株系为计算单位的谷子体细胞无性系农艺性状变异频率平均为 13.0 % ,不同基因型的变幅为 4 .3%～ 32 .9% ;变异涉及株高、抽穗期、穗粒重、出谷率、育性、抗病性、米色等多个性状 ;R1 代表现半不育的植株 ,其 R2 代出现变异的机率高 ;变异的性状多数能在 R3代稳定并遗传给后代。本文对植物体细胞无性系变异频率的计算方法、体细胞无性系变异的育种应用等问题进行了讨论。

谷子Ch型显性雄性核不育花药发育的细胞形态学研究

对谷子Ch型显性雄性核不育花药发育的细胞形态学观察发现,其杂合株花粉发育正常,但开花时花药不开裂;纯合株自造孢细胞期到花粉积累淀粉时均有败育发生,但主要在小孢子期;杂合株的药室壁细胞药隔发育正常;纯合株的药室壁细胞药隔则发生各种异常,可以认为这是其雄性败育的原因.

植物体细胞无性系变异的细胞学和分子生物学研究进展

植物体细胞无性系变异是植物组织培养中的普遍现象，关于这些变异的起源存在多种观点，如转座因子的活化、ＤＮＡ甲基化等。本文综述了植物体细胞无性系的研究进展。

禾谷类杂粮作物耐逆和栽培技术研究新进展

禾谷类杂粮作物谷子、高粱、黍稷等是旱作生态农业的主栽作物,也是中国传统农耕文化的载体作物,在膳食结构多样化和人民健康保障方面有着不可或缺的作用。禾谷类杂粮多栽培在旱薄地、盐碱地和粮食主产区的边际田块,品种的耐逆性尤其重要。本文作为本期《中国农业科学》20篇禾谷类杂粮的抗旱耐盐和栽培耕作技术研究文章的导读,在对谷子高粱和黍稷进行概况介绍的基础上,展示了这些文章的核心内容和创新点,比较了这些结果和国内外高度相关的同类文章在关键发现上的异同,以拓展读者的阅读视野,同时对谷子高粱黍稷的抗旱耐逆研究进行了展望。

基础研究提升传统作物谷子和黍稷的科研创新水平

谷子（Setaria italica Beauv.）和黍稷（Panicum miliaceum L.）是中国起源的古老农作物,栽培历史超过8 000年,粟（谷子）、黍（黍稷、糜子）、稻（水稻Oryza sativa L.）、麦（小麦Triticum aestivum L.）、菽（大豆Glycine max（Linn.）Merr.）被称为中国传统农耕文明的＂五谷＂[1-2],而谷子和黍稷在＂五谷＂中位列重要位置,可见这两种作物对中华文明发展的重要性。考古学证据的积累证明,黍稷的驯化早于谷子,在8000以前的新石器时代黍稷就已经在黄河流域广泛栽培；而谷子的驯化略晚于黍稷，在距今6000—7000年前被广泛栽培。已有证据表明，这两个作物均起源于中国北方的黄河流域，在水稻尚未传到北方，小麦尚未引入中国的农耕文化形成早期.

粟细胞核雄性不育和雄性可育花药发育的细胞形态学研究

通过对粟几个细胞核雄性不育和雄性可育材料花药发育的细胞形态学研究、提出了粟可育花药存在“开裂腔”的概念;ChA杂合显性雄性不育株的花药因不能形成“开裂腔”而不开裂.全不育材料338A和金大A为无花粉型败育;高不育型不育系蒜系28和350A败育于小孢子期,极个别小孢子能发育为成熟花粉;不同材料间药隔维管束的正常与否表现不同.

Mutator转座子及MULE在植物基因与基因组进化中的作用(英文)

Mutator(Mu)转座子是植物中已发现的转座最活跃的转座子,其高的转座频率及趋向于单拷贝功能基因转座的特性,使该转座子成为玉米功能基因克隆的主要方法。Mu转座子的同源类似因子广泛存在于被子植物基因组中,而且同一基因组中往往具有多种变异类型。它不仅具有其他DNA转座子在基因和基因组进化中的普遍作用,而且具有能够承载基因组内功能基因和基因片段的载体功能,这种载体Mu转座子(Pack-MuLEs)能够在基因组内移动众多的基因片段,从而对基因和基因组进化产生作用。Mu转座子的同源序列发生在水稻与狗尾草之间的水平转移提供了高等植物核基因水平转移的首个例证。对Mu转座子的了解促进了我们对动态基因组概念的认识。文章对Mutator转座子的发现、转座特征、基因标签应用等的研究进展进行了综述,对Mu转座子家族的同源序列进行了分类,讨论了该转座子在基因组进化中的作用,分析了应加强研究的问题。

麦克林托克及其科学成就

遗传学的伟大先驱孟德尔(Gregor Mendel)的分离规律和自由组合规律,摩尔根(T. H. Morgan)的连锁遗传理论,奠定了现代遗传学的基础。荣获1983年诺贝尔医学奖的美国遗传学家巴巴拉·麦克林托克(Babara McClintock)所创立的“转座因子”学说(theory of transpo-

育种创新造就谷子种业新发展

谷子原产我国,是旱作可持续绿色农业的主栽作物。在回顾我国谷子种质资源和遗传育种的研究历史,总结谷子新品种培育成就的基础上,对我国谷子种业的从无到有的发展历程进行了梳理。分析了谷子种业发展存在的问题,并提出了加强谷子育种急需的种质创新和关键核心育种技术研发、促进科企育种联合、实施实质性派生品种制度,以及建立登记品种DNA指纹库切实保护原始创新技术成果等发展建议。

粟和小麦花药开裂的细胞形态学研究

长期以来,大多数研究工作者部认为,花药开裂完全依赖于药室内壁细胞次生纤准状加厚产生的拉力。周喜滋(1978)提出了水稻“药室间组织间隙”的概念脚。小麦的花药也曾报道存在腔状结构。本研究以花药正常开裂的小麦、粟品种和花药不开裂的粟雄性不育系作对比观察,以探讨粟是否存在腔状结构,以及这种结构与花药开裂的关系。

谷子生物技术研究成果与未来方向

自1971年实现世界第一例组织培养再生谷子以来,世界各国科学家在谷子及狗尾草属植物组织培养、原生质体培养、体细胞无性系变异和利用、转基因技术、分子标记图谱与禾谷类比较遗传学、重要功能基因定位等相关领域做了大量工作,提升了谷子遗传育种的发展,也对其它作物的遗传育种起到了促进作用。本文总结了30 a来谷子生物技术研究的成果,并对未来的研究方向和重点研究领域进行了讨论。

农作物抗除草剂基因工程研究进展

对国内外抗除草剂基因工程的研究进展进行了综述。内容包括利用体细胞无性系产生抗除草剂新种质和转入人工克隆的抗除草剂基因;对几种解除除草剂毒性的基因的作用原理进行了阐述,给出了已获得的转抗除草剂基因的植物种类,并对农作物抗除草剂基因工程的应用前景进行了分析。