旱地冬小麦生产中存在的问题及高产栽培技术

在河南东北部地区,水资源分布的不均衡性加剧了该地区农业生产的用水压力,尤其对水分需求量大的农作物更甚。小麦作为北方地区的主要粮食作物,其稳定生产对国家粮食安全具有不可替代的作用。本文分析旱地冬小麦生产中遇到的主要问题,并探讨通过节水灌溉、科学施肥、病虫害综合管理以及品种选择与育种技术等措施,旨在实现旱地冬小麦高效栽培的现实路径。

PEG-6000模拟干旱胁迫下不同基因型小麦品种萌发期抗旱性的综合鉴定

为了研究不同基因型小麦品种萌发期的抗旱性,以20个小麦品种为材料,采用质量分数为20%的PEG-6000溶液处理模拟干旱胁迫,测定了芽长、主胚根长、芽鲜质量、根鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指数和萌发抗旱指数等指标,通过主成分分析和综合评价值(F值)法对供试材料的抗旱性进行综合评价,并通过测定相关生理指标对评价结果进行了验证。结果表明,PEG-6000胁迫处理后的芽长、主胚根长、芽鲜质量、根鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指数均受到抑制,但不同品种的降幅存在显著差异。主成分分析表明,晋麦47、运旱618、长治6406、石4185和旱选10号抗旱性明显强于F值较低的京冬18、石家庄4号、石优20、郑麦366和郑麦9023。相关生理指标测定结果表明,F值较高的晋麦47、运旱618和长治6406的抗旱性要显著高于F值较低的京冬、石家庄4号和郑麦366。这说明基于形态指标的综合评价值法可以有效地对小麦萌发期抗旱性进行鉴定,供试材料中抗旱性较强的品种有:晋麦47、运旱618、长治6406、石4185和旱选10号,抗旱性较差的品种有:京冬18、石家庄4号、石优20、郑麦9023和郑麦366。

不同基因型小麦品种根系形态对低氮胁迫的响应

以8个不同基因型的小麦品种为材料,在4个不同供氮水平(0,0.05,0.1,2 mmol·L^(-1))下,研究了不同根系形态参数对氮素的响应情况。结果表明,根据不同品种的根系性状对低氮胁迫的响应情况,可以将8个供试小麦品种分为3类:第1类品种以辛石麦和跃进5号为代表,不同根系形态参数对低氮响应较好,但地上部生物量随氮素水平的降低而降低;第2类品种以西农979和陕优225为代表,根系形态参数对低氮响应较差,且地上部生物量随着氮素水平的降低而降低;第3类品种以孟县4号为代表,地上部生物量与根系形态参数均对低氮响应差。

基于VIGS技术的小麦干旱响应基因TaEF-1α的功能研究

为了进一步研究Ta EF-1α基因在小麦响应干旱胁迫中的作用,首先在正常灌水和干旱胁迫2个处理下对Ta EF-1α基因在转录水平上的表达量进行了验证,并利用VIGS(Virus induced gene silencing)技术将Ta EF-1α基因进行沉默,对其功能进行研究。结果表明,Ta EF-1α基因在m RNA水平上的表达量与其蛋白水平上的变化趋势一致,均受干旱诱导上调表达。与正常灌水且未进行VIGS沉默处理的植株相比,干旱处理且未进行VIGS沉默处理的植株中Ta EF-1α基因表达量极显著升高,其叶片相对含水量也极显著降低、相对电导率和丙二醛(MDA)含量则极显著升高;干旱条件下,与未进行VIGS沉默的对照植株相比,VIGS沉默后的植株中Ta EF-1α基因表达量极显著下降,其叶片相对含水量也极显著降低、相对电导率和丙二醛(MDA)含量则极显著升高,植株表现出叶片下垂、对干旱胁迫敏感的表型。综合干旱处理和VIGS沉默Ta EF-1α基因后小麦植株的表型和生理指标变化,说明干旱胁迫诱导小麦植株中Ta EF-1α基因上调表达,敲低Ta EF-1α基因表达后小麦抗旱性显著下降,因此,Ta EF-1α基因在小麦响应干旱胁迫中可能发挥了重要作用。

人工劣变处理对玉米种胚差异基因表达的影响

【目的】利用数字基因表达谱技术(digital gene expression tag profiling,DGE)探索人工控制劣变(controlled deterioration treatment,CDT)条件下玉米种胚差异基因的表达变化,为揭示种子劣变的分子机理提供依据。【方法】以玉米杂交种郑单958种子为材料,采用高温(45℃)高湿(相对湿度100%)方法处理72 h,以未处理材料为对照,利用DGE分别进行高通量测序,测序结果与参考基因组和参考基因数据库比对获得表达基因,利用RPKM(Reads Per Kb per Million reads)方法计算基因的表达量,根据FDR(false discovery rate)<0.001和|log2 ratio(T/CK)|≥1的标准筛选差异表达的基因,对获得的差异表达基因(digital expression genes,DEGs)进行GO(gene ontology)和KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)数据库功能注释,并对注释结果进行富集分析处理。【结果】对照玉米种胚中检测到32 000多种mRNAs。CDT处理后差异表达基因有4 713个。其中上调表达2 874个,下调表达1 839个。GO富集分析表明,这些基因涉及细胞组分、分子功能和生物学过程方面,其编码的蛋白主要分布在细胞器和细胞膜上,参与能量代谢、信号转导、刺激响应和衰老死亡等过程,具有结合、催化和抗氧化等功能。这些基因中,能被KEGG数据库注释的有2 470个,参与了288条代谢通路,其中有16条通路存在着显著性富集。这些通路中,参与能量代谢的基因共有113个,分别参与糖酵解/糖异生过程(59个)、磷酸戊糖途径(31个)和丙酮酸代谢过程(50个);其中,调节糖酵解/糖异生过程的烯醇化酶基因、3-磷酸甘油醛脱氢酶基因等、丙酮酸代谢中的丙酮酸激酶基因等和磷酸戊糖途径中的α-L-岩藻糖苷酶基因等上调幅度最大。还发现,调节NADH代谢相关的基因有25个(9个上调,16个下调);NADPH代谢的有10个(4个上调,6个下调)。这些基因的表达变化能够调节活性氧的产生和积累。【结论】DGE可以作为研究种子劣变和活力丧失的有效手段。CDT能够影响玉米种胚差异基因的表达,进而影响细胞能量代谢相关过程,主要表现在糖酵解途径受到抑制,导致ROS产生和积累,从而加速玉米种胚细胞的衰老及死亡,最终造成种子的劣变和活力丧失。在这个过程中,差异表达基因可能扮演重要角色。

玉米种胚HSP20基因对人工老化处理的响应

以玉米杂交种"郑单958"为材料,采用高温(45°C)高湿(100%相对湿度)对玉米种子进行人工老化处理,并用转录组技术,研究植物HSP20基因对种子人工老化处理的响应,旨在为揭示种子衰老的分子机制提供依据。结果表明,随着老化时间的延长,种子活力和种胚内过氧化氢酶的活性均表现下降趋势;过氧化氢含量在老化第3天达到最大值,随后下降;丙二醛含量逐渐升高;转录组检测表明,种子老化过程中差异显著的HSP20基因有25个,这些基因编码的HSP20蛋白主要被定位在细胞核、线粒体、以及叶绿体上,其序列中均含有ACD保守序列(RVDWRETPDAHEIVVDVP GMRREDLRIEVEDNRVLRVSGERRRAEERKGDHWHREERSYGRFWRRFRLPENADLDSVAASLDSGVLTVRFRK)。该序列中含有较多的Arg (11.2%)、Lys(7.2%)、Pro(4.2%)、Thr(3.9%)等氨基酸,老化过程中积累的ROS可能氧化这些氨基酸,导致HSP20结构破坏、功能丧失。利用qRT-PCR技术对挑选的编码细胞质、叶绿体和线粒体HSP20的基因的表达模式分析显示,随着老化程度的加深,2个编码细胞质HSP20的基因上调表达,另外两个编码叶绿体和线粒体HSP20基因的表达量在老化第3天达最大值,随后下降。推测HSP20基因对种子老化有重要作用,HSP20蛋白的ACD结构域中Arg、Lys等氨基酸的靶向氧化可能是种子衰老的主要原因之一。

人工老化玉米种胚ROS产生及ATP合成酶亚基mRNA完整性研究

为了揭示玉米种子衰老机理,本研究以“郑单958”玉米杂交种为材料,研究了人工老化处理(温度45℃﹑相对湿度100%)后种子活力﹑种胚O_(2)^(-)产生和积累﹑种胚ATP含量和ATP合成酶活性,并用反转录阻断-双引物扩增法分析种胚及不同器官(盾片﹑胚根和胚芽)ATP合成酶亚基mRNA的完整性。结果表明,人工老化处理后,玉米种子的萌发率和胚根生长速率下降;种胚生活力降低;种子呼吸强度减弱。种胚O_(2)^(-)产生速率在老化3d时达到高峰,随后下降;胚根和胚芽O_(2)^(-)产生速率和含量显著增加;种胚ATP含量和ATP合成酶活性降低。ATP合成酶ε亚基和γ亚基的mRNA完整性先升高后降低;δ亚基mRNA的完整性没有明显变化;α亚基和β亚基mRNA的完整性则持续降低;胚根和胚芽ATP合成酶亚基mRNA的损伤程度大于盾片。说明在老化过程中胚根和胚芽ROS产生和积累,导致ATP合成酶亚基mRNA不同程度的损伤,ATP合成酶活性降低,ATP含量减少,造成萌发过程种胚供能不足,这可能是导致玉米种子衰老的重要原因之一。

玉米种胚内质网胁迫相关基因对人工老化处理的响应

【目的】在植物中,内质网胁迫(endoplasmic reticulum stress,ERS)和未折叠蛋白应答(unfolded protein response,UPR)参与环境胁迫响应过程,然而,玉米种子老化过程中内质网胁迫相关基因表达情况尚未见报道。文章利用基因数字表达谱技术探究玉米种子老化过程中内质网胁迫相关基因表达规律,以期为揭示种子衰老的分子机制提供理论依据。【方法】以玉米杂交种郑单958种子为材料,采用高温(45℃)高湿(相对湿度100%)的方法进行人工老化处理。分别提取未老化处理(对照)和老化处理3 d的玉米种胚总RNA,利用Illumina Hi Seq TM 2000平台进行高通量测序。去除原始数据中的接头序列、包含模糊碱基的序列以及低质量序列,获得Clean reads,利用短序列比对软件SOAPaligner/SOAP2将Clean Reads分别比对到玉米参考基因组和参考基因序列,采用RPKM(reads per kb per million reads)方法计算基因的表达量,根据FDR(false discovery rate)<0.001和|log2 ratio(T/CK)|≥1的标准筛选差异表达的基因,对获得的差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)进行KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)数据库功能注释分析,筛选出响应人工老化的内质网胁迫相关差异表达基因。利用q RT-PCR技术定量分析内质网胁迫相关基因在不同人工老化时间内的表达特性。【结果】基因数字表达谱鉴定结果表明,有104个差异表达基因在人工老化过程中参与内质网蛋白质加工(protein processing in endoplasmic reticulum)通路,其中内质网胁迫相关基因有97个(81个上调表达,16个下调表达)。对差异表达基因功能注释分析表明,内质网胁迫的标志性蛋白基因Bi P以及分子伴侣蛋白基因CRT、CNT和GRP94等显著上调表达。参与内质网相关性降解(endoplasmic reticulum-associated degradation,ERAD)途径的有83个差异表达基因(70个上调,13个下调),其中启动ERAD途径的关键酶基因EDEM(ER degradation enhancing mannosidase I-like protein)下调,参与蛋白泛素化的E2泛素结合酶基因Ubc H5、E3泛素连接酶基因Hrd1和Doa10等也发生显著的表达变化。q RT-PCR结果表明,内质网胁迫相关基因在不同人工老化时间内表现表达多样性和复杂性。【结论】人工老化处理能造成玉米种胚细胞发生内质网胁迫。细胞通过上调分子伴侣基因表达和诱导ERAD途径响应内质网胁迫,但ERAD途径受阻可能引起错误折叠蛋白聚集,从而进一步加剧细胞损伤,最终导致种子活力降低甚至丧失。

基于cDNA-AFLP技术的玉米种子劣变相关基因分析

以人工控制劣变处理(温度45℃,相对湿度100%)3 d的玉米杂交种‘郑单958’种子为材料,通过cDNA-AFLP技术,共获得约5 400个转录本。对差异片段进行测序分析,最终获得122个种子劣变相关基因序列(DRS),其中,上调表达74个,下调表达48个,功能涉及初生代谢、次生代谢、蛋白代谢、转录与调控、胁迫响应、信号转导和运输。采用qRT-PCR技术分析了11个上调表达差异基因的表达模式,结果显示不同基因的表达模式存在较大差异,说明不同基因在种子劣变中可能扮演不同角色。

玉米种子老化相关MAPK途径基因表达分析

促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)在活性氧(reactive oxygen species,ROS)信号转导过程中起重要作用,然而MAPKs途径相关基因在种子老化过程中的表达变化尚不清楚。本文以玉米杂交种‘郑单958’种子为材料,研究了人工老化处理(温度45℃、RH 100%)对玉米种子活力及生理特性的影响,并用数字基因表达谱技术研究老化相关MAPKs途径基因表达变化。结果表明,随着老化时间的延长,种子活力指数迅速下降;种胚内超氧阴离子产生速率在老化处理第3天达到高峰,随后下降;ABA含量表现为下降趋势;种子老化过程中检测到MAPK途径相关基因53个,其中差异表达的有25个(上调基因14个,下调基因11个);对响应ROS的MAPK基因启动子区域(上游2 kb)碱基序列分析发现,该区域分布有ABRE、DRE/CRT等多种ABA的顺式作用元件;对MEKK1-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6途径基因表达分析发现,MKK4(GRMZM5G878379)基因上调表达,而受ROS激活的Zm MPK6(AC188023.3_FG011)基因下调,表明MEKK1-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6途径信号传递可能受阻。因此,推测MAPK信号转导途径的破坏可能是种子劣变的重要原因之一。

“泥坑博士”爱莲说

"要我说,莲藕长不起来,就是种得太晚,早点儿种下去怎么会这样!""早种晚种还不都一样,说不定这藕种就是带病来的。""就算藕种是好的,种在这盐碱地里,能长出好东西才怪哩!""那种也种了,忙也忙了,辛苦大半年这算啥?咋也得有个说法吧……"意外的出场我成了"泥坑博士"当着我的面,莲藕种植户和相关工作人员争论不休。眼前这片一望无际的莲藕田显得名不副实,一眼望去几乎看不到莲藕的身影,仔细辨认后才能发现那可怜的几片早已被杂草覆盖的荷叶。