过表达AngdhA对水稻生长与氮素利用效率的影响

【目的】研究过表达黑曲霉AngdhA基因对水稻生长、氮代谢关键酶基因表达、碳氮含量、氮素利用效率、产量及耐盐性的影响,为水稻节本增效、高产和高抗多目标育种提供科学参考。【方法】以水稻转基因株系TG3、TG13与野生型(wild-type,WT)为材料进行水培试验。常规生长试验在水稻幼苗3叶期取样,分析谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶编码基因的表达及碳、氮含量;成熟期取样测定水稻产量、碳和氮含量及氮素利用效率。抗盐胁迫试验以3叶期幼苗为试材,设置营养液盐胁迫浓度分别为0、50、100 mmol/L NaCl,在胁迫开始后0、2、4天,取样分析水稻幼苗相对生长速率和脯氨酸含量,调查叶片萎蔫率和各部位生物量。【结果】PCR扩增和电泳检测证实黑曲霉AngdhA基因成功导入水稻TG3和TG13株系,qRT-PCR荧光定量分析发现,TG3和TG13株系中黑曲霉AngdhA基因表达量分别为内参UBI基因的248和41倍。但TG3和TG13株系中氮代谢关键酶基因OsGS1;1、OsGS1;2和OsGOGAT表达量与WT差异不显著,仅TG13的OsGS2表达量极显著低于WT。同时,导入黑曲霉AngdhA基因并未明显影响转基因株系TG3和TG13苗期叶片、根和成熟期籽粒、茎叶、根中氮含量和碳/氮值,但TG3和TG13植株体内碳和氮的积累量增加,其中籽粒中碳和氮的积累量均显著高于WT。另外,与WT相比,转基因株系TG3和TG13的氮素利用率分别提高了14.67%和44.12%,氮素籽粒生产效率分别提高了26.96%和39.83%,氮素偏生产力分别提高了24.53%和39.67%。转基因株系TG3和TG13的穗粒数、每株穗数和单株产量显著或极显著提高,其中单株产量较WT分别提高29.18%和43.95%。不同盐浓度胁迫下转基因株系TG3和TG13的相对生长速率极显著高于WT,尤其是在50 mmol/L NaCl条件下,TG3和TG13相对生长速率甚至高于对照条件(0 mmol/L)。盐胁迫下水稻脯氨酸含量明显提高,其中TG3和TG13脯氨酸含量在50 mmol/L NaCl条件下显著高于WT,但在100 mmol/L条件下极显著低于WT。【结论】水稻TG3和TG13株系中的外源AngdhA基因不扰乱转基因水稻体内的碳氮平衡,能促进水稻对氮素的吸收、利用和再活化,提高水稻氮素利用效率、产量和耐盐能力,但TG3中AngdhA基因的超量表达可能增加谷氨酸合成与分解途径的底物循环,使转基因水稻对氮素的吸收、利用和产量增幅下降。盐胁迫下脯氨酸的差异积累可能与水稻对胁迫程度的响应与耐受度存在差异有关。

SP1调控碳水化合物分配对穗形态的影响

探讨SP1在水稻“源-库”系统中的调控作用,为解析稻穗形成的机理和青贮饲料稻分子育种提供科学参考。以sp1与WT为材料,进行氮处理和生长分析,表型鉴定、碳水化合物测定和RT-qPCR检测。结果发现,氮处理10 d时,sp1与WT无表型差异,但在高、中氮条件下,sp1相对生长速率显著提高;24 d时sp1叶鞘、根、植株干重提高,叶鞘氮含量降低、碳/氮比值提高,说明充裕的氮能促进sp1生长,SP1可能影响叶鞘碳-氮平衡。抽穗期sp1株高显著降低,分蘖数显著提高,稻穗变小并伴随高位分蘖发生。孕穗期sp1茎、鞘中碳水化合物含量与WT差异较小,但抽穗期茎中淀粉、蔗糖和叶鞘中淀粉、蔗糖、葡萄糖和果糖含量明显提高。SP1在叶鞘基部高表达,推测突变SP1能抑制蔗糖由茎鞘向穗的运输,导致高位分蘖发生和稻穗变小。SP1可应用于青贮饲料稻分子育种。

灌浆结实期高温对水稻籽粒蔗糖及降解酶活性的影响

选用水稻品种越光和笹锦为材料,在开花后设置自然温度和高温两种处理,研究了不同温度处理下籽粒蔗糖、果糖和葡萄糖含量的动态变化以及蔗糖合酶、液泡型转化酶和细胞壁结合型转化酶活性的差异。高温处理下,蔗糖合酶活性值大于转化酶活性值,且与淀粉积累速率呈显著正相关,表明蔗糖合酶在蔗糖的分解和淀粉的合成过程中起着重要作用;高温下两品种籽粒的蔗糖含量明显增加,但分解的葡萄糖和果糖含量并未相应增加,表明高温有利于籽粒中蔗糖的积累,而不利于籽粒中蔗糖的分解。高温下蔗糖合酶、液泡型转化酶和细胞壁结合型转化酶活性明显下降,表明蔗糖分解速率的下降与蔗糖合酶和转化酶活性下降有关。

灌浆结实期弱光对水稻籽粒淀粉积累及相关酶活性的影响

选用IR72(籼稻)和日本晴(粳稻)为材料,在开花后进行遮光处理,对弱光条件下籽粒淀粉和直链淀粉含量的动态变化及相关酶的活性进行了研究。在弱光条件下,两品种籽粒的淀粉含量减少,直链淀粉含量下降,蔗糖含量降低,ADPG焦磷酸化酶活性的变化较小,可溶性淀粉合成酶和颗粒结合型淀粉合成酶活性减弱,可溶性淀粉分支酶Q酶和颗粒结合型淀粉分支酶活性增强,淀粉去分支酶活性因品种而异,IR72表现为减弱,日本晴则为增强。相关分析表明,遮光下蔗糖输入量的减少量和淀粉合成量的下降量呈显著正相关;ADPG焦磷酸化酶和淀粉分支酶活性与淀粉积累速率呈显著正相关。分析指出,遮光下淀粉合成酶活性的降低与淀粉合成量的下降有关,淀粉分支酶活性的升高是直链淀粉占淀粉总量的比率减少的重要原因。

灌浆结实期弱光对水稻籽粒蔗糖及其降解酶活性的影响

选用IR72(籼稻)和日本晴(粳稻),在开花后遮光处理,对弱光条件下籽粒蔗糖含量的动态变化和降解酶的活性进行了研究。结果表明:两品种籽粒的蔗糖含量减少,蔗糖分解加快,蔗糖合成酶(SS)活性下降,液泡型转化酶(VCI)和细胞壁结合型转化酶(WCI)活性提高。即在弱光条件下,转化酶活性的提高加快了蔗糖的分解。相关分析表明,蔗糖合成酶活性、细胞壁结合型转化酶活性与淀粉积累速率显著正相关。说明这两种酶在蔗糖的分解和淀粉的合成过程中起着十分重要的作用。

水稻苗期氮素吸收及其相关性状的QTL分析

以来自于Koshihikari/Kasalath//Koshihikari的回交重组自交系群体为材料,采用流动液体培养和同位素示踪技术,对水稻苗期氮素吸收速率及其相关性状进行QTL分析。结果表明,地上部干质量(SW)、根系干质量(RW)、根冠比(R/S)、地上部相对生长速率(RGRS)和根相对生长速率(RGRR)等与氮素吸收力(NAA)和氮素吸收速率(NAR)密切相关。在SW、RW、植株含氮量、NAA、高氮下的氮吸收速率(HNAE)和低氮下的氮吸收速率(LNAE)上分别检测到1、4、1、3、1和1个主效QTL,主要分布在第6、7、8和10染色体上;R/S、RGRS和RGRR没有检测到主效QTL;NAA、LNAE和RW间存在明显的QTL一因多效或邻近表达现象。