高粱根际土壤细菌群落对盐胁迫的响应

【目的】探究盐胁迫下高粱根系微生物群落结构变化,以及高粱根系微生物群落网络特征。【方法】以2种耐盐性不同的高粱品种河农16(盐敏感)和高粱蔗(耐盐)为试验材料,通过盆栽种植,不同盐胁迫处理,利用16S扩增子测序技术对其根系微生物组进行高通量测序。【结果】随着盐胁迫的加剧,高粱根系的总酚和总黄酮含量逐渐增加,适宜的盐胁迫通过诱导酚酸类化合物的合成来提高高粱的耐盐性。高粱根际土壤优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和绿弯菌门(Chloroflexi)。盐胁迫条件下Proteobacterisa、Bacteroidetes和Pseudomonas的相对丰度随盐胁迫的加剧显著升高。盐胁迫下高粱根际细菌组成受生育时期的影响较小,高粱根际细菌的群落结构均随盐胁迫程度的加剧而变迁。加权基因共表达相关网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)鉴定了12个基因共表达模块,其中pink模块与盐胁迫显著正相关,greenyellow模块与生育时期和盐处理后的根系总酚、总黄酮含量显著正相关。低盐土壤细菌共现网络比高盐土壤更为复杂,表现为节点和连接更多。鉴定出13个网络关键OTUs,OTU8480、OTU6866、OTU3247和OTU3499是S0网络中的关键OTUs,S3网络中为OTU6895、OTU4206、OTU6470、OTU1810和OTU4916,S7网络以OTU4217、OTU8426、OTU4847和OTU6066为关键类群。【结论】盐胁迫下高粱根系微生物的多样性发生改变,共现网络更为复杂,OTUs间联系更为紧密。

外源儿茶素浸种对盐胁迫下高粱种子萌发的影响

儿茶素是一种多酚类化合物,可促进植物在逆境下的生长发育,减缓逆境胁迫造成的损伤。为探究儿茶素对盐胁迫下高粱幼苗生长发育的影响,本研究以高粱‘河农16’品种为试验材料,通过利用儿茶素浸种处理(儿茶素浓度50μmol/L),对非盐胁迫和盐胁迫下(NaCl浓度100 mmol/L)高粱种子萌发以及形态特征进行测定。结果表明:儿茶素处理可显著提高盐胁迫环境下高粱幼苗的芽长、根长、超氧化物歧化酶活性、脯氨酸、可溶性糖以及叶绿素含量,显著降低过氧化物酶、过氧化氢酶活性和丙二醛含量。进一步的相关性分析结果显示,芽长、根长、芽鲜重、芽干重、根鲜重、根干重、超氧化物歧化酶、脯氨酸、可溶性糖、叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量呈正相关,而与过氧化物酶、过氧化氢酶活性和丙二醛含量呈负相关。综合分析认为,外源儿茶素通过促进高粱幼苗芽长和根长的发育,提高超氧化物歧化酶活性,提高渗透调节物质和叶绿素含量,来缓解盐胁迫对高粱幼苗产生的伤害,促进干物质积累,提高了高粱幼苗的耐盐性。

高粱GRAS基因家族全基因组鉴定及其对烯效唑的响应

GRAS转录因子广泛参与植物生长发育和逆境胁迫应答等多种代谢途径,并发挥重要作用。本研究利用生物信息学技术从高粱全基因组序列中鉴定出GRAS蛋白序列,经SMART和Pfam-search去除冗余序列后,通过ExPASy-ProParam、Mapchart以及MEGA7.0等进行理化性质、染色体定位和系统进化等分析,利用GO和KEGG对GRAS基因进行注释,结合转录组测序分析高粱GRAS家族成员在烯效唑处理不同时期的表达模式,并用实时荧光定量PCR技术检测部分具有显著转录组差异的GRAS成员表达情况。结果表明:从高粱全基因组中鉴定出80个GRAS转录因子,根据亲缘关系远近分为8个亚族;高粱GRAS基因氨基酸数介于295~967个,分子量介于31529.21~107470.03 kD,平均等电点6.01,96.25%的GRAS基因为不稳定蛋白,平均亲水性-0.264;除7号染色体外,其余染色体均有GRAS基因分布;基于高粱转录组数据,可以将GRAS基因分为5类;通过qRT-PCR验证8个表达量具有显著差异的GRAS基因,结果显示,6个基因与转录组数据表达趋势一致,其中5个为差异表达基因。上述结果初步筛选出5个在烯效唑处理下不同时间的差异表达基因,为研究高粱GRAS转录因子对烯效唑的响应提供理论依据。

高粱GRF基因家族鉴定及在非生物胁迫下的表达分析

生长调控因子(growth regulation factor, GRF)是植物中特有的一类转录因子,在植物激素调控、生长发育以及胁迫应答等多个领域扮演重要角色。对高粱GRF基因家族成员进行筛选鉴定,得到8个家族基因,分析了这些基因的理化性质、保守蛋白序列、基因功能及其共线性,分析了这些基因在非生物胁迫下转录组表达差异。结果表明,GRF基因家族结构较为保守,启动子元件含有干旱、低温、茉莉酸等响应元件,推测该家族基因参与生物及非生物胁迫应答响应。通过盐胁迫和烯效唑处理下的转录组数据分析,得到一个与耐盐相关的基因(SORBI_3002G297800)和一个与激素相关的基因(SORBI_3006G203400),为进一步探究这些基因在高粱应对非生物胁迫中的作用提供了重要参考。

高粱PHD-Finger基因家族的鉴定、分类及表达特征分析

PHD(PHD-Finger)家族基因广泛存在于真核生物中,基因功能广泛。本文在高粱中筛选、鉴定出79个PHD家族成员,对其进行系统发育、蛋白结构域、基因结构、染色体定位、共线性分析和顺式作用元件分析。结果表明,高粱PHD基因在系统发育、蛋白结构域和基因结构上存在较大变异;通过对高粱PHD基因在盐胁迫下,不同品种,不同时期的表达分析,获得1个耐盐候选基因(SORBI_3001G425900),为进一步研究PHD基因在高粱中的功能提供了参考。

高粱株型表型性状精准鉴定及综合评价

以高粱株型性状为研究对象,对株高、茎粗和叶片相关性状等9个指标进行精准鉴定,利用变异系数、相关性分析、聚类分析、主成分分析和隶属函数F值评价法对371份国内高粱种质资源进行精准鉴定与综合评价。结果表明:两年两点表型性状的平均变异系数范围为10.14%~39.37%,遗传多样性指数范围为1.94~2.14,种质资源变异种类丰富,节数、倒二叶角、倒三叶角和茎粗容易受到环境条件的影响。聚类分析将高粱种质资源分为三大类,第Ⅰ类为中秆平展型和中秆紧凑型植株,第Ⅱ类群为高秆平展型植株,第Ⅲ类群为矮秆紧凑型植株。通过主成分分析将9个性状分为4个主成分,第1主成分主要是茎粗、倒二叶宽、倒三叶宽和节数,贡献率为36.424%,第2主成分主要是株高、倒三叶长和倒二叶长,贡献率为24.786%,第3主成分主要是倒三叶角,贡献率为11.765%,第4主成分主要是倒二叶角,贡献率为11.132%。逐步回归分析法确定了株高、节数、茎粗、倒二叶角可以作为株型鉴定的主要性状。利用隶属函数综合评价法结合育种目标筛选出103、京选1号、44F、714R等30个优异种质资源。通过不同高粱品种类别间性状比较发现,改良种中的矮化、紧凑、抗倒伏趋势明显,更加符合现代化的生产要求。

不同耐盐高粱品种全生育期对盐胁迫的响应

为探究土壤盐胁迫对不同生育时期(拔节期、开花期、成熟期)高粱植株生长及生理特性的影响,在4个盐处理水平(CK:0 g/kg,S3:3 g/kg,S5:5 g/kg,S7:7 g/kg)种植2个耐盐性不同的高粱品种高粱蔗(耐盐)和河农16(盐敏感),比较了2个品种在不同盐处理水平下、不同生育时期植株形态、根系形态、叶片光合特性及抗氧化酶活性的差异。研究结果表明:随盐胁迫程度增加,2个品种的抗氧化酶活性和叶绿素相对含量(SPAD)先升高后降低,抗氧化酶活性在S3处理或S5处理下达到最大值,且该最大值与对照间存在显著差异。2个高粱品种的丙二醛(MDA)含量,随盐处理浓度的增大而升高,在S7处理下显著高于对照,同一处理下耐盐品种高粱蔗的抗氧化酶活性高于盐敏感品种河农16,但丙二醛含量低于盐敏感品种。2个品种的光合能力受到盐胁迫的显著影响,在拔节期,S7处理显著降低了高粱蔗的Pn值,而2个品种的胞间CO2浓度(Ci)在S7处理下均高于对照。盐胁迫下高粱地上和地下部分生长都受到影响,2个品种的基部茎粗、总根长、根面积、根尖数和分支数在S3处理下达到最大值,基部节长、株高、总根长及根体积在S7处理下达到最低值。2个高粱品种在盐胁迫下籽粒脂肪、淀粉含量下降,单宁含量在低盐处理下显著高于对照,盐胁迫使籽粒品质下降。综上,低盐(3 g/kg)能促进高粱生长,而中盐(5 g/kg)和高盐(7 g/kg)条件对高粱生长有显著的抑制作用,高粱蔗比河农16的耐盐性更强。

多效唑对高粱生长发育及生理的影响

为了解喷施多效唑对高粱(Sorghum bicolor)生长发育和生理的影响,在高粱品种‘农大红1号’拔节期喷施多效唑水溶液,对高粱的生长发育和生理指标进行了研究。结果表明,喷施不同浓度的多效唑后,高粱株高均比对照降低,基部节间长度缩短,茎粗增加,且穗粒重也提高。同时,高粱叶片的叶绿素含量和净光合速率提高,且抗氧化酶活性提高并降低了丙二醛含量。因此喷施多效唑可提高高粱的抗倒伏性,延缓叶片衰老,提高产量。在大田生产中,以拔节期喷施450~600 mg/L多效唑的效果较好。

高粱籽粒中9种黄酮类化合物的积累特性分析

为了探究不同亲缘关系、不同颜色的高粱籽粒在不同发育时期黄酮类化合物的差异及积累特性。以26份的高粱种质为材料,采用高效液相色谱法(HPLC)测定籽粒不同发育时期的黄酮类化合物含量,分析黄酮类化合物在不同种质间的差异和发育过程中的动态变化以及与籽粒品质和颜色间的相关性。结果表明,儿茶素、表儿茶素和芦丁表现为先升高再下降的趋势;槲皮素、芹菜素、山奈酚、异鼠李素和木犀草素呈持续上升的趋势;柚皮素呈下降的趋势。槲皮素与异鼠李素、山奈酚与芹菜素呈显著正相关,相关系数高达0.928和0.920;籽粒颜色指数Hue和L值与黄酮类化合物含量呈负相关,Chroma值与儿茶素、表儿茶素、柚皮素和木犀草素呈正相关。本研究发现不同黄酮类化合物在籽粒发育过程中动态变化趋势不同,为优质高粱种质资源鉴定、选育及高粱副产品的开发和利用提供参考。

高粱OFP转录因子家族生物信息学及盐胁迫下的表达分析

为了解OFP(Ovate family proteins)基因家族在高粱基因组中的特征,本研究利用生物信息学方法对高粱OFP基因家族进行了家族成员鉴定,进化关系分析,基因定位,保守motif分析,基因结构、功能启动子元件、基因共线性以及盐胁迫条件下的表达特征进行了分析。结果表明:高粱中鉴定得到37个OFP基因,编码139~543个氨基酸,分子量大小在15.37988~60.05564 kD之间,等电点为4.49~11.62,均为亲水蛋白;通过系统发育分析发现,该家族基因可分为三大类,分别包含高粱OFP家族13、8、16个基因;该家族成员在高粱10条染色体上呈不均匀分布,其中3号染色体上分布最多,含有10个SbOFP基因;该家族蛋白保守结构域基本由Motif1和Motif2组成,有13个基因同时具有干旱诱导响应元件(MBS)、脱落酸响应元件(ABRE)和茉莉酸甲酯响应元件(CGTCA-motif和TGACG-motif);高粱内部有20对共线性基因,与水稻、谷子和玉米共线性基因个数分别为27、27、32。胁迫发现SORBI3005G042800、SORBI3003G227000、SORBI3003G010700和SORBI3006G187600共4个基因的表达与盐胁迫关系密切。本研究结果将有助于了解高粱OFP基因家族,为高粱OFP基因家族成员的深入研究奠定理论基础。

施氮水平对基础肥力不同的玉米田土壤有机碳组分数量的影响

以玉米长期定位施肥试验地为供试对象,采用化学分析法,比较不同施氮水平（不施氮、70%×优化施氮、优化施氮、130%×优化施氮和农民习惯性施氮）对不同肥力土壤0-20 cm耕层有机碳组分数量的差异影响。结果表明,施氮水平对高、中、低3种基础肥力土壤有机碳（SOC）含量的影响规律不同,在低肥力区域,较高施氮水平会加剧土壤退化;适宜氮素用量（0-240 kg/hm2）更有利于高肥力土壤易氧化有机碳（ROC）的积累。低肥力土壤难氧化有机碳（DOC）抵御外源氮素干扰的能力较差,施氮能加速该组分的矿化,大幅降低SOC的氧化稳定性,不利于肥力保蓄;施氮可同时减少高肥力地块轻组有机碳、重组有机碳的含量,优化施氮更有利于SOC的年轻化,使其活性增高。在中、低肥力区域,重组有机碳均呈先增后减的规律变化,低肥力更有利于其含量的提升。