有机肥和海藻酸配施提高盐碱地蒙古黄芪抗逆性和品质

[目的]研究有机肥施用量和海藻酸施用浓度对盐碱地蒙古黄芪[Astragalus membranaceus (Fisch.) Bge.var.mongholicus(Bge.) Hsiao]光合效率、抗逆能力、产量和质量的影响,为盐碱地中蒙古黄芪生态种植的合理施肥提供理论参考。[方法]以蒙古黄芪种苗为材料,连续两年在内蒙古固阳县的盐碱地上开展了大田试验。试验采用两因素三水平完全设计,两因素为有机肥(O)、海藻酸(A)。3个有机肥施用量为0、1200、2400kg/hm^(2),分别记为O0、O1、O2;3个海藻酸施用浓度为0、1、2 g/L,分别记为A0、A1、A2,共组成9个处理。于蒙古黄芪种苗返青后60天开始测定叶片光合效率参数、抗氧化酶活性和渗透调节物质含量,于蒙古黄芪种苗返青后120天开始测定根系产量、药效成分和重金属含量。[结果]相较于O0处理,O1、O2处理黄芪两年净光合速率(P_(n))、蒸腾速率(T_(r))和气孔导度(G_s)分别提高了13.6%~29.2%、17.0%~32.3%、14.8%~21.2%,过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性分别提高了10.4%~24.0%、9.5%~13.5%、7.5%~29.5%,可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、脯氨酸(Pro)含量分别提高了11.0%~28.8%、22.3%~94.3%、13.2%~61.4%,根系产量提高了3.8%~8.1%,黄芪甲苷(AIV)和毛蕊异黄酮葡萄糖苷(C7G)含量分别提高了7.4%~19.4%、4.5%~22.7%,Pb、Cd、As和Cu含量分别下降了1.4%~16.0%、5.0%~19.5%、5.6%~9.7%、11.5%~35.2%。相较于A0处理,A1处理显著提高了黄芪光合效率、抗氧化酶活性和渗透调节物质含量,提升了根系产量和药效成分含量,Pb、Cd、As、Hg和Cu含量分别降低了12.0%~22.2%、6.9%~17.1%、7.5%~13.3%、7.1%~18.9%、16.1%~21.9%。2022、2023年均以O2A1处理的产量(6887、7153 kg/hm^(2))最高,OOA2处理的产量(6065、6278 kg/hm^(2))最低。2022、2023年O1A1处理的两种药效成分含量最高,AIV含量(0.144%、0.148%)较O2A1提高了5.1%~7.2%,C7G含量(0.059%、0.060%)较O2A1处理提高了5.3%~13.5%。[结论]施用有机肥和适宜浓度的海藻酸均可增强蒙古黄芪的光合效率,提高蒙古黄芪的抗逆能力,进而提高蒙古黄芪的产量和药用品质。以施用有机肥1200 kg/hm^(2)配合喷施浓度为1g/L的海藻酸提升盐碱地蒙古黄芪产量、品质和抗逆能力的效果最佳,且没有引起重金属污染的风险。

蒙古冰草脱水素基因生物信息学识别及表达分析

为挖掘蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)干旱胁迫响应的脱水素基因,本研究在转录组测序数据的基础上,利用生物信息学方法对蒙古冰草脱水素基因进行理化性质、亚细胞定位、保守基序、系统发育进化分析,对不同干旱处理的脱水素基因进行差异表达分析。结果表明:共筛选到6个具有脱水素蛋白保守结构域的蒙古冰草脱水素基因,蛋白大小在81~275个氨基酸残基之间;分子量在0.83~2.75 kD之间;理论等电点在5.14~10.00之间;6个脱水素基因预测均位于细胞核;AmDHNs基因编码的蛋白均包括motif1和motif2;系统进化树发现DN14936_c0_g6,DN18948_c1_g4与已知具有抗旱功能的基因具有较高同源性。qRT-PCR分析与对照(CK)相比5个基因在干旱处理下显著差异表达,1个基因的表达量差异不显著,综合转录组测序数据和qRT-PCR分析表明6个基因的表达量随干旱处理时间延长总体呈上升趋势。本研究可为蒙古冰草抗旱相关脱水素基因的生物学功能验证提供理论基础。

干旱胁迫下海藻活性物质对蒙古黄芪光合作用、生长及品质的影响

为探究干旱胁迫下海藻活性物质对蒙古黄芪[Astragalus membranaceus var.mongholicus(Bunge)P.K.Hsiao]光合作用、生长及品质的影响,以蒙古黄芪种苗为材料,采用两因素裂区盆栽试验,其中干旱胁迫程度(正常水分W0、中度干旱胁迫W1和重度干旱胁迫W2,田间持水量分别为75%~80%、60%~65%和45%~50%)为主因素,海藻活性物质施用浓度(清水B0、中等浓度B1:3 g·L^(-1)和高等浓度B2:6 g·L^(-1))为副因素,测定蒙古黄芪光合作用、抗逆能力、形态特性、内源激素以及药效成分含量等指标。结果表明,随着干旱胁迫程度的加重,蒙古黄芪叶片的光合作用减弱、抗逆能力提高;根系的生长、干物质量的积累和内源激素的分泌受到抑制;根系药效成分含量呈现先增加后降低的趋势。中等浓度的海藻活性物质可以促进不同干旱胁迫程度下蒙古黄芪叶片的光合作用和抗逆能力、根系的生长以及内源激素和药效成分含量的提高,而在重度干旱胁迫下高等浓度的海藻活性物质反而出现了抑制作用。综上所述,中等浓度的海藻活性物质可以促进干旱胁迫下蒙古黄芪的生长和药效成分含量的增加,以W1B1处理的毛蕊异黄酮葡萄糖苷和黄芪甲苷含量最高,分别为0.067%和0.146%。本研究结果为道地产区蒙古黄芪的抗旱栽培提供了理论参考。

与蒙古冰草抗旱相关的NAC转录因子生物信息学及其表达分析

NAC转录因子具有调控植物生长发育及应对非生物逆境胁迫等多种功能。为筛选蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)抗旱相关的NAC转录因子,本研究基于转录组测序数据,利用生物信息学方法对蒙古冰草NAC转录因子的结构、理化性质、进化关系和保守性等进行分析,同时运用实时荧光定量技术对抗旱相关的2个NAC基因进行差异表达分析。结果表明:筛选出26个蒙古冰草NAC家族成员,其中15个具有完整NAC转录因子结构域,其均属于亲水性蛋白,大部分定位于细胞核;15个蒙古冰草NAC转录因子的蛋白磷酸化位点均含有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。进化关系比对显示AmNAC100和AmNAC102-2转录因子与已知有抗旱功能的NAC蛋白同源性极高,其二、三级结构主要以无规则卷曲为主,motif1,2,3,8为其共有的保守基序,多序列比对将保守结构域划分为子域A—E。差异表达分析发现AmNAC100和AmNAC102-2基因相对表达量均高于对照(CK),在蒙古冰草干旱胁迫中起正调控作用。

蒙古冰草ERF转录因子生物信息学及其表达分析

ERF(Ethylene responsive factor)家族是植物中一种重要的转录因子,参与植物生长发育和逆境胁迫响应。为筛选蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)抗旱相关的ERF转录因子,本研究利用生物信息学方法对其理化性质、亚细胞定位、保守基序、进化关系及其二、三级结构进行分析,同时对不同干旱处理下的ERF基因进行表达分析。结果显示:筛选得到18个具有ERF结构特征的蒙古冰草ERF转录因子,蛋白大小在70~404 aa之间,分子质量在7447.54~43654.9之间,理论等电点(PI)在4.53~11.10之间,其中有2个疏水性蛋白,其余均为亲水性蛋白,大部分定位于细胞核。ERF转录因子的二、三级结构以无规则卷曲为主,推测motif1,motif2,motif3为保守基序。进化关系比对发现AmERF053,AmERF1B,AmERF4-1,AmERF4-2与已知具有抗旱功能的蛋白具有较高同源性,且在干旱处理的蒙古冰草中显著差异表达。

蒙古冰草AmWRKY1-like基因克隆及表达分析

基于转录组测序数据,该研究采用PCR扩增方法从蒙古冰草中克隆AmWRKY1-like的全长cDNA,并对其进行了生物信息学和亚细胞定位分析,为深入研究AmWRKY1-like在蒙古冰草干旱胁迫响应中的调控作用提供理论基础。结果发现:成功克隆得到了AmWRKY1-like基因,其开放阅读边框(ORF)为1182 bp、编码393个氨基酸,含有典型的WRKY转录因子保守结构域;qRT-PCR表明,在自然干旱和15%PEG-6000模拟干旱下,蒙古冰草叶片中AmWRKY1-like均可诱导表达,较对照呈下调表达趋势;亚细胞定位表明,AmWRKY1-like基因在细胞核中特异表达。

蒙古冰草GDSL酯酶/脂肪酶基因的序列及表达分析

为挖掘蒙古冰草(Agropyron mongolicum)中的GDSL酯酶/脂肪酶基因,以干旱胁迫下蒙古冰草转录组测序得到的Unigenes为对象,利用生物信息学方法对蒙古冰草GDSL脂肪酶基因进行理化性质、亚细胞定位、同源性以及系统发育进化分析,同时对不同干旱处理条件下的GDSL脂肪酶基因进行表达分析。结果表明:蒙古冰草中52个GDSL脂肪酶基因,蛋白质分子量在6.80~44.77 kU,66~420个氨基酸,pI 4.27~9.42;52个蒙古冰草GDSL脂肪酶基因亚细胞定位预测显示细胞外基质、叶绿体、细胞核、细胞质、细胞膜、细胞壁均有分布;将其与13个已知具有抗旱功能的GDSL脂肪酶基因进行同源性对比及进化树构建,蒙古冰草GDSL脂肪酶基因与水稻、大麦、拟南芥、木豆、大豆、蜡梅、辣椒的GDSL脂肪酶基因均有较高相似性。在干旱处理0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、7.0 d及复水1.0 d,与对照(CK)相比,14个基因呈显著下调表达,38个基因呈现为上调表达。对6个蒙古冰草GDSL脂肪酶蛋白跨膜及信号肽和磷酸化预测结果显示,DN26944_c0_g1属于跨膜蛋白;DN26944_c0_g1、DN14677_c0_g2、DN29240_c0_g2这3个蛋白均含有信号肽,推测其为外分泌蛋白。通过磷酸化位点分析发现DN26944_c0_g1、DN14677_c0_g2、DN29240_c0_g2、DN17531_c0_g6、DN29240_c0_g3、DN20405_c0_g1蛋白磷酸化程度总体不高,其中DN26944_c0_g1最高有34处磷酸位点,DN14677_c0_g2最低有7处磷酸位点。模拟干旱处理下蒙古冰草DN26944_c0_g1、DN14677_c0_g2、DN29240_c0_g2、DN17531_c0_g6、DN29240_c0_g3、DN20405_c0_g1这6个基因的表达量均显著高于对照组(CK),说明这6个酯酶/脂肪酶基因在蒙古冰草干旱胁迫中起正调控作用。

基于RNA-Seq的蒙古冰草bHLH转录因子家族分析

为挖掘蒙古冰草(Agropyron mongolicum)干旱胁迫响应的bHLH基因,本研究在转录组测序数据的基础上,利用生物信息学方法对蒙古冰草bHLH基因进行理化性质、亚细胞定位、保守域及基序、系统发育进化分析,同时对不同干旱处理条件下的bHLH基因进行表达分析。结果表明:筛选得到23个具有完整bHLH保守结构的蒙古冰草转录因子,蛋白大小在87~699 aa之间;分子量在0.98~7.56 kD之间;脂肪族指数和理论等电点分别在54.33~96.96和4.76~9.68之间。23个蒙古冰草bHLH转录因子亚细胞定位预测全部在细胞核中;bHLH基因含2个保守结构域,碱性区含有高度保守序列Glu9、Arg-10、Arg-12、Arg13,螺旋区内Arg-23和Arg-41高度保守。进化树分为两大类:第一类为DN18916_c0_g1、DN23825_c0_g1、DN20889_c1_g1、DN21712_c0_g1、DN25383_c0_g4;另一类为DN16122_c0_g3、DN27532_c1_g3、DN27156_c1_g2、DN211-64_c0_g1、DN22283_c0_g1等;蒙古冰草中筛选出的23个bHLH基因与9个已知具有抗旱功能的bHLH基因具有同源性,推测其参与干旱逆境胁迫响应。有8个基因呈上调表达,7个基因为下调表达,有6个基因在干旱处理条件下表达量存在显著差异。

彩色马铃薯中miR858表达及其花青素含量变化分析

microRNA是植物体内普遍存在的非编码小RNA,广泛参与植物生长发育、代谢调节及多种逆境胁迫响应。研究表明miR858可能是参与植物花青素合成调控的miRNA之一,但其在彩色马铃薯中调控花青素的研究尚未见有报道。本研究对彩色马铃薯不同部位中miR858的表达情况进行研究,同时对其花青素进行测定,以明确miR858与花青素合成间的调控关系。结果表明miR858在3个彩色马铃薯品种不同组织中均有表达,但不同组织的花青素含量与miR858的表达存在品种差异性,其中紫色马铃薯品种‘黑金刚’、‘华颂66号’中miR858的表达情况和花青素的含量呈正相关,红色马铃薯品种‘红美’miR858的表达情况和花青素的含量呈负相关,这可能是马铃薯的品种特异性决定了其花青素调控中基因表达的差异性。

马铃薯MYB转录因子基因的序列分析

MYB基因家族是植物中最大的一类转录因子家族,广泛参与植物的生长发育和代谢调控过程。本研究通过生物信息学方法对美国国立生物技术信息中心(national center for biotechnology information, NCBI)中筛选的16条马铃薯MYB基因进行分析,预测其分子量和等电点等理化性质、基序、二级结构和三级结构,并用MEGA 5.0与已报道具有明确功能的20个MYB蛋白进行多序列比对分析并构建系统进化树。结果表明:马铃薯中筛选出16个的MYB基因蛋白大小在104~379 aa,分子量和等电点分别介于66 877.11~147 918.09 k D和4.95~5.16之间;基序预测得到3个特征基序,最长的基序含50个氨基酸;α-螺旋和无规则卷曲是主要的二级结构,三级结构中都含有螺旋-转角-螺旋结构;进化树分析中,其中StMYB12与SIMYB12同源性高,StMYBA1、St AN1和StMYB113与矮牵牛AN2同源性高,StMYB21与MdMYB1有同源性,推测马铃薯的St MYB12、St MYBA1、StAN2、St AN1、StMYB113和StMYB21可能参与花青素合成代谢调控,这为下一步马铃薯花色素苷合成调控相关MYB基因功能研究提供参考依据。

基于RNA-Seq的彩色马铃薯MYB转录因子家族分析

植物MYB转录因子是功能多样、数量众多的转录因子之一,对植物的生长发育和代谢调控起着极其重要的作用。本研究基于彩色马铃薯块茎转录组测序数据,对彩色马铃薯发育过程中MYB转录因子基因进行筛选,并对其保守结构域、亚细胞定位进行分析;同时利用TMEV软件对其中R2R3-MYB转录因子的差异表达进行分析,并对差异显著的R2R3-MYB转录因子进行功能预测。结果表明,基于转录组测序数据,筛选得到143个彩色马铃薯MYB类转录因子基因,根据结构特征分为4大类:1R-MYB、R2R3-MYB、3R-MYB和4R-MYB;亚细胞定位结果显示,138个MYB转录因子定位于细胞核,4个定位于细胞膜,1个定位细胞质;保守域分析显示,R2R3-MYB类转录因子的保守基序为R2、R3;彩色马铃薯R2R3-MYB转录因子基因在不同时期差异表达,其中上调表达10个、下调表达5个;根据GO富集性分析,共注释到6个和花青素相关的R2R3-MYB转录因子,本研究为下一步彩色马铃薯花青素合成相关MYB基因生物学功能和代谢调控机制的研究提供参考。

紫色马铃薯bHLH转录因子家族基因的鉴定及表达分析

bHLH转录因子家族是第二大转录因子家族,在植物生长发育、花青素生物合成途径的调控、逆境胁迫响应等发挥重要作用。为挖掘马铃薯(Solanum tuberosum)的紫色块茎花青素合成相关的bHLH基因,本研究基于紫色马铃薯转录组测序数据筛选bHLH基因,通过生物信息学方法对其进行序列分析,对bHLH基因在不同时期的表达与功能进行分析与预测,并通过RT-qPCR技术分析花青素合成相关的5个bHLH基因在不同发育时期的表达水平。结果表明:紫色马铃薯中筛选出103个bHLH基因,编码的蛋白大小在129~699 aa,等电点在4.65~9.75,均为亲水性蛋白;碱性区域由15个碱性氨基酸组成,均有高度保守的H5-E9-R12序列(His5-Glu9-Arg12),两个螺旋区内含有高度保守的亮氨酸(L)、精氨酸(R)和缬氨酸(V);基序预测得到2个保守基序,最长的基序含35个氨基酸;有36个bHLH基因在整个生育期呈下调表达、有67个bHLH基因呈上调表达,其中41个bHLH基因在3个发育时期差异表达显著;103个紫色马铃薯bHLH基因与拟南芥(Arabidopsis thaliana)bHLH基因聚类为13个亚族;GO富集分析发现103个bHLH基因广泛参与花青素生物合成、防御反应、生长发育等72项功能,其中参与花青素和类黄酮合成的bHLH基因有5个,其RT-qPCR结果与测序表达一致。