AsmiR156:沙蓬干旱记忆分子调控网络的潜在枢纽

为探索miRNA-mRNA如何参与沙蓬干旱响应和干旱记忆,选择沙蓬干旱敏感生态型AEX为植物材料,开展3轮干旱-复水循环实验后进行转录组和sRNA测序。分别鉴定出341个和7858个响应干旱胁迫的沙蓬miRNA(DEMIs)和mRNA(DEMs)。DEMI-DEM调控网络构建表明,24个沙蓬DEMIs参与调控1423个DEMs,这些靶基因主要参与细胞分化功能。鉴定出两个干旱记忆miRNA(DMMIs)miR156和miR6173,分别调控11个和6个干旱记忆基因(DMGs)。miR156的靶基因包括3个转录因子(TF)AsRWP-RK、AsC3H11和AsWRKY33;miR6173的靶基因包括两个GST(谷胱甘肽S转移酶)。在先前的研究中,AsC3H11和AsWRKY33作为TF分子开关参与沙蓬干旱记忆分级调控网络,因此,沙蓬miR156可作为“miRNA-转录因子-功能基因”网络的候选枢纽。研究解析了沙蓬干旱响应和干旱记忆的分子调控基础,将为荒漠植物中的抗逆遗传资源开发提供理论依据。

作物的从头驯化:原理、进展及挑战--以野生植物沙米的驯化为例

植物的驯化不仅对世界农业生产具有深远影响,而且显著推进了人类社会物质和精神文明的进步。随着科学技术的不断进步,植物的驯化历程逐渐缩短。尤其是近年来,传统的人工选育和近期发展起来的基因工程技术结合,使得作物从头驯化变得更加容易。从头驯化,通过基因编辑技术,不仅可以使野生物种快速改良成为可以栽培的作物,还可以有效解决作物驯化过程中由于“搭载效应”造成的有害变异积累等问题。因此,从头驯化成为现代作物驯化的主要途径。然而,从头驯化过程中仍然存在许多困难和关键问题需要解决。在此,以沙米(Agriophyllum squarrosum)为例,回顾从头驯化的优势和挑战,结合过去十几年沙米从头驯化的经验和教训,旨在从种群遗传学的角度解释其驯化的策略和进展。首先,通过广泛的群体基因型收集,在较大的有效群体范围内进行同质园实验,最大限度地保留其遗传多样性;其次,通过沙米的表型多样性确定驯化性状;再次,对农艺性状与种源气候因子进行关联分析,选育高品质的驯化品种;最后,通过种群动态模拟,确定沙米大规模种植的适宜地理区域,规范沙米的种植技术,制定适宜的水肥管理条件,并对沙米种质稳定性和对未来气候变化的适应性进行评判。这种策略一方面不仅可以大大缩短从头驯化的时间,还可以避免市场对转基因作物的不认可,为野生植物的从头驯化提供新的研究思路和方法;另一方面,通过对沙漠药食同源植物的从头驯化和推广,不仅可以促进我国西北荒漠区的生态恢复,还可以带动西北荒漠区的绿色经济发展,实现科技扶贫。

半干旱区沙地蒿类植被建成对土壤细菌的影响

半干旱区沙地土壤发育早期依赖固沙植被建成,油蒿和差巴嘎蒿作为我国北方半干旱区沙地半灌木植物群落的主要先锋种和建群种,研究其建成对土壤细菌群落变化的影响对沙质草原生态系统稳定性有重要意义。因此,围绕两个典型的半干旱区(科尔沁沙地和毛乌素沙地),通过高通量测序的方法探讨了蒿类群落生长前后两个阶段(流动沙丘和藓类结皮)的土壤细菌多样性和群落组成变化规律,结果表明:(1)植被建成前后,土壤总碳、总氮、全磷、电导率和含水率均有显著差异,而pH值在不同阶段变化不显著;(2)植被建成前后,土壤细菌多样性变化不显著,但是细菌群落组成在不同阶段具有较大差异。在门类水平上,厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌(Actinobacteria)均是两个阶段的优势菌,但随着蒿类植被建成和土壤养分的积累,厚壁菌门的相对丰度降低,变形菌门和放线菌门的相对丰度增加;(3)两个阶段,不同深度土壤理化性质和优势菌的相对丰度均存在变化;(4)两种典型沙地土壤理化特性和细菌群落在植被建成前后的变化规律存在共性。通过空间代替时间序列的方法,阐明了土壤细菌群落随着半干旱沙地同类型植被建成的变化模式,可为总结半干旱区植被恢复与成土过程的关系提供参考和思路。

半干旱沙地蒿类植被建成过程中土壤理化性质变化规律

半干旱区沙地生态恢复是我国生态文明建设的主战场之一,最近几十年来生态恢复成绩显著,但遗憾的是,之前的研究多局限于通过植被覆盖率和物种丰富度等指标反映生态恢复的效果,而忽视了植被恢复演替早期阶段土壤理化性质变化规律的系统研究。本研究选取了典型的半干旱沙地科尔沁沙地和毛乌素沙地生态恢复早期阶段的建群种油蒿–差巴嘎蒿群落,调查了不同发育程度的生物土壤结皮理化性质的变化规律。结果表明:两沙地中土壤随植被建成下理化性质变化规律为:1) 总碳、总氮、含水率和电导率均表现为藓类结皮 >藻类结皮 >少量物理结皮 >流动沙丘;2) 全磷表现为藓类结皮 >藻类结皮 >流动沙丘 >少量物理结皮;3) pH值从流动沙丘到藓类结皮的整个过程中变化不显著。土壤理化性质随土层深度的变化规律为:1) 总氮和总碳的含量变化分别为发育前期:中层和底层 >表层,发育后期:中层和表层 >底层;2) 电导率和全磷含量则表现为随着深度的增加而逐渐降低。这些结果为我们理解半干旱沙地植被建成过程中的土壤演化规律提供了重要参考。

环境异质性对潜在粮食作物沙米表型变异的影响

沙米(Agriophyllum squarrosum)是广布于我国温带沙漠流动沙丘上的一年生先锋植物,具有很高的生态农业价值.因其长期适应不同沙漠环境的水热异质性,可能造成群体间生态适应表型的遗传分化,然而截止目前,鲜有对其进行系统性研究的报道.本研究运用同质园实验,调查了采集自不同种源的26个沙米群体的生长生殖特征,统计分析了包括植株高度、茎直径、基部分枝长、地上生物量、收获种子重量和种子粒径等重要生态农艺性状的变异模式及其与原产地生态环境因子的关系.结果表明,沙米表型性状呈现出以纬度变异为主的梯度变异模式,除种子粒径外,其他表型呈现出南部群组大于北部群组.南部群组趋向营养生长,而北部群组更倾向生殖生长.利用Canoco软件的RDA分析调查了沙米表型与19个生态气象因子之间的关系,发现北部群组表型与降雨量相关性大,而南部群组表型随温度变化明显,说明不同群组的生长特性与物质分配具有一定的局域适应性和遗传差异,这为理解沙生植物适应环境异质性的生态遗传基础提供了重要数据,同时可为沙米的引种驯化提供重要种质资源和评估方法.

生态分化选择对沙米(Agriophyllum squarrosum)表型多样性的影响

沙米(Agriophyllum squarrosum),又名沙蓬,是广布于中国温带沙漠流动沙丘、半流动沙丘或河岸沙地的固沙先锋植物,具有重要的生态农业价值,也是研究适应性进化的理想材料。为了探讨沙米适应沙漠环境异质性的遗传基础,通过同质园实验,比较分析了采自分布区南部和北部的16个群体的沙米个体的数量性状表型分化、基于ITS序列变异的遗传分化及基于worldclim环境异质性之间的关系。结果发现:与北部群组相比,南部群组表型性状内部差异大,多样性高;通过数量性状差异(QST)与分子遗传差异(FST)组间和组内比较发现,组间和南部群组组内的FST值均高于QST值,表明群体处于稳定的一致选择之中;而北部群组组内QST值均大于FST值,表明存在明显的地方适应性,群体间个体的混合存在远交衰退的风险,因而可以将南部群体移植到北部群体来进行沙米群体的遗传复壮。此外,在南北群组间种子大小和基部枝长的QST值均高于环境异质性分化,说明该表型的本地适应性不能完全被基于温度和降雨量的环境异质性所解释。通过对风力大小与性状的相关性分析发现,冬季最大风速显著影响沙米种子大小,而基部枝长则与7、8月最大风速正相关,说明沙米的表型分化是适应不同风沙环境的结果。这一研究不仅探索出一种评估野生资源对气候变化适应潜力的新方法,同时可为理解潜在粮食作物沙米的表型结构对气候变化的响应提供重要数据,并为野生资源植物的生态适应性遗传机理研究提供范例。

基于UPLC-MS的沙米代谢组学分析

目的：研究沙米地上部分不同组织的代谢物,分析不同组织的差异标志代谢物,挖掘其有效药用活性成分。方法：采用基于UPLC-MS非靶向代谢组学技术对沙米地上组织的药用活性成分进行分析,利用三重四级杆质谱的多反应监测模式（MRM）进行代谢物定量分析,多元统计方法分析沙米地上不同组织差异代谢物。结果：通过代谢组分析共检测到沙米地上组织中的506种代谢物,其中具有药用活性的成分包括黄酮类、生物碱类、多酚类、维生素、萜类、氨基酸等,大部分活性物质在沙米地上组织中含量明显富集,部分代谢物在叶、茎、穗中含量分布存在差异,穗中氨基酸含量显著,叶、茎中黄酮类、多酚类、生物碱类、维生素等次生代谢物含量显著。结论：沙米具有潜在的抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抗菌、降血压、降血脂和保护心脑血管等功能。该研究不仅支持利用沙米地上组织开发新药极具前景,同时还为沙米作为新型中草药资源提供重要数据,推动我国干旱区、半干旱区可持续生态农业和健康产业的发展。

红砂基因组大小变异及物种分化

红砂(Reaurnuria soongarica,柽柳科)是广泛分布于亚洲内陆干旱区温带荒漠的建群灌木,该物种内部经历过分化和杂交事件,是研究荒漠植物多样性发生和杂交物种形成的理想模型。然而,红砂不同群体的倍性水平尚不清楚,制约了对其物种形成机制的深入研究。为了确定红砂不同支系的倍性及基因组大小变异模式,本研究以红砂幼苗根尖为实验材料,以野生番茄(Solanum pimpine llifolium)作为内标物种,利用流式细胞术对分别来自北疆支系及其可能的亲本支系(东部和西部支系)的共8个红砂群体进行了DNA 1C-值测定和分析。结果显示:红砂东部支系的DNA 1C-值(1.149±0.012 pg)略小于西部支系的1C-值(1.195±0.031 pg)。北疆支系中阜康(FK)和沙湾(SW)群体的DNA 1C-值处于东、西支系的1C-值之间,而火烧山(HSS)和五彩城(WCC)群体的1C-值接近东、西支系1C-值的2倍。结合之前的分子标记结果,我们推测北疆支系中阜康和沙湾群体为东、西部支系的同倍体杂交种群,而火烧山和五彩城群体属于异源四倍体杂交种群。不同倍性的北疆群体起源于不同的杂交事件,可以划归为不同的物种。