水稻耐冷胁迫的研究进展

水稻冷胁迫是一个长期威胁着包括中国在内的许多国家的粮食安全的重要问题。本文概述了水稻冷胁迫的危害性、水稻在冷胁迫下产生的生理变化、水稻耐冷胁迫的程度的鉴定方法、水稻上一些耐冷胁迫的遗传机理等方面的内容,并对未来耐冷胁迫研究领域的方向及策略作了展望。

水稻茎秆相关性状遗传分析

本研究以典型的籼粳交（春江06/台中本地1号）F1经花药培养产生的双单倍体（DH）群体为材料,考察了该群体及其双亲的株高、穗颈长、倒三节节间长及节粗。结果表明,株高与穗颈长和各节间长,以及各节间长之间均呈显著的正相关,而各节间长与节间粗不存在显著的相关性;所考察的性状在DH群体中均表现为连续的分布,且有一定数量的超亲个体,呈多基因控制的数量性状特征;QTL分析共检测到30个与株高、穗颈长、倒1、倒2、倒3节节间长和节间粗相关的QTL,它们分布于水稻第1、2、3、4、6、8、9、10和12染色体上,贡献率介于6.3%~29.8%之间;QTL座位的聚合进一步表明,通过不同QTL座位的聚合能调节节间的粗细及株高,以选育茎秆粗壮的耐倒伏材料。

水稻叶鞘相关性状的遗传分析

本研究以典型籼粳交(春江06/台中本地l号)的Fl代花药加倍的DH群体为材料,系统考察了DH群体及其双亲在抽穗期的叶鞘长、叶鞘重、叶鞘厚等性状上的分布情况。结果表明,叶鞘长度的遗传力较高,受环境的影响相对较小,叶鞘长与叶鞘厚及叶鞘干重间大多呈极显著的正相关。QTL分析共检测到31个与叶鞘有关的QTL,分布于水稻第1、第4、第6、第8、第10和第11染色体上,其LOD值介于2.58～4.81,贡献率在7.5%～35.3%之间。其中,位于第4染色体上RM548-RM6997区间是个主效QTL座位,同时调控水稻叶鞘长、干重及叶鞘厚。进一步比较了叶鞘相关性状和业已检测到的部分产量相关性状QTL表明,叶鞘的光合功能或物质运输可能与水稻的产量形成密切相关。

利用日本晴/9311重组自交系群体定位水稻成熟期叶形相关性状QTL

水稻叶片是植株进行光合作用的主要器官，优化其形态指标是水稻高产育种的重要目标之一.以日本晴和9311衍生的重组自交系群体（RIL）为材料，对其上3叶的叶长、叶宽、叶面积及叶片长宽比进行考查及 QTL 定位分析.结果表明，各性状在双亲间存在显著或极显著差异，在群体中呈连续分布，表现为多基因控制的数量性状特征；相关分析表明，不同叶位的叶片叶形性状间呈极显著的正相关性；共检测到上3叶的叶长、叶宽、叶面积及叶片长宽比相关 QTL 42个，它们分布于水稻12条染色体上，贡献率介于4．3％~29．0％，来自9311的增效等位基因的数目和加性效应比来自日本晴的要大；另外还检测到17对上位性位点，其贡献率为3．3％~23．4％；还对剑叶叶长、叶宽和叶面积的增效等位基因进行了聚合比较，增效等位基因的聚合能明显调节水稻剑叶的叶长、叶宽和叶面积大小，对其在常规稻和杂交稻的育种应用前景进行了探讨.

不同氮处理下水稻剑叶叶宽的全基因组关联分析

【目的】探索水稻剑叶叶宽调控及其对氮肥响应的遗传机理,为氮高效水稻新品种的培育提供新的种质资源和基因标记。【方法】以134份水稻地方种质资源为关联分析材料,通过基因组重测序发掘获得了3 356 591个分布于全基因组的高密度SNP位点(single nucleotide polymorphism,SNP)。在大田栽培条件下,以施氮量为主区,品种为裂区的设计,设计低氮(不施氮肥,N0)、正常氮(纯氮96 kg·hm^(-2),N1)和高氮(纯氮192 kg·hm^(-2),N2)3种氮肥处理。于水稻成熟期分别调查水稻剑叶叶宽在低、中、高3种氮肥处理下的表现及响应,结合EMMAX软件计算群体亲缘关系矩阵和EIGENSOFT软件分析群体结构,采用纳入亲缘关系矩阵及群体结构的混合线性模型开展全基因组关联分析。【结果】水稻剑叶叶宽在N0、N1、N2 3种氮肥处理下均呈正态分布,并表现丰富的变异。剑叶叶宽受品种差异及氮水平的影响,且与施氮水平呈显著正相关。在N0、N1、N2氮处理下共检测到14个与剑叶叶宽显著相关的SNP位点。其中,低氮处理下检测到的SNP位点的最小等位基因频率均大于0.46,表明此类SNP在关联群体中广泛存在;中氮和高氮水平下检测到的SNP位点的最小等位基因频率均较小,是一类较为稀有的SNP位点。位于第12染色体上的一个SNP(chr12:15 066 507)位点在正常氮及高氮处理下均被检测到,在高氮处理下还检测到的另一显著性位点,其候选区间内包含一候选基因LOC_Os12g25660,该基因与业已报道的叶宽性状相关基因Os BR6ox同属于细胞色素P450家族。根据不同氮处理下剑叶叶宽的响应,鉴定出20与低氮响应有关的SNP位点,8个位点与高氮响应有关。其中与高氮响应的显著性位点中,位于第1染色体显著性峰候选区间包含业已克隆的与氮素利用相关的基因OsATG7。【结论】通过全基因组关联分析共检测到42个与剑叶叶宽及其在不同氮处理下叶宽响应相关的显著性关联位点。

外源谷氨酸对杨树耐旱性的影响

[目的]谷氨酸(Glu)是植物体内普遍存在的氨基酸,在氨基酸代谢过程中发挥着重要的作用。本研究以银腺杨84K(Populus alba×P.glandulosa‘84K’)为材料,分析外源施加谷氨酸对杨树干旱胁迫下的影响,探讨其在林木响应干旱中的作用,为揭示谷氨酸在林木抗逆性中的作用机制提供参考。[方法]以生长2个月的84K杨为供试材料,分别进行谷氨酸处理后干旱试验和干旱复水试验,观察植株表型,并对叶片含水量、电解质渗透率、谷氨酸含量、渗透调节物质、活性氧含量及活性氧清除酶(CAT、POD和SOD)活性等指标进行分析。[结果]干旱试验表明:谷氨酸处理植株与正常植株相比,显著提高了植物的耐旱能力。经谷氨酸处理的叶片相对含水量增加30.3%、电解质渗透率降低54.0%、谷氨酸含量增加了1.85倍;脯氨酸含量增加33.1%、脯氨酸合成相关基因P5CS、P5CR和P5CDH表达显著升高,分别是对照的2.47倍、2.57倍和8.89倍,而脯氨酸降解基因PDH表达量降低了48.8%。另外,处理后的植株能维持较高的CAT、POD和SOD酶活水平,分别是正常植株的1.67倍、1.35倍、1.17倍,导致过氧化氢含量减少了19.3%。干旱复水试验表明,谷氨酸显著增强了干旱植株的恢复能力。谷氨酸溶液处理植株的叶片相对含水量比未处理植株提高1.08倍,电解质渗透率减少12.1%,脯氨酸含量提高1.09倍,CAT活性和POD活性分别增加了19.0%和62.9%,过氧化氢含量降低31.2%。[结论]外源施加谷氨酸可以提高84K杨叶片谷氨酸含量、诱导脯氨酸合成积累、降低电解质渗透率,减轻干旱胁迫引起的氧化损伤,进而有效缓解植株叶片所受水分胁迫,降低植株对干旱的敏感性。因此,通过外源施加谷氨酸可提高抗氧化能力和渗透调节能力,以提高84K杨在干旱环境下的适应能力,这对揭示谷氨酸在非生物胁迫中的作用起到参考价值。

兰香草的组织培养与快速繁殖

1植物名称 兰香草[Caryopteris incana（Thunb．）Miq．]。 2材料类别 茎段。 3培养条件 以MS为基本培养基。芽诱导培养基：（1）MS＋6-BA0．5mg·L^-1（单位下同）＋IBA0．2；（2）MS＋6-BA1．0＋IBA0．2。

水稻淡绿叶基因PGL11的鉴定与精细定位

【目的】叶片是水稻进行光合作用的主要场所,叶片颜色的变化与水稻的生长发育直接相关。发掘水稻叶色突变体,是水稻功能基因组学研究的重要遗传基础。【方法】利用EMS诱变日本晴获得一个能稳定遗传的淡绿叶突变体,暂命名为pgl11(pale green leaf 11)。在不同生育期测定野生型与突变体的叶绿素含量。在苗期,取野生型与突变体叶片进行叶绿体结构的透射电镜观察。在分蘖期,测定野生型与突变体的光合参数并观察气孔结构。在成熟期,测定野生型和pgl11的主要农艺性状。以pgl11为母本,南京6号为父本构建相应的F2群体,采用图位克隆的方法,对该基因进行定位。【结果】从苗期开始,突变体pgl11的每一片新叶均表现为淡绿色,叶绿素含量显著降低,叶绿体发育异常。随着叶片的生长,叶色由淡绿逐渐转绿,至抽穗期时叶绿素含量亦无明显差异。pgl11还表现光合速率、气孔导度明显下降,胞间CO_2浓度上升。扫描电镜观察发现,突变体pgl11的气孔发育异常。与野生型相比,突变体的农艺性状如株高、剑叶宽、二次枝梗数、每穗粒数、粒长、粒宽、千粒重以及结实率等均显著降低。对叶绿素合成、光合作用以及质体发育相关基因的表达量测定表明,突变体pgl11中参与叶绿体转录和翻译相关基因的表达量显著升高,而叶绿素合成和光合作用相关基因的表达量显著下降。遗传分析表明,该突变表型受一对隐性核基因控制。通过图位克隆的方法将该基因定位于第1染色体上的C6和C8标记之间,物理距离约为110 kb。【结论】该定位区间内未见有叶色相关基因报道,推测PGL11基因可能是一个新的水稻叶色基因。

S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因对银腺杨84K抗旱性的影响

【目的】多胺广泛存在于植物体内,参与调节植物发育过程以及胁迫响应,S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SAMDC)是多胺合成途径的关键限速酶。本研究以SAMDC转基因银腺杨84K为材料,分析在干旱胁迫下SAMDC对杨树生长的影响,探讨SAMDC在林木响应干旱中的作用,为揭示多胺在杨树抗逆性方面的作用提供参考。【方法】以生长3个月的银腺杨84K及其PagSAMDC4a过表达转基因株系的土培苗为试验材料进行干旱处理,观察植株表型,并对多胺含量、H2O_(2)含量、叶片相对含水量、叶片失水率、电解质渗透率等生理指标进行分析。【结果】PagSAMDC4a过表达银腺杨84K株系PagSAMDC4a-OE#3、PagSAMDC4a-OE#15、PagSAMDC4a-OE#17的内源亚精胺、精胺含量都显著高于未转基因植株,且PagSAMDC4a-OE#17株系内源腐胺、亚精胺、精胺含量分别是未转基因植株的1.95、3.43、1.32倍。正常条件下,过表达PagSAMDC4a植株的叶片表型、叶片相对含水量和电解质渗透率与未转基因植株无显著差异,而过表达株系PagSAMDC4a-OE#15和PagSAMDC4a-OE#17的叶片失水率显著低于未转基因植株。在干旱胁迫下,未转基因银腺杨84K叶片萎蔫,相对含水量比正常情况下降低26.44%,电解质渗透率升高27.68%,而PagSAMDC4a-OE#3、PagSAMDC4a-OE#15、PagSAMDC4a-OE#17植株叶片生长正常,相对含水量比正常条件下分别降低了10.9%、3.66%、1.33%,电解质渗透率较低、变化幅度较小。与未转基因植株相比,过表达PagSAMDC4a的转基因植株正常条件下H2O_(2)含量显著降低;在干旱胁迫后,H2O_(2)含量虽有增加但幅度显著低于未转基因植株,H2O_(2)含量由高到低为未转基因植株>PagSAMDC4a-OE#3>PagSAMDC4a-OE#15>PagSAMDC4a-OE#17。【结论】PagSAMDC4a可以调控银腺杨84K内源多胺含量,过表达PagSAMDC4a基因使植株内源多胺含量升高、H2O_(2)含量降低,减轻干旱胁迫引起的氧化损伤,进而有效缓解植株叶片所受水分胁迫,从而降低植株对干旱的敏感性。因此,可以通过调控SAMDC4a过表达影响内源多胺水平的变化从而调控干旱胁迫适应过程。

银腺杨84K茎段瞬时转化体系的建立

【目的】我国需要大量人工林来满足木材需求,而速生林的木材品质有待改良。研究木材形成的基因调控是材性改良的基础。为加速鉴定木材形成相关基因的研究,建立一种快速、便捷、高效的瞬时转化体系尤为重要。【方法】采用显微切片,观察1年生银腺杨84K休眠茎段水培下的形成层活动规律;以其作为瞬时转化受体,增强型绿色荧光蛋白(eYGFP)作为报告基因,构建表达载体,采用农杆菌介导真空渗透侵染方法进行84K茎段的瞬时转化。并通过L9(34)正交试验对农杆菌GV3101侵染浓度、真空渗透侵染时间、真空渗透侵染次数及侵染后培养时间进行优化。【结果】银腺杨84K 1年生枝条室温水培条件下可以解除休眠,形成层在水培15天左右活动已比较旺盛,并出现新分化的导管。培养约30天,木质部大量积累。这说明枝条经1个月时间可以完成形成层的分化、木质部的形成等木材形成的全过程。从形态上观察,形成层、木质部和韧皮部的生长发育过程与正常树木没有差异。采用农杆菌介导真空渗透侵染方法,茎段及切片在激发光下可在形成层区域观察到绿色荧光,说明茎段转化成功。进一步通过正交试验分析,表明4个转化条件对转化率的影响依次为:侵染后水培天数>真空渗透侵染时间>菌液浓度>真空渗透侵染次数。农杆菌介导真空渗透瞬时转化银腺杨84K茎段的最优组合是农杆菌重悬液浓度OD600为0.9、真空渗透侵染20 min、真空渗透侵染2次、侵染后水培15天。【结论】建立了农杆菌介导的银腺杨84K茎段真空渗透侵染瞬时转化体系。这一体系可快速鉴定参与维管组织分化相关基因的功能,有助于揭示木质部发育的调控机制。同时该方法也可为研究其他木本植物的木材形成相关基因提供借鉴。

水稻小粒基因SG101的鉴定和精细定位

【目的】籽粒大小是决定水稻产量的重要农艺性状之一,开展水稻籽粒大小相关基因的克隆和功能研究对于阐述水稻产量形成的遗传调控机制具有重要意义。【方法】利用甲基磺酸乙酯诱变粳稻品种中花11,筛选获得一小粒突变体,命名为sg101(small grain 101)。通过形态学、细胞学手段调查了SG101的突变对籽粒大小、穗部主要性状及颖壳细胞数目和大小的影响,通过测定叶夹角和胚芽鞘长度分析其对外施油菜素内酯的差异响应,结合定量PCR技术分析了油菜素内酯合成途径和信号途径相关基因表达情况,并利用图位克隆的手段精细定位了水稻小粒基因SG101。【结果】与野生型相比,突变体sg101粒长和粒宽均极显著减小,从而导致千粒重极显著降低。此外,sg101还表现出结实率降低、穗长变短、二次枝梗数减少、植株变矮等。细胞学观察发现sg101的颖壳细胞大小没有改变,但细胞数目明显减少。定量PCR检测表明sg101中的细胞周期相关基因表达显著下降。另外,突变体sg101对外施油菜素内酯响应迟钝,其油菜素内酯合成途径和信号途径相关基因表达亦显著降低。【结论】遗传分析表明sg101突变体由隐性单基因控制,通过图位克隆的方法将SG101精细定位于第1染色体上,物理距离为265 kb的区间内。这为该基因的克隆及深入的功能研究奠定了基础。

84K杨PagMSBP1/2a基因对木质素合成的影响

【目的】膜类固醇结合蛋白(MSBP)是一类定位在细胞质膜上的类固醇受体蛋白,通过响应激素调节信号、参与类固醇代谢影响植物生长发育过程。研究杨树MSBP对生长发育过程的影响,尤其是对木材形成过程的作用,为杨树木材品质改良提供支撑。【方法】以拟南芥MSBP1蛋白序列在毛果杨、银腺杨84K基因组中进行同源序列比对,获取杨树MSBP的核苷酸和氨基酸序列,构建系统进化树并绘制基因结构图谱;利用qPCR分析杨树MSBP基因在84K杨顶芽、根、茎、叶中的相对表达量;在AspWood表达谱数据中分析同源基因在木材形成中的表达模式;构建35 S∷GFP-PagMSBP1/2a植物表达载体,通过农杆菌介导瞬时转化烟草叶片,激光共聚焦显微镜观察其亚细胞定位情况;构建35 S∷PagMSBP1/2a植物表达载体,利用农杆菌介导的叶盘法转化84K杨,通过震荡切片观察转基因和对照植株茎段木质部差异;采用乙酰溴法和间苯三酚染色法,分析转基因和对照植株的木质素含量以及木质素在杨树茎段维管组织中的分布。【结果】同源比对鉴定出杨树7个MSBP成员,根据进化关系和基因结构对杨树基因进行命名,其中与AtMSBP1、AtMSBP2同源基因分别命名为PtMSBP1/2a、PtMSBP1/2b和PtMSBP1/2c,PtMSBP1/2a与AtMSBP1同源性最高;qPCR结果显示,在根、茎和叶中3个基因均有表达,PagMSBP1/2c的表达量显著低于其他2个基因,PagMSBP1/2a在木质化程度高的老茎(6~8节间)中表达量最高,均为木质化低的幼茎(1~3节间)的6倍,与AspWood数据库所显示的PtMSBP1/2a在木材形成过程中表达量较高且在木质部高表达一致。克隆84K杨的MSBP1/2a(PagMSBP1/2a),其编码的蛋白在N端含有跨膜结构域,亚细胞定位分析表明PagMSBP1/2a定位于内质网膜。构建PagMSBP1/2a超表达载体,通过农杆菌介导的叶盘法转化84K杨树获得转基因植株,转基因植株生长变缓,株高矮于对照;PagMSBP1/2a过表达的植株木质素含量显著低于未转基因对照,乙酰溴可溶性木质素含量降低高达34.6%。【结论】杨树PagMSBP1/2a是定位在内质网膜上的类固醇受体蛋白,参与调控杨树木材形成过程中木质素的生物合成过程,可作为靶基因进行木质素含量调控。

过氧化物酶基因PagPRX19对银腺杨‘84K’耐盐性的影响

【目的】盐害作为影响植物生长发育的非生物胁迫因子,严重威胁林木生长。在受到盐胁迫时,植物内源活性氧(ROS)水平增加,造成氧化胁迫,影响植株正常生长发育。因此,可通过增强过氧化物酶PRX家族成员表达水平,改变ROS水平,以增强杨树Populus耐盐能力,揭示PRX成员参与调控杨树盐胁迫响应的机制。【方法】以银腺杨‘84K’Populus alba×P. glandulosa ‘84K’为材料,生物信息学分析选取PRX家族成员PagPRX19进行克隆并构建过表达载体,农杆菌Agrobacterium tumefaciens介导叶盘转化法获得过表达植株。以银腺杨‘84K’ PagPRX19过表达植株生长45 d的组培苗和生长2个月的土培苗为实验材料,进行盐胁迫处理,以非转基因植株为对照。观察植株表型,检测脯氨酸、丙二醛、电解质渗透率等生理指标并进行分析。【结果】(1)克隆了PagPRX19基因,构建过表达载体,获得转基因阳性植株。经分子鉴定选取2个过表达株系OE#1和OE#2为实验材料做后续分析。(2)与对照相比,过表达植株株高下降,地径增加。(3)盐胁迫处理下,过表达植株相较于对照表现为叶片皱缩以及植株生长受到抑制程度低,组培苗的盐胁迫处理表现为相似结果。(4)转基因植株的ROS水平降低,而且在盐胁迫下过表达植株叶片和根的ROS仍保持较对照低的水平。盐胁迫下过表达植株较对照脯氨酸增加,叶片持水能力增强,丙二醛和电解质渗透率降低。从生理方面显示转基因植株具有较高的耐盐能力。【结论】过表达PagPRX19可降低盐胁迫下杨树转基因植株的ROS水平,缓解氧化胁迫,增强了植株耐盐性。图11参23。

水稻早衰叶突变体es-t的遗传分析与精细定位

突变体es-t是经EMS诱变处理日本晴后筛选获得的,该突变体主要表现为叶片从苗期开始黄化,叶绿素含量显著降低,随着其生长发育发黄的叶片伴有铁锈色的小斑点,尤以叶尖和叶缘为甚,表现严重的早衰现象,故将之命名为es-t(early senescence-temporary).扫描电子显微镜显示,突变体叶片表面比野生型的光滑,且气孔周围缺乏硅质化突起;另外,突变体的叶绿体发育不正常,含有大量大颗粒的淀粉粒;组织切片则显示突变体的厚壁细胞及维管束的发育表现异常.遗传分析表明,es-t为新发现的早衰突变体,受一隐性基因控制,借助图位克隆的手段将之定位于42.1kb的物理区间内,为进一步克隆该基因并阐明叶片早衰的分子机制奠定基础.