东农1号紫花苜蓿新品种选育报告

以提高蛋白质含量和产草量为育种目标,2000年起东北农业大学草业科学课题组对8个紫花苜蓿品种经过单株选育、混合选择,选育出东农1号紫花苜蓿,2017年通过全国草品种审定委员会审定。2007~2009年品种比较试验结果表明,3年平均干草产量10421.67kg/hm^2,比对照平均提高12.88%;蛋白质含量(初花期)平均达22.15%,比对照品种平均提高9.87%。抗寒性强,越冬率大于94%。该品种品质优良,粗蛋白含量高,耐寒,高产,是适合东北寒区人工草地建植、退化草原改良治理、粮改饲和草田轮作的优质牧草。

东农1号生长素对作物生育和产量的效应

经１９９１～１９９３年的田间试验证明，东农１号生长素对我省多种作物的营养生长和生殖生长均有良好的促进作用．经该调节剂处理后，作物生育期提前，叶面积增大，花荚脱落减少，干物质积累增多，并具有促早熟、增产、改善品质的作用。

小麦在畜牧业中的应用及“东农冬麦1号”的开发利用

我国是世界上最大的小麦生产国,年产小麦超亿吨,产量相对稳定。近几年,小麦因储存时间过长或保管不当,不能用作食用,只能在动物饲料中使用。由于玉米价格变高,因此用小麦代替玉米作为能量饲料越来越常见。经过近几年的试验研究,冬小麦"东农1号"在高寒地区黑龙江种植成功,且种植面积逐年增加。文章介绍了小麦在畜牧业上的应用及高寒地区冬小麦"东农1号"的开发利用。

高寒地区冬小麦东农冬麦1号越冬前的生理生化特性

在北方寒地田间自然条件下,于越冬前不同时期(不同气温)分别对抗寒冬小麦品种东农冬麦1号(返青率大于85%)和非抗寒品种济麦22(返青率小于1%)的叶片、分蘖节和根取样,测定其与抗寒相关的一些生理生化指标。结果表明,东农冬麦1号的可溶性糖、可溶性蛋白质、脯氨酸、叶绿素含量,以及超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性均高于济麦22;组织含水量、相对电导率均低于济麦22,说明东农冬麦1号的抗寒适应性强于济麦22。分蘖节储备抗寒物质的能力最强,是小麦安全越冬中起重要作用的器官。

低温胁迫下东农冬麦1号分蘖节SSH文库的构建及文库中3个基因的表达模式

为揭示高抗寒冬小麦品种东农冬麦1号的抗寒分子机制,在北方寒地自然条件下,于越冬前(5℃)和越冬期(-25℃)分别对分蘖节取样,利用抑制消减杂交技术构建该品种低温胁迫相关基因的cDNA文库。在cDNA文库中随机挑选300个阳性克隆测序,获得230条高质量的表达序列标签(EST)。对该序列进行BLAST比对及功能注释,发现文库中基因组成类型复杂多样,其中应对胁迫的基因(如热激蛋白、CS66、Wcor8等)以及参与编码60S和40S核糖体亚基的基因出现的频率较高,这些基因可能与东农冬麦1号的安全越冬有密切关系。对文库中筛选到的2种未知基因和Clp基因进行荧光定量PCR分析,发现其表达水平随着温度降低而不同程度升高;在弱抗寒性小麦品种济麦22中,这些基因则有不同的表达模式。推测这些基因在抗低温胁迫过程中发挥重要作用。

冬小麦‘东农冬麦1号’成熟胚组织培养及再生体系建立

‘东农冬麦1号’是目前黑龙江省高寒地区首个可越冬冬小麦品种,建立高效稳定组织培养再生体系,对品种改良和功能基因组学研究具有重要意义。研究以‘东农冬麦1号’成熟胚为外植体,探讨培养基类型、接种方式、添加物组合浓度、2,4-D、6-BA和KT浓度等因素对愈伤组织诱导、分化及植株再生影响。结果表明,不同培养基类型对冬小麦成熟胚诱导率影响无显著差异。接种方式对成熟胚愈伤组织分化率影响极显著,胚切伤略带胚乳法>成熟胚刮碎法>完整胚法。诱导培养基附加适量添加物有利于愈伤组织分化,正交试验获得添加物最佳配比为100 mg·L-1谷氨酰胺+0.1 mg·L-1NAA+0.3 g·L-1肌醇+1 g·L-1脯氨酸+0.5 mg·L-1ABA。2,4-D浓度显著影响成熟胚愈伤组织分化率和成苗率,随2,4-D浓度升高,诱导率呈先升高后降低趋势,而分化率和成苗率均下降。分化培养基中6-BA对成苗率影响差异极显著,4 mg·L-1时达到最大;KT对愈伤组织分化要高于6-BA,但对成苗率影响明显低于6-BA。该体系所获冬小麦愈伤组织分化率和成苗率分别可达93.33%和66.64%。

东农冬麦1号TabZIP1基因的生物信息学分析及低温和ABA对其表达模式的影响

为探讨小麦中TabZIP1应答低温胁迫及ABA调控信号的响应机制,以强抗寒性冬小麦品种东农冬麦1号(DN1)和弱抗寒性品种济麦22(JM22)为材料,在大田自然降温条件下,分别于5℃、0℃、-10℃、-25℃取样叶片和分蘖节,通过RT-PCR分析TabZIP1的表达模式,于不同温度下探究ABA对DN1分蘖节TabZIP1表达模式的调控,并对其生物信息学进行分析。结果表明,TabZIP1全长1 167bp,编码388个氨基酸,其表达产物为疏水蛋白,定位于线粒体,无信号肽或跨膜结构域;TabZIP1蛋白二级结构为mixed型。DN1叶片和分蘖节中的TabZIP1表达量均在-10℃时达到最高,且分蘖节中的表达量高于叶片;而JM22分蘖节中的TabZIP1表达量在0℃时达到峰值,叶片中的表达量却在-10℃达到最高。综合分析,DN1分蘖节中的TabZIP1表达量明显高于JM22。ABA处理后,DN1分蘖节中TabZIP1的表达量随温度的降低呈明显升高趋势,在-25℃时达到峰值。可见,ABA正调控TabZIP1的表达,有助于提高冬小麦的抗寒性。

低温胁迫下冬小麦东农冬麦1号分蘖节相关EST-SSR信息分析

利用抑制消减杂交技术构建东农冬麦1号分蘖节低温胁迫相关基因的cDNA正反文库,获得表达序列标签EST(Expressed sequence tag),经分析和前期处理后拼接得到736条非重复序列(Unigenes)。运用生物信息学方法对低温胁迫下诱导的冬小麦东农冬麦1号分蘖节相关EST-SSRs分布频率和碱基重复特点进行归纳分析。结果表明,736条Unigenes共检索到59个EST-SSRs,EST-SSRs出现频率为8.02%。EST-SSRs包括24种重复单元,其主要以三核苷酸和二核苷酸重复基元为主,二者分别占总SSRs 47.46%和44.07%,在EST中出现频率分别为3.80%和3.53%,其中以二核苷酸CA和AG重复基元为主,三核苷酸重复基元以AAC重复基元所占比例最高。为冬小麦EST资源开发和抗寒基因挖掘奠定基础。

低温-干旱交叉胁迫对东农冬麦1号地下茎蛋白表达的影响

为给寒地冬小麦抗逆性的分子育种提供依据，采用蛋白质双向电泳及质谱技术，对不同低温-干旱交叉胁迫下抗寒品种东农冬麦1号地下茎的蛋白质表达进行了比较分析。结果表明，在pH4～7范围内，在东农冬麦1号地下茎蛋白表达图谱中发现25个蛋白点在低温-干旱交叉作用下的表达量与单独低温胁迫下有明显差异，其中9个蛋白点在干旱-低温交叉作用下表达量上调，16个下调。对差异蛋白点进行质谱分析，并通过数据库检索进行蛋白质鉴定，得到完整的肽指纹图谱，其中逆境诱导蛋白占26％，代谢相关蛋白占38％。

冬小麦东农冬麦1号在不同温度下的代谢组学差异分析

为明确东农冬麦1号耐寒越冬的生理机制,对不同温度条件下的东农冬麦1号幼苗分蘖节进行GC-TOF/MS代谢组学检测,并采用SIMCA软件对获得的代谢组学数据进行多元变量模式识别分析。结果表明,对温度变化反应明显的代谢产物有54个,对其进行KEGG分析发现,变化显著的代谢通路为:精氨酸和脯氨酸代谢;甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢;丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸盐代谢;丙酮酸代谢;糖酵解和糖异生以及肌醇磷酸盐代谢。分析不同温度下以上代谢通路中的差异化合物发现,室内培养组中,分蘖节中的γ-氨基丁酸、蔗糖-6-磷酸以及尿素等含量显著提高,使植株保持了较高的氮素含量,揭示了较高温度下(室内)小麦出现徒长的原因。研究结果可为进一步研究冬小麦越冬的生理特性提供新的研究思路。

外源SA与ABA对越冬前后冬小麦‘东农冬麦1号’生理特性的影响

本研究以冬小麦品种‘东农冬麦1号’为试验材料,探究了外源SA和ABA对提高冬小麦抗寒性及羿年返青率的影响。三叶期开始用SA、ABA和(ABA+SA)混合液处理麦苗(水作对照CK)。在5℃、0℃、-10℃、-25℃条件下检测麦苗的形态指标、叶绿素荧光特性、生理生化指标及羿年返青率。结果表明:在不同温度下喷施(ABA+SA)均能有效提高麦苗叶片叶绿素含量、Fv/Fm、ΦPSII、qP值而降低NPQ值;随温度的降低,‘DN1’的相对电导率、MDA含量不断增加;喷施SA、ABA、(ABA+SA)与对照组相比,能够不同程度地提高可溶性糖、可溶性蛋白含量以及降低相对电导率和MDA含量,在-10℃条件下(ABA+SA)处理组较其他处理组效果更显著。在0℃条件下(ABA+SA)处理能够显著增加根长和样品干重。ABA和(ABA+SA)处理均能提高返青率,且(ABA+SA)处理的返青率略高。综上,外施(ABA+SA)混合液处理对于提高冬小麦的抗寒性以及提高返青率效果更好。

冬小麦东农冬麦1号返青后各生育阶段光合生理特性研究

为明确寒地冬小麦返青后各生育阶段光合生理特性对小麦植株生长发育及籽粒形成的影响,以东农冬麦1号为试验材料,对大田种植返青后不同生育阶段小麦叶片光合参数、叶绿素、总可溶性糖和蔗糖含量及籽粒总可溶性糖、蔗糖和淀粉含量等生理指标进行测定分析。结果表明,返青后,随着生育期延长,小麦叶片光合速率、蒸腾速率呈先上升后下降趋势,开花期达到最大值。在开花期之前,气孔导度与胞间CO2浓度均呈上升趋势,光合速率主要受气孔因素影响;开花期后气孔导度与胞间CO2浓度呈相反变化趋势,此时期影响光合速率降低的主要是非气孔因素。叶绿素含量先上升后下降,灌浆期达到最大值;总可溶性糖及蔗糖含量呈下降-上升-下降趋势;籽粒中淀粉含量随总可溶性糖和蔗糖含量的下降而上升。

冬小麦抗寒性的研究进展

抗寒力强是冬小麦能够在严寒地区生长的一个关键因素。由于温度低,积温不够,一般农作物只能一年一熟,土地利用率低,因此提高冬小麦的抗寒性对农业,特别是高寒地区农业生产具有十分重要的意义。文章综述了冬小麦抗寒性的最新研究进展,包括抗寒性的影响因素研究、抗寒性机制研究、抗寒性育种及栽培研究等情况,提出了我国在冬小麦抗寒性研究中的不足及解决办法。

寒地冬小麦对低温逆境的生理适应

冬小麦东农冬麦1号可在黑龙江省高寒地区安全越冬(返青率大于85%),研究其对低温逆境的适应特性对于了解植物的抗寒机制具有重要意义。以东农冬麦1号为试材,测定了大田自然降温(最低温度5℃到-15℃)条件下冬小麦不同器官的抗寒生理指标及3种抗寒基因表达量的变化。结果表明:东农冬麦1号分蘖节中抗寒物质的储备能力强于叶片和根系,并且随温度的降低,分蘖节中可溶性糖、可溶性蛋白、ABA、ZR含量及SOD活性增加明显;抗寒基因wrab17、wcor80和wcor413-like表达量随温度降低而增加,其中wrab17和wcor80在根、叶和分蘖节中均有表达,而wcor413-like只在分蘖节中表达。东农冬麦1号不同器官抗寒基因表达分析结果与其生理指标测定结果一致,均表现为分蘖节对低温逆境的适应能力强于叶片和根系。

外源ABA对低温胁迫下冬小麦细胞膜脂组分及膜透性的影响

为探讨外源ABA对低温胁迫下冬小麦膜质脂肪酸的影响,以强抗寒品种东农冬麦1号和冷敏感品种济麦22为材料,三叶期叶面喷施适宜浓度ABA,大田自然降温条件下,分别于10 d最低温平均4、0、-10、-25℃时取样叶片和分蘖节,测定膜质脂肪酸的含量变化。结果表明,叶片中,两种小麦不饱和指数均呈逐渐下降趋势,其中东农冬麦1号不饱和脂肪酸含量低于济麦22;分蘖节中,东农冬麦1号亚麻酸含量在降温过程中逐渐升高,而棕榈酸含量始终低于济麦22,说明亚麻酸和棕榈酸与冬小麦抗寒性关系密切。外源ABA处理后,两种小麦叶片和分蘖节中的不饱和脂肪酸含量均较未处理高,且东农冬麦1号叶片不饱和指数在零上温度时均大于济麦22,叶片和分蘖节分别于4℃、-25℃达到最大值,其中东农冬麦1号分蘖节不饱和脂肪酸呈逐渐上升趋势、且不饱和指数均高于济麦22,达到差异极显著。外源ABA使两品种小麦电导率、均有不同程度降低,东农冬麦1号MDA降幅大于济麦22,且达到差异显著,表明ABA对强抗寒品种膜脂抗寒性的促进作用大于冷敏感品种。

根际浇灌ABA对冬小麦幼苗抗寒性的影响

为探讨外源ABA调控寒地冬小麦耐受低温胁迫的生理生化机制,试验分别用0、0.1、1、10、100μmol.L-1的ABA对强抗寒冬小麦品种"东农冬麦1号"和弱抗寒品种"济麦22"的三叶期麦苗进行根际浇灌。田间自然降温条件下,分别于日最低温度达0、-10和-25℃时取叶片和分蘖节测定生理生化指标,调查麦苗翌年返青率。结果表明,100μmol.L-1ABA处理显著降低两种小麦叶片和分蘖节中渗透调节物质含量、ABA含量及ABA/GA比值,对东农冬麦1号叶片和分蘖节及济麦22分蘖节GA含量无显著影响,但济麦22叶片中GA含量增加。两品种小麦MDA含量减少,SOD活性显著增加,细胞膜透性增大。10μmol.L-1ABA处理后东农冬麦1号叶片和分蘖节中渗透调节物质含量、ABA含量及ABA/GA比值显著增加,GA含量和MDA含量减少,SOD活性增强。济麦22叶片和分蘖节中可溶性蛋白含量及膜脂过氧化无显著影响,但其叶片和分蘖节可溶性糖含量及分蘖节中ABA含量、ABA/GA比值降低。其他浓度对两种小麦膜脂过氧化及可溶性蛋白含量无显著影响。可见,10μmol.L-1ABA可促进东农冬麦1号抗寒性的提高,而对济麦22效果不显著。

土壤水分含量对小麦越冬期生理特性的影响

为了研究东农冬麦1号抗寒特性,寻找东农冬麦1号越冬最佳土壤水分含量,以冬麦东农冬麦1号、冬麦济麦22和春麦龙麦26三种不同抗寒性小麦品种为材料,从三叶期开始对其进行17%～20%、22%～25%、30%、32%～35%和37%～40%五种不同土壤含水量处理,测定各处理组小麦叶片的生理生化指标变化及返青率。结果表明,随着温度的降低,东农冬麦1号叶片POD和SOD活性、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量及返青率明显高于济麦22和龙麦26,而相对电导率则明显低于济麦22和龙麦26。在22%～25%土壤水分含量处理下,3个小麦品种POD和SOD活性、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量及返青率与其他处理相比处于较高水平,相对电导率最低。

ABA及氟啶酮调控下冬小麦分蘖节抗寒相关蛋白的鉴定与分析

为了研究ABA调控下冬小麦在蛋白质水平上的抗寒分子机制,以强抗寒冬小麦品种东农冬麦1号为材料,在外源ABA及氟啶酮处理后,于大田自然降温至4℃和-25℃时取分蘖节进行蛋白质双向电泳分析。对各处理组的双向电泳结果进行软件分析可知,4℃下得到可匹配的蛋白点587个,-25℃下得到可匹配蛋白点394个。筛选后选择差异显著的24个蛋白点进行质谱分析,经鉴定这些蛋白包括逆境蛋白(WCI16、LTR-Rbps、CORs)、代谢相关蛋白(PGAM、PGK、26sRP、ATPase-β、GST1、GST、GSTF5)、转录翻译相关蛋白(BTFs、eIF4A、eIF5A)和未知蛋白。

冬小麦小RNA高通量测序及生物信息学分析

东农冬麦1号是我国首例可在黑龙江高寒地区种植的强抗寒冬小麦(Triticum aestivum)品种。鉴于分蘖节的耐寒程度直接影响植株的安全越冬,且MicroRNAs是一类生物体内普遍存在的非编码内源小分子RNA,在植物的生长发育和适应胁迫等过程中具有重要作用,该文基于HiSeq深度测序原理,对5°C和–10°C胁迫下的东农冬麦1号分蘖节进行测序,并开展生物信息学分析。结果表明,在5°C文库中有2 229 955条特有小分子RNA序列,并检测到35条已知miRNA,属于30个miRNA家族,其表达丰度介于1–173 810之间;在–10°C文库中有3 721 449条特有小分子RNA序列,并发现29条已知miRNA,属于24个miRNA家族,其表达丰度为1–105 868。靶基因预测结果表明,5°C文库的30个miRNA家族中共预测到53个靶基因。功能分析结果显示,这些基因主要参与转录调节、新陈代谢、胁迫响应和信号转导等过程。已知小麦miRNA的类型和表达丰度在5°C和–10°C两个文库中均有较大差异。

外源ABA及其抑制剂氟啶酮对冬小麦分蘖节抗寒指标的影响

为探讨外源ABA及其抑制剂对冬小麦抗寒性的影响,以强抗寒小麦品种东农冬麦1号为试验材料,于三叶期分别喷施10μmol/L脱落酸(ABA)和50μmol/L的ABA抑制剂氟啶酮,以水处理为对照,分别于4℃、0℃、-10℃和-25℃取小麦分蘖节进行抗寒相关生理指标的测定。结果表明,随着温度的降低,各处理可溶性糖和可溶性蛋白含量先升高后降低,脯氨酸(Pro)和丙二醛(MDA)含量逐渐升高,超氧化物歧化酶(SOD)活性逐渐增强;ABA处理的可溶性糖、可溶性蛋白、Pro含量和SOD活性均高于对照,MDA含量低于对照;氟啶酮处理的各项指标与ABA处理呈相反趋势。说明低温胁迫下,外施ABA可以通过增加植物体内ABA含量,进而增加渗透调节物质含量、提高抗氧化酶活性来提高东农冬麦1号的抗寒性;一定浓度的氟啶酮可作为ABA抑制剂来研究植物的逆境生理。