普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)AOX基因家族鉴定与表达分析

交替氧化酶(Alternative oxidase,AOX)是一种末端氧化酶,在维持植物正常生长代谢速率和代谢平衡以及抵御逆境胁迫中发挥了一定作用。AOX家族成员已经在很多植物物种中被鉴定,但是在普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)中却未见报道。研究对普通菜豆中AOX家族成员进行了鉴定和分析,并进一步解析了AOX基因家族成员的功能及调控机制。结果表明,基于普通菜豆参考基因组中共挖掘得到了4个AOX家族成员,通过进化关系、保守基序(Motifs)、基因结构分析,将各成员划分成4个亚族。此外,顺式作用元件、共线性与盐胁迫下的表达量分析结果表明,AOX成员可能在植物的非生物胁迫响应中发挥了作用。为后续深入研究普通菜豆中AOX成员的功能奠定了理论基础。

普通菜豆新品种中芸10号

中芸10号是中国农业科学院作物科学研究所2016年通过杂交、单粒传选育而成的普通菜豆新品种,具有高产、抗病、适应性广、适宜机械化收获等特点。2022年8月通过中国作物学会品种鉴定,鉴定编号:国品鉴普通菜豆2022002。2023年5月获得植物新品种权,品种权号:CNA20211006000。对中芸10号的特征特性、产量表现和栽培技术要点等进行了介绍。

普通菜豆遗传育种研究进展

为了加强对普通菜豆种质资源的了解,为菜豆种质资源研究利用及创新奠定基础,对普通菜豆种质资源的起源及传播情况进行了介绍,并分别从收集保存、性状遗传规律研究及品种选育等方面综述菜豆种质资源研究进展;最后,指出应加强外来种质资源的收集,并结合现代生物技术对已搜集的种质资源进行深入研究与创新。

普通菜豆种质资源芽期抗旱性鉴定

干旱是影响我国普通菜豆生产的主要因素之一,筛选芽期抗旱性种质资源,培育抗旱品种,有利于提高普通菜豆品种的出苗率和幼苗长势,对发展我国普通菜豆生产具有重要意义。本研究以4份普通菜豆种质为材料,检测了不同渗透势PEG6000溶液模拟旱胁迫下的发芽率和发芽势,确定了PEG6000溶液最适渗透势为-0.7 MPa(浓度为19.6%);以-0.7 MPa的PEG6000溶液对121份普通菜豆种质进行芽期模拟旱胁迫,测定发芽率、发芽势、下胚轴长、胚根长、干重和鲜重等10项指标;通过主成分分析筛选出相对发芽率、相对发芽势、相对鲜重、相对干重、相对胚根长、相对总芽长、相对胚根/下胚轴比、相对发芽指数、相对活力指数等9项指标可以有效评价普通菜豆的芽期抗旱性;利用隶属函数分析法对121份种质的芽期抗旱性进行综合评价,筛选出跃进豆(F0000156)、白扁豆(F0000613)等芽期抗旱性种质,为普通菜豆抗旱生理与机制研究、抗旱育种奠定了基础。

普通菜豆品种苗期抗旱性鉴定

以不同来源的普通菜豆品种为材料,采用盆栽法,设正常供水和反复干旱2种处理,测定11项生理指标,采用灰色关联度理论进行苗期抗旱性指标筛选,通过加权抗旱指数(weighted drought-resistance index,WDI值)和抗旱度量值D(drought resistance comprehensive evaluation values,D值)对供试材料进行抗旱性综合评价并通过聚类分析划分抗旱等级。结果表明,不同指标与综合抗旱指数的关联度大小依次为叶片相对含水量(0.7726)、PSII最大量子产量(0.7607)、叶绿素含量(0.7435)、反复干旱存活率(0.7341)、生物量(0.7329)、茎叶干重(0.7314)、根干重(0.7192)、气孔导度(0.7159)、根冠比(0.7092)、株高(0.7086)、叶面积(0.6910)。基于加权抗旱指数和抗旱度量值D的评价结果存在一定差异,但不同材料的抗旱性排序大体一致。根据抗旱度量值D将供试材料分为高抗、中抗、敏感和高敏感4个级别,各占总数的10%、6%、58%和26%。综上所述,叶片相对含水量、PSII最大量子产量和叶绿素含量等10项指标可用于普通菜豆苗期抗旱性综合评价;加权抗旱指数与抗旱度量值D两种综合指标相结合能够提高鉴定结果的可靠性;50个参试普通菜豆品种中,白金德利豆、跃进豆、兔子腿、圆白菜豆和260205抗旱性强。

以SSR标记对普通菜豆抗炭疽病基因定位

由菜豆炭疽菌引起的菜豆炭疽病是危害我国菜豆生产的主要病害之一,鉴定和发掘新的抗病基因对于菜豆抗病育种具有十分重要的意义。以来自安第斯基因库的我国菜豆抗炭疽病地方品种红花芸豆与感病地方品种京豆杂交的F2群体为试验材料,通过人工接种菜豆炭疽菌81号小种进行抗病性鉴定,发现该分离群体中抗病植株数与感病植株数符合3:1的分离比例,确定红花芸豆对菜豆炭疽菌81号小种的抗性由显性单基因控制,将此基因命名为Co-F2533。用分离群体分组分析法(BSA)和微卫星多态性分析(SSR)技术对红花芸豆中的抗炭疽病基因进行分子标记鉴定,用Mapmaker3.0计算标记与目的基因间的遗传距离,发现B6连锁群上的4个SSR标记BM170、Clon1429、BMD37、Clon410与抗炭疽病基因Co-F2533连锁,遗传距离分别为6.6、18.4、20.9和30.9cM,这些SSR标记与Co-F2533基因在B6连锁群上的排列顺序为Clon1429-Co-F2533-BM170-BMD37-Clon410。根据基因所在连锁群的位置、抗病基因的基因库来源可知Co-F2533是一个新的来源于安第斯基因库的抗炭疽病基因。

普通菜豆抗旱生理特性

采用盆栽试验,以抗旱性较好的品种跃进豆、260205和敏感品种奶花芸豆为试材,设置干旱和正常供水2种处理,测定产量、产量构成因素及相关生理生化指标,分析干旱胁迫下参试品种各性状及生理指标的变化及对干旱胁迫的生理响应。结果表明,干旱处理36 d,跃进豆和260205的根干重为总生物量的20.2%和20.6%,荚干重为总生物量的30.0%和28.9%,而奶花芸豆的根干重和荚干重仅为总生物量的10.6%和17.1%,光合产物向根系和籽粒的有效分配与普通菜豆抗旱性关系密切;跃进豆在干旱胁迫后期的水分利用效率较对照增加230.5%,而奶花芸豆的增幅仅为84.3%,较高的水分利用效率有利于CO2的有效扩散和高效固定;其他生理特性分析表明,抗氧化酶与光呼吸共同作用有效降低了膜脂过氧化程度,减少了叶片的损伤;脯氨酸和可溶性糖是普通菜豆主要的渗透调节物质,能够较好地保持自身叶片的水分平衡。普通菜豆抗旱性是多种生理调节机制协同作用的结果,主要包括形态调节、气孔调节、渗透调节以及抗氧化能力的调节等。

普通菜豆PvP5CS2基因对逆境胁迫的应答

为了探索逆境条件下脯氨酸积累的分子遗传机理,改善作物的抗逆能力,应用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术和水杨酸法分别检测干旱、高盐(200mmol L-1NaCl)和冷(4℃)胁迫条件下普通菜豆幼苗叶和根中脯氨酸合成酶基因PvP5CS2表达量和脯氨酸含量的变化。结果显示,3种胁迫条件下普通菜豆幼苗叶和根中PvP5CS2的转录水平快速上升,干旱处理4d,叶中PvP5CS2表达量达到最大值;高盐处理下,叶和根中PvP5CS2的表达高峰分别出现在2h和6h;冷胁迫下,叶和根中的表达高峰都出现在2h;随着胁迫时间的延长,PvP5CS2基因的转录水平逐渐下降。普通菜豆在逆境胁迫下,幼苗叶和根中脯氨酸大量积累,积累高峰出现在PvP5CS2基因表达高峰之后。这些结果说明,PvP5CS2基因的表达受干旱、高盐和冷胁迫诱导,脯氨酸积累受PvP5CS2基因转录水平的调控。PvP5CS2基因在洋葱表皮细胞中的瞬时表达结果显示PvP5CS2蛋白定位在细胞核和膜上。

普通菜豆基因组SSR标记开发及在豇豆和小豆中的通用性分析

分子标记具种属间通用性可提高其利用效率,并降低标记开发成本。本研究基于Roche 454超高通量测序技术获得普通菜豆基因组测序结果,共开发了560个普通菜豆基因组SSR标记。利用2份普通菜豆品种对标记进行初步筛选,有421个标记能够有效扩增。用新开发的标记分析16份豇豆和16份小豆的通用性。结果显示,185个普通菜豆基因组SSR标记在豇豆中能有效扩增,通用性比率为43.9%;161个SSR标记在小豆中能有效扩增,通用性比率为38.2%;在豇豆和小豆中都能获得有效扩增条带的标记共138个;并且普通菜豆基因序列SSR标记在豇豆和小豆中的通用性比率高于基因间序列SSR标记。通用性标记的多态性分析表明,豇豆和小豆的多态性比率分别为34.0%和24.8%;且豇豆和小豆中基因间标记的多态性都比基因内标记的多态性高。上述通用性标记为豇豆属作物的多样性评价、连锁图谱的构建及基因定位等方面的研究提供了便利。

基于农艺性状的山西普通菜豆初级核心种质构建

利用663份山西省普通菜豆资源基于14个农艺性状,采用比较不同分组原则、取样比例和总体取样量不同组合的取样方法,确定了"地理来源+平方根比例+20%总体取样量"为山西省初级核心种质构建的方法。同时,在此基础上对663份资源中一些具有极端性状的资源进行选择,最终确定152份普通菜豆可作为山西省普通菜豆初级核心种质。通过总体与初级核心种质资源多样性分析,数量性状均值比较,数量性状极值、变幅和标准差比较,性状多样性的差异性分析和各性状总体分布的χ2检验,最终得出:152份普通菜豆资源能够代表山西省普通菜豆资源的总体,可作为山西省普通菜豆评价和创新利用的优先样品集。

普通菜豆种质资源不同环境下表型差异及生态适应性评价

2014—2015年在黑龙江哈尔滨、河南南阳、贵州毕节和海南乐东,对686份普通菜豆种质资源的表型鉴定,旨在明确不同环境下普通菜豆种质资源的12个表型变异及生态适应性,遴选特异资源,提高繁种及种质创新的效率。结果表明,乐东是南美洲普通菜豆种质资源良好的繁育基地,而毕节是国内普通菜豆种质资源较好的繁育基地。参试群体内不同的种质资源间表型差异明显,4个试点平均各性状变异系数介于8.11%~70.83%之间,其中株高的差异最大,变异系数为70.83%。百粒重的遗传力最大,为0.73;遗传力最小的性状是播种至开花时间,仅为0.01。性状间的相关性及通径分析表明,单株荚数对单株产量的贡献最大。遴选出具有矮秆、大粒、早熟等特性的种质218份,其中,9份同时具有3种特异性状,53份同时具有2种特异性状。

普通菜豆种质资源表型鉴定及多样性分析

对646份普通菜豆核心种质在贵州毕节进行了表型鉴定,结果表明,普通菜豆具有丰富的形态性状多样性。总变异数为367,平均遗传丰富度为8.34,变异范围2-31;遗传多样性指数为0.63,变异范围为0.02-0.91。通过多变量的主成分分析,前3个主成分的贡献率较大,分别为17.73%、15.35%和11.33%。依据表型鉴定数据信息,将供试种质聚类并划分为4组。Ⅰ组的遗传多样性较高,主要为直立有限的大粒资源,大多资源属于安第斯基因库;Ⅱ组的遗传多样性最低,为直立无限生长习性的小粒资源,属于中美基因库;Ⅲ组的遗传多样性最高,主要以蔓生无限为主,包括小部分直立无限和匍匐无限的资源;Ⅳ组的遗传多样性较低,为蔓生无限生长习性、株高最高、分枝数最少的资源。筛选到大粒、多荚、长荚、宽荚等具有特异性状的种质资源35份。

普通菜豆抗炭疽病基因SCAR标记鉴定

利用12个菜豆品种（鉴别寄主）评价了7个抗炭疽病基因SCAR标记的可靠性和实用性，其中SBB141150/1050标记引物扩增没有特异性，SAS13950没有扩增带。用5个可靠的菜豆抗炭疽病基因SCAR标记（SCAreoli1000、SH181100、SAB3400、SB12350和SCF101072），对127份普通菜豆抗炭疽病品种进行抗炭疽病基因分子标记鉴定，82份未检测到SCAR标记，45份分别含有1～3个SCAR标记；检测到SCAR标记的资源中，13份含有SCAreoli1000标记，13份含有SH181100标记，5份含有SAB3400标记，9份含有SB12350标记，11份含有SCF101072标记。分析表明抗病品种含有的抗病基因标记与品种来源存在相关性。

菜豆炭疽菌生理小种鉴定及普通菜豆种质的抗性评价

对来源于黑龙江、吉林、内蒙古、河北、云南等8个省(市)的15个菜豆炭疽菌分离物进行生理小种鉴定,鉴别出5个菜豆炭疽菌生理小种,其中81号小种出现的频率高达67%,是中国的优势小种。用81号小种对181份菜豆进行抗性鉴定,发现高抗材料2份,抗病材料43份,高感材料33份,说明我国菜豆种质资源对炭疽菌81号小种抗感差异显著,抗病资源丰富。

利用分子标记定位普通菜豆抗炭疽病基因

为了定位中国普通菜豆的抗炭疽病基因,选取抗炭疽病地方品种红芸豆(国家库编号F2322)与高感菜豆品种京豆(国家库编号F0777)配制杂交组合,构建F2抗感分离群体和F2:3家系,用菜豆炭疽菌81号生理小种鉴定抗病性并分析遗传性。结果表明,红芸豆对菜豆炭疽菌81号小种的抗性是由一显性单基因控制的,暂将该基因命名为Co-F2322。用分离群体分组分析法(BSA)和SSR、CAPs分子标记技术,将该基因定位在B1连锁群上,利用软件Mapmaker 3.0和Mapchart 3.0计算标记与目的基因间的遗传距离,检测到3个SSR标记BMc32、C871、Pvm98和2个CAPs标记g1224、g683与抗炭疽病基因连锁,遗传距离分别为26.06、3.58、13.56、3.81和12.75cM。

普通菜豆镰孢菌枯萎病抗病相关基因PvCaM1的克隆及表达

钙调素蛋白(calmodulin,CaM)作为植物细胞内介导多种功能的Ca2+结合蛋白,在调节植物的生长发育和抗病性方面具有重要作用。利用普通菜豆(Phaseolus vulgarisL.)表达序列标签(EST)克隆了含有编码普通菜豆CaM基因的cDNA序列。序列分析表明,cDNA片段长713bp,命名为PvCaM1,具有一个453bp的开放阅读框(ORF),GenBank登录号为JN418801,该基因编码150个氨基酸,预测蛋白质分子质量为17.16kD。蛋白质结构分析表明,PvCaM1蛋白含有4个Ca2+结合结构域(EF-hand)。同源分析结果显示,PvCaM1基因与百脉根、西瓜的CaM基因亲缘关系最近,分别达到77%和76%。荧光定量PCR分析表明,PvCaM1基因受尖镰孢菌菜豆专化型FOP-DM01菌株诱导表达,接种病原菌96h,抗病品种260205根中PvCaM1基因的表达量达到最高,而感病品种BRB-130达到最低,260205叶中PvCaM1基因的表达量均高于BRB-130,而且叶中的表达量高于根和茎中的表达量。PvCaM1基因表达量也受外源植物激素脱落酸、茉莉酸甲酯和乙烯利诱导上调,在根、茎、叶中均有不同程度的表达。本研究表明,PvCaM1基因可能通过脱落酸、茉莉酸和乙烯等信号途径参与菜豆对FOP-DM01菌株的防御反应,推测菜豆PvCaM1基因与镰孢菌枯萎病的抗病性有一定关联。

应用荧光定量PCR技术分析普通菜豆品种中尖镰孢菜豆专化型定殖量

尖镰孢菜豆专化型(Fusarium oxysporum f.sp.phaseoli)引起的菜豆枯萎病是菜豆生产中最严重的维管束类病害之一,防治该病害有效方法是利用抗病品种。因此,一种能够从菜豆受侵染组织中准确鉴定并定量检测枯萎病原菌含量的方法将有助于筛选抗性品种,应用于普通菜豆枯萎病抗病育种。本研究基于荧光定量PCR技术开发出一种能够对定殖于菜豆组织中的枯萎病原菌准确定量的新方法。该技术对根、茎组织中病原菌DNA的最低检测量为1pg,能在接种病原菌6d后明显区分抗病性不同的品种,可在菜豆植株表现出明显发病症状前准确鉴定不同品种抗性水平的差异。经验证参试的感病品种BRB-130和A0640-1根、茎组织中定殖的病原菌DNA量显著高于抗病品种260205和黑芸豆,与表型鉴定的结果完全符合。利用荧光定量PCR技术能够在病原菌侵染早期快速、准确、高效定量菜豆组织中定殖的病原菌,这对指导菜豆抗病育种和植物病害传播的研究都具有非常重要价值。

普通菜豆种质资源遗传多样性研究进展

普通菜豆于15世纪从美洲直接引入中国,作为重要的食用豆类作物之一,在我国的许多地区广泛种植。本文对普通菜豆的起源、驯化、传播以及遗传多样性研究等方面的进展进行综述,并根据普通菜豆育种和生产中存在的问题及今后的研究方向提出一些建议,旨在为普通菜豆的种质收集保存以及合理利用提供参考。

普通菜豆抗炭疽病地方品种的朊蛋白标记分析

普通菜豆在长期驯化过程中形成了安第斯和中美两个基因库,研究基因库来源对于抗病育种中抗病亲本的选配具有重要意义。本研究利用菜豆朊蛋白标记分析了54份抗炭疽病菜豆地方品种的基因库来源,基本上明确了我国抗炭疽病菜豆种质的基因源,为抗病育种奠定了基础。

中国普通菜豆形态性状分析及分类

对129份中国普通菜豆地方品种的形态性状进行分析,结果表明,8个性状共检测到35个变异类型,平均变异类型为4.375个,平均多态信息含量为0.5638。中国普通菜豆包括安第斯和中美两个基因库种质,中美洲基因库资源在参试资源中比重较大,但安第斯基因库资源遗传多样性水平高于中美基因库材料。由中美基因库向安第斯基因库渗透的天然杂交种质可为普通菜豆高产、优质、抗逆育种提供有价值的桥梁品种。