野生稻CBF/DREB1转录因子的鉴定与生物信息学分析

低温冷害是限制栽培稻地域分布和产量的重要因素之一,严重影响我国的粮食安全。以CBF/DREB1为核心的C-重复结合因子-冷调节基因(CBF-COR)途径是水稻适应低温的重要信号传导途径。基于稻属9种植物的全基因测序结果和隐马尔可夫模型(HMM)搜索,共鉴定出71个CBF/DREB1基因序列。所有基因均无内含子,由单个外显子组成。大部分DREB1s呈弱酸性,所有DREB1s亲水性平均值<0。进化树分析进一步将其分为3个组:DREB1A/1B/1H、DREB1C/1E/1F/1G和DREB1D/1I/1J,各组成员除AP2保守结构域和侧翼序列外,其他保守基序组成差别较大。适应性进化分析粳亚种和其他水稻的直系同源基因对,发现OsDREB1A/ObDREB1A、OsDREB1D/OnDREB1D、OsDREB1I/OsIDREB1I和OsDREB1J/OsIDREB1J四对基因非同义替换/同义替换(Ka/Ks)值均>1,受到正选择压力。旁系同源基因之间启动子顺式元件种类和数量差异较大,直系同源基因的启动子顺式元件种类和数量很相似。对日本晴、93-11和东乡野生稻7 d幼苗4℃冷处理2 h的实时荧光定量PCR分析发现早期冷响应基因可分为激活型(DREB1A/1B/1C/1E/1F/1G/1H)和抑制型(DREB1D/1I/1J)。在日本晴、93-11和东乡野生稻冷激活型基因中,DREB1B/1G/1H均是冷处理后响应最快的一级冷响应因子,且启动子均含有至少一个拷贝的CAMTA转录因子结合元件CM2(CCGCGT)。OrDREB1B/1C/1E/1F/1G/1H在东乡野生稻4℃冷处理4 h后的表达量均高于栽培稻同源基因的表达量。9种稻属植物的CBF/DREB1基因亚家族的分子进化分析结果为低温抗性基因的挖掘和利用提供了前期基础。

海南普通野生稻稻瘟病抗性鉴定与评价

为了对海南普通野生稻稻瘟病叶瘟、穗颈瘟的抗性进行综合鉴定与评价,2022-2023年连续两年对来自海南省11个不同市县的2002份普通野生稻材料进行苗期叶瘟人工接种和田间自然抗病鉴定,并对995份已经抽穗的普通野生稻材料进行穗颈瘟人工接种抗性鉴定。结果表明:2002份叶瘟鉴定材料中,人工接种抗叶瘟材料为494份(占24.68%),其中免疫7份,高抗17份;田间自然状态下抗叶瘟材料1160份(占57.94%),其中免疫24份,高抗233份。995份穗颈瘟人工接种鉴定材料中,抗穗颈瘟材料506份(占50.85%),其中免疫23份,高抗136份。由结果可知,海南普通野生稻普遍抗叶瘟或穗颈瘟,这些抗性资源的生长习性大多为半直立型或倾斜型,少数为直立型或匍匐型;高抗叶瘟的材料在抽穗后也普遍抗穗颈瘟,免疫或高抗穗颈瘟的材料也普遍抗叶瘟。经过鉴定和评价,筛选出双抗叶瘟、穗颈瘟的普通野生稻材料共有128份。本研究为海南普通野生稻资源抗稻瘟病研究和育种利用提供参考。

展颖野生稻株高性状的遗传与SD1基因的等位变异分析

为了探究SSSL-B50和华粳籼74(HJX74)株高差异的原因,利用SSSL-B50与HJX74回交构建F2群体进行株高性状遗传分析与基因定位。结果显示,F1植株表现为高秆;260个单株组成的F2群体株高出现分离,高秆植株与半矮秆植株分离比例符合3∶1(χ^(2)=0.18<3.84),说明SSSL-B50高秆性状为显性性状,受1对显性等位基因控制。利用IciMapping软件对F2进行连锁分析,将SSSL-B50携带的高秆基因定位在1号染色体代换片段上的标记S18和X161之间38.38~39.07 Mb。候选基因筛选分析发现,定位区间内存在着“绿色革命”基因座位SD1。对展颖野生稻、SSSL-B50及HJX74进行SD1基因测序及序列比对,发现HJX74的CDS序列与展颖野生稻、SSSL-B50相比有280 bp的缺失,导致氨基酸编码提前终止。qRT-PCR结果表明,SD1表达量在SSSL-B50茎秆的第2,3,4节均显著高于HJX74。此外,与前人报道结果相比,展颖野生稻SD1基因编码的氨基酸序列发生了2处改变(E100G、Q339R)。研究结果弄清楚了展颖野生稻单片段代换系SSSL-B50高秆性状受SD1调控,同时从展颖野生稻鉴定到了SD1的新等位型SD1Glu。

广西野生稻种质资源的抢救性调查收集及其抗病性初步鉴定

针对广西野生稻濒危状况越来越严重的问题,抢救性收集广西野生稻种质资源,发掘其抗病基因,对广西野生稻资源丰富的地区开展了调查和收集,并对收集的部分资源进行了白叶枯病和稻瘟病抗性鉴定。结果表明,广西野生稻原记载的44个分布点中,仅剩24个尚有野生稻分布,濒危状况十分严重,近10年来野生稻分布点消失比例高达45.5%,水源被破坏和杂草竞争是危害野生稻生存的主要威胁因素;按照野生稻取样原则,共抢救性收集到11个普通野生稻和药用野生稻群体共317份种质资源;利用国际强毒菌株PXO99对177份材料进行白叶枯抗性鉴定,采用离体戳伤叶片鉴定的方法进行不同病菌小种(Guy11、RB22、FJ-3-2、FJ-3-5、FJ-2-3)的稻瘟病抗性鉴定,筛选出白叶枯抗性资源27份,稻瘟病抗性资源105份,兼抗白叶枯和稻瘟病的种质资源5份。针对广西野生稻抗病资源丰富但消失严重的问题,建议加强收集和保护,并加大种质资源鉴定力度。

面向育种应用的高州野生稻片段导入系构建与产量性状QTL分析

野生稻是水稻育种的宝贵基因库,但基因组杂合性高,与栽培稻差异大,为育种上直接利用野生稻带来了困难。构建野生稻片段导入系为挖掘和利用野生稻基因资源提供了有效的技术手段。本研究以广东高州野生稻为供体,粳稻品种中花11为受体,通过多代杂交和自交,以育种目标性状为筛选标准,甄选出100个片段导入系。对这100个导入系的产量相关性状(单株有效穗数、总实粒数、千粒重、每穗实粒数和单株产量)进行考察,发现它们至少有1个性状要优于对照品种中花11,显示出在产量改良上的应用潜力。导入系全基因组覆盖度46.9%,共识别出20个产量相关QTL。这些片段导入系作为高州野生稻新型种质资源,为利用野生稻助力水稻种质创新提供了资源储备。

近40年云南普通野生稻优异特性及有利基因的发掘与利用

稻种资源是栽培稻育种的物质基础,也是研究栽培稻起源、进化、发育和基因功能的重要对象。在众多野生稻中,普通野生稻与栽培稻亲缘关系最近,是培育栽培稻新品种的优异基因供体,因此了解清楚其遗传背景尤为重要。以云南普通野生稻为对象,对其遗传背景的研究和有利基因的运用进行总结和分析,首先详细梳理了近年来从云南普通野生稻资源中发掘出的优异特性,阐述了其各种优良性状;其次系统总结了云南普通野生稻有利基因的发掘现状,囊括了目前从中发掘出来的重要功能基因;然后综述了云南普通野生稻优异特性在创制新种质方面所取得的成就,包括滇9型籼型不育系的育成及大量育种中间材料的获得;最后针对云南普通野生稻开发研究的优势和存在的问题,提出今后的研究重点以及有利基因发掘利用的建议,并对其利用的潜力进行了展望,以期为云南普通野生稻的进一步研究、开发和利用提供理论支持。

疣粒野生稻WRKY基因家族全基因组鉴定和分析

WRKY转录因子是高等植物中成员数量较多的转录因子之一,在植物的生长发育和衰老、非生物和生物胁迫等过程中发挥着重要的作用。疣粒野生稻是栽培稻的近缘野生种,具有耐荫、耐旱和高抗白叶枯病等特性,是改良栽培稻的重要种质资源。本研究利用HMMER、Pfam、SMART、TBtools、NCBI软件和网站,在疣粒野生稻基因组中鉴定了94个编码WRKY转录因子的基因(OgWRKYs),不均一分布在12条染色体上,根据其所含WRKY结构域的数量和锌指结构的特征,分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ组,II组成员最多(52个),与其他物种相似。除含有保守的WRKYGQK七肽序列外,还鉴定到6种变异类型,其中WRKYGHK、WRRYGQK、WRKYAKK和WRKYSQK是植物中首次报道的新变异类型。根据保守结构域分析,OgWRKY61、OgWRKY71和OgWRKY77a可能与植物抗病相关。KEGG pathway富集分析发现,有14个OgWRKY转录因子富集在植物-病原互作通路,其中10个同时富集在MAPK信号通路中。进一步结合顺式作用元件分析结果,推测OgWRKY30b、OgWRKY53、OgWRKY88、OgWRKY96和OgWRKY111可能在疣粒野生稻响应生物和非生物胁迫中发挥重要作用。qRT-PCR分析结果表明,OgWRKY30b、OgWRKY53、OgWRKY88和OgWRKY111基因的表达均受白叶枯病菌PXO99诱导,而OgWRKY96表达受白叶枯病菌侵染抑制。研究结果对疣粒野生稻中优异OgWRKYs基因资源的挖掘具有重要参考价值。

海南普通野生稻遗传多样性分析及核心种质构建

为摸清海南省众多普通野生稻材料之间的亲缘关系,发掘具有代表性的样本,本研究利用32个SSR标记,对来自海南省11个不同市县的2038份海南普通野生稻资源进行遗传多样性分析及核心种质构建。结果显示,平均有效等位基因(Ne,Number of effective alleles)为2.479,丰富度Shannon指数(I,Shannon entropy index)为0.975,Nei′s基因多样性(h,Nei′s genetic diversity)为0.570,多态性位点百分比为96.27%,表明海南普通野生稻的遗传多样性十分丰富。不同地方来源的海南普通野生稻遗传多样性存在差异,来自临高的海南普通野生稻丰富度最高,琼海的普通野生稻遗传丰富度最低,其变异主要集中在群体内部。群体结构分析显示当K=2时,Delta K值最高,将2038份海南普通野生稻资源分成2个类群,第Ⅰ类群有1145份资源,分别来源于海口、澄迈、儋州、三亚、万宁、琼海、临高、陵水、乐东、东方,第Ⅱ类群有893份资源,分别来源于海口、文昌和澄迈。利用居群优先及多次聚类的方法构建海南普通野生稻核心种质192份,占总资源(2038份)的9.42%,核心种质的Shannon指数(I)保留了102.46%,Nei′s基因多样性(h)保留了104.39%,有效降低了原始种质的遗传冗余度和遗传差异上的重复。海南普通野生稻核心种质代表了原种质的遗传多样性和特异性,为海南普通野生稻资源的有效利用提供材料。

野生稻单片段代换系苗期耐旱性评价及QTL鉴定

【目的】干旱是影响水稻生产力的主要非生物因素之一,筛选抗旱水稻可有效保障水稻产量。【方法】选取以南方野生稻和展颖野生稻为供体、‘华粳籼74’(HJX74)为受体构建的93份单片段代换系(Single-segment substitution lines,SSSLs)为供试材料,以HJX74为对照,采用20%PEG-6000模拟干旱条件进行苗期耐旱性试验,以4个生长发育性状指标(相对苗高、相对苗干质量、相对根干质量、相对根长)作为评价指标,采用隶属函数法对SSSLs进行排序、筛选相关性状,并筛选与HJX74差异显著的SSSLs,进行QTL鉴定与加性效应分析,初步鉴定与苗期耐旱性状相关的QTL。【结果】4个生长发育性状指标与平均隶属函数值的相关性分析结果均为极显著正相关,可作为SSSLs苗期耐旱性鉴定和评价指标。隶属函数法分析结果显示,93份SSSLs平均隶属函数值范围为0.20~0.71,HJX74平均隶属函数值为0.54;有29个SSSLs的平均隶属函数值> HJX74的平均隶属函数值,其中,M124的隶属函数值最大,表明M124具有较强的耐旱性。通过单因素方差分析,从8个SSSLs(M78-1、M78-2、M124、M107、M151、M103、M130、M115)鉴定出7个相对苗高QTLs(qRSH1-1、qRSH1-2、qRSH2-1、qRSH3-1、qRSH3-2、qRSH5-1、qRSH6-1),分别分布在1、2、3、5、6号染色体,其加性效应为0.05~0.06,表型贡献率为6.97%~9.01%;从3个SSSLs(M79、M145、M148)中鉴定出3个相对根干质量QTLs(qRRDW10-1、qRRDW11-1、qRRDW11-2),分别分布在10、11号染色体,其加性效应为0.12~0.20,表型贡献率为12.51%~19.95%;从2个耐旱SSSLs(M80、X149)中鉴定出1个相对苗干质量QTL(qRSDW5-1),分布在5号染色体,加性效应为0.07,表型贡献率为10.5%。【结论】筛选出13份SSSLs携带苗期耐旱QTLs,为后续苗期耐旱QTLs精细定位与克隆研究奠定基础。

福建漳浦野生稻窄叶性状的转录组分析

窄叶性状作为水稻理想株型育种的重要指标之一,直接影响光合作用,进而影响水稻的生物学产量。福建漳浦野生稻具有明显的窄叶特性,但其窄叶性状的分子调控机制尚未明晰。研究以福建漳浦野生稻与宽叶型水稻R527连续回交得到的稳定遗传的窄叶型株系S为材料,以亲本R为对照,进行转录组分析和表型性状测定。结果发现,S株系的剑叶宽度明显变窄,千粒重显著下降,剑叶长度和稻谷粒大小未发生明显变化。通过转录组测序获得650个差异表达基因,其中381个基因上调表达,269个基因下调表达,对其中9个差异基因进行RT-qPCR的分析,结果表明9个差异基因的表达趋势与转录组测序结果基本一致。差异基因主要参与植物激素、DNA损伤修复等方面的代谢通路。WD40蛋白基因均在窄叶株系中上调表达,而大部分糖基转移酶却下调表达,由此推测WD40蛋白和糖基转移酶可能协同影响植物激素、DNA损伤修复等代谢途径调控漳浦野生稻窄叶的形成。

广西药用野生稻重要农艺性状遗传多样性分析

药用野生稻具有抗病虫、抗逆境、高生物产量、高光效等优良特性,蕴藏有许多优良基因。本研究用广西所有药用野生稻分布点收集的代表性资源199份,对抽穗期、花药长度、粒宽、粒长与粒重5个重要农艺性状进行遗传多样性、主成分等分析。结果表明:广西药用野生稻具有丰富的遗传多样性,抽穗期、花药长度、粒宽、粒长和粒重的变异系数分别为9.12%、11.90%、3.39%、4.64%和6.24%,多样性指数分别为1.4878、2.0453、1.7727、1.1567和2.0379。主成分分析表明:第1、第2主成分主要与产量性状相关,累计贡献率达63.759%,第3、第4主成分特征值相近,贡献率分别为16.306%和15.542%,抽穗期与花药长度是影响的决定因子,主要反映植株的生长特征。7个地理居群按遗传多样性大小排序为:梧州市(1.6731)>玉林市(1.5784)>贵港市(1.5070)>南宁市(1.3325)>来宾市(1.2131)>贺州市(0.9629)>钦州市(0.3819),梧州市的多样性指数最高,表明梧州市是广西药用野生稻表型遗传多样性的中心。

小粒野生稻基因渗入系桂恢1561的有利基因鉴定和育种利用

挖掘野生稻有利基因对栽培稻进行遗传改良是当前水稻育种研究的热点。利用远缘杂交技术获得了小粒野生稻基因渗入系桂恢1561,通过农艺性状考查、配合力测定和稻飞虱抗性鉴定,确认桂恢1561粒大(32.2 g)、穗长(28.3 cm)、优质、兼抗褐飞虱(抗级2.5)和白背飞虱(抗级2.9)、配合力好,具有较高的育种价值。利用桂1025/桂恢1561构建的重组自交系和近等基因系对来自于桂恢1561的有利基因进行遗传定位,对PL9、GS12、Bph31(t)和Wbph9(t)等4个主效基因进行连锁分子标记开发;利用分子标记辅助育种技术将桂恢1561有利基因导入多个骨干亲本,创制出9个新的优质、多抗恢复系;进一步以桂恢1561及其衍生系作为恢复系选育出11个优势杂交稻组合,其中,华浙优1561和旱优711已通过广西农作物品种审定委员会审定。

广西野生稻种质资源的保护措施

广西地处我国南部,气候温暖湿润,地形复杂多样,拥有丰富的野生稻资源。这些野生稻种质资源具有极高的遗传多样性,对于改良栽培稻的抗病虫、抗逆境性和品质改良具有重要意义。然而,由于生境破坏、人为活动和气候变化等因素的影响,广西野生稻资源正面临着持续减少和遗传多样性丧失的危险。当前,虽然对野生稻的研究逐渐增多,但在资源利用与保护方面还有需要进步地方。一方面,对于野生稻种质资源的调查与鉴定尚不全面,许多珍稀的遗传资源尚未被发现和利用。另外一方面,针对野生稻资源的保护措施缺乏系统性和长期性,导致其生存环境不断恶化。此外,尽管一些研究对野生稻的遗传多样性进行了分析,但在利用这些多样性进行育种改良方面的研究尚属初级阶段,需要进一步深入探讨。因此,本研究在全面调查广西野生稻种质资源现状基础上,分析野生稻种质资源利用与保护方法。

海南逐步完善野生稻保护体系

海南逐步完善野生稻保护体系,已收集保存野生稻种质资源3 000多份。2024年5月17日,位于澄迈县的省级热带野生稻种质资源圃,一株株从各地采集而来的野生稻,正栽种在基地里。每个栽培盆里都插上一块写有数字的白色小牌子,标记出分属不同居群的野生稻。顶着烈日,海南省农业科学院海南野生稻保护与创新利用团队助理研究员翟李楠正和同事们细心观察野生稻的生长情况。“这些都是科研人员历时十多年,花费大量精力从全省各地采集而来的野生稻。”翟李楠告诉海南日报记者,后续进行的野生稻表型性状以及基因鉴定等工作,将为水稻育种提供重要的优质资源。

全球野生稻保护联盟成立

近日,崖州湾国家实验室、中国农业科学院、国际水稻研究所以及来自24个不同国家的研究人员共同宣布,全球野生稻保护联盟WORLDWILD-RICEWRING(3W)成立,并发布全球野生稻研究愿景。该愿景就联盟的使命、任务、共建原则达成了系列共识,旨在尊重生物多样性、促进资源共享的前提下,通过强化国际合作推动野生稻种质资源创新研究。

云南元江普通野生稻稻瘟病菌无毒基因鉴定与分析

为了明确分离自云南元江普通野生稻4个自然居群稻瘟病菌无毒基因的组成。以分离自元江普通野生稻上的52个单孢菌株和24个以丽江新团黑谷为背景的稻瘟病抗性单基因系为试材,用苗期喷雾接种的方法,对供试菌株进行无毒基因构成鉴定。结果显示,52个稻瘟病菌菌株组成的群体中,中等、弱和无致病力的菌株占比分别为34.69%、65.39%和1.92%,以弱致病力菌株占优势;52个菌株仅对含有Pi19、Pii、Pi3、Pib和Pish等5个抗性单基因系具有强或中等毒性,对持有其余19个抗性基因的单基因系具有弱致病性或无致病性;根据供试菌株对24个水稻抗性单基因系的致病性分析,无毒基因的组成可分为10种类型。研究结论认为云南元江普通野生稻稻瘟病菌对24个水稻单基因系的致病性普遍偏弱,但仍存在致病性分化的现象。

茶陵野生稻冷响应基因OrCrGHl的表达与克隆

为了发现新的水稻耐逆基因,采用水稻基因芯片分析了茶陵野生稻及籼型栽培稻培矮64S苗期全基因组在冷胁迫下的表达水平,从茶陵野生稻中筛选出一个强烈响应低温的耐冷候选基因,暂命名为OrCrGHl(Oryza rufipogon cold responsive glucan hydrolase-like)。用实时定量PCR方法对其表达水平进行了进一步的分析,所得结果与基因芯片分析结果基本吻合。以茶陵野生稻为材料,用逆转录PCR(reverse transcription PCR,RT-PCR)方法获得了包含其完整开放阅读框(open reading frame,ORF)的cDNA克隆。根据其ORF序列进行预测,该基因编码一个包含558个氨基酸残基的糖基水解酶相似蛋白质,其理论分子质量为59.252 kD,pI为5.81。经蛋白质相似性比对,其编码蛋白与日本晴第7号染色体上的LOC4343492基因编码的蛋白质(XP_015647631.1,glucan endo-1,3-beta-glucosidase GII isoformX2)的氨基酸序列完全一致,与籼稻93-11预测蛋白质(EEC82204.1,hypothetical protein OsI_26347)的相似性为99.28%。对其可能的启动子区域序列进行分析,发现了多个可能与逆境或逆境激素响应有关的顺式作用调控元件。以上结果提示,该基因为一新的野生稻耐冷候选基因,进一步的研究正在进行。

颗粒野生稻愈伤的诱导继代与超低温保存

为了更好地保存颗粒野生稻资源,选取引自国际水稻研究所的2种颗粒野生稻,诱导愈伤并建立组培快繁体系,对愈伤组织进行超低温保存。结果表明:通过种子诱导以及发芽后的胚根诱导,都得到了颗粒野生稻愈伤;NB和MS培养基交替继代培养有助于提高愈伤活性;利用高糖预培养和干燥处理结合的方式,2种颗粒野生稻愈伤在超低温保存后成功存活,新生愈伤率分别为34.24%和23.95%,且恢复生长的愈伤组织可分化出新的颗粒野生稻植株。组培快繁技术与超低温保存相结合,为颗粒野生稻种质保存提供了有效途径。

普通野生稻内生细菌的分离鉴定及其对多年生稻的促生效果

普通野生稻(Oryza rufipogon)是具有丰富的生境、遗传和微生物多样性的野生稻资源,挖掘其内生细菌资源可为普通野生稻微生态研究和生物菌肥开发提供菌种资源.研究首次从云南元江普通野生稻的根、茎和叶3种组织分离获得了111株内生细菌,其中82株具有溶磷能力,23株具有固氮作用,50株可产铁载体,18株可产吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA).分离自茎部的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)ORS2-5菌株、路德维希肠杆菌(Enterobacter ludwigii)ORS1-2菌株和分离自叶部的水稻科萨克氏菌(Kosakonia oryzae)ORL3-1具有较高的IAA分泌量,分别为11.69、22.81 mg/L和24.62 mg/L.3个菌株对多年生稻具有显著促生效果,可以不同程度地提高多年生稻幼苗的根长、鲜重、叶绿素和氮素质量比.研究结果将为多年生稻生态菌肥开发提供菌种资源,助力多年生稻绿色轻简化的生产模式.

海南野生稻白叶枯病抗性种质资源的收集与初步鉴定

为抢救性收集和保护海南省野生稻资源,2021年11月中国农业科学院作物科学研究所与海南省农业科学院粮食作物研究所联合开展了海南省野生稻调查、异位保护及白叶枯病抗性鉴定工作。本研究对海南省的11个县市的17个乡镇21个野生稻分布点进行考察,发现有9个分布点处于濒危状态,7个受到不同程度的破坏,仅2个野生稻保护区未受干扰和3个分布点受到轻微干扰。抢救性收集野生稻资源210份,统一保存于国家野生稻种质圃。同时,本研究使用毒性强、致病性广的白叶枯病菲律宾致病小种6(PXO99),采用人工接种的方式对本次考察收集的145份普通野生稻和47份药用野生稻进行白叶枯病抗性鉴定,最终筛选出5份高抗白叶枯病的野生稻种质资源,为水稻抗白叶枯病的研究和育种奠定了丰富的材料基础。