Genetic Diversity and Classification of Chinese Elite Foxtail Millet [Setaria italica (L.) P. Beauv.] Revealed by Acid-PAGE Prolamin

Arid and semi-arid regions of China account for more than half of the country. Because of drought resistance and high nutritive value, elite foxtail millet (Setaria Italica (L.) P. Beauv.) is one of the most important cereal crops in China. Evaluation of germplasm and genetic diversity of foxtail millet is still in its infancy, but prolamin could play an important role as a protein marker. To investigate the genetic diversity and population structure of foxtail millet from different ecological zones of China, 90 accessions of foxtail millet were collected from three major ecological areas: North, Northwest, and Northeast China. The prolamin contents were examined by acid polyacrylamide gel electrophoresis (acid-PAGE). Five to twenty-two prolamin bands appeared in tested varieties, of which were polymorphic, so prolamin patterns of foxtail millet varieties can be used in variety identification and evaluation. Structure analysis identified six groups, which matches their pedigree information but not their geographic origins. This indicated a high degree (87.78%) of consistency with a phylogenetic classification based on SSR. The results showed prolamin banding patterns were an effective method for analyzing foxtail millet genetic variability.

增强UV-B辐射与不同水平氮素对谷子(Setaria italica(L．)Beauv．)叶片保护物质及保护酶的影响

研究了生长在1.875 mmol.L-1和15 mmol.L-1硝态氮素水平条件下的谷子(Setaria italica(L.)Beauv.)开花期间在进行强度为7.12 kJ.m-.2d-1增强UV-B辐射处理时叶片类黄酮含量、苯丙氨酸解氨酶(PAL)和保护酶活性变化差异。主要结果表明在开花期无论是否进行增强UV-B辐射处理,较低水平氮素均比较高水平氮素更有利于提高谷子叶片PAL活性;叶片类黄酮含量除在进行增强UV-B处理时较低氮素条件下生长的谷子在开花末期显著高于较高氮素条件下生长的谷子外,受氮素水平影响不甚明显。而在开花期不进行与进行增强UV-B辐射处理,氮素水平对叶片保护酶的影响有所差异:不进行增强UV-B辐射处理,整个开花期氮素水平对谷子叶片SOD活性有显著影响而对ASP活性无显著影响,对CAT和POD活性则在开花期部分阶段有显著影响。进行增强UV-B辐射处理,整个开花期氮素水平对谷子叶片SOD与CAT活性有显著影响而对ASP、POD活性影响不显著。

一个谷子新抗锈基因的AFLP标记

【目的】研究谷子抗源的抗锈遗传规律,寻找和定位与谷子抗锈基因连锁的分子标记,为谷子抗锈病基因的定位、克隆和抗病育种等研究奠定基础。【方法】用谷子锈菌单胞菌系93-5接种十里香和豫谷1号及杂交后代F1、F2进行抗锈鉴定,并根据鉴定结果构建抗、感基因池;利用AFLP技术筛选128对EcoRⅠ/MseⅠ引物组合,从中寻找和定位与谷子抗锈基因连锁的分子标记;根据AFLP分析结果进行抗锈基因连锁分析并进行SCAR标记转化。【结果】根据十里香×豫谷1号杂交后代F2群体(131株)抗感谷锈病分离比例,确定十里香抗锈性由显性单基因控制。筛选获得3个与谷子抗锈基因Rusi1(暂命名)连锁的AFLP分子标记,经计算标记与该抗锈基因的遗传距离分别为7.4、9.2和27.4cM。将3个标记片段回收、克隆和测序,成功地将AFLP标记E+CTT/M+TAC-256转化为SCAR标记。初步构建了谷子抗锈基因Rusi1的遗传连锁图谱。【结论】谷子十里香抗锈性由显性单基因控制,Rusi1是一个新发现的谷子抗锈基因。

利用A-PAGE研究谷子籽粒蛋白质多态性

研究谷子贮藏蛋白多态性对谷子品种选育和鉴定评价具有重要的意义。本文利用A-PAGE方法对来自不同生态区的24份谷子品种籽粒的水溶蛋白、盐溶蛋白、酸溶蛋白和醇溶蛋白的多态性进行了研究。结果发现,不同谷子品种之间籽粒水溶蛋白、酸溶蛋白谱带相似,基本没有差异;每个谷子品种的盐溶蛋白谱带有20多条,仅有4个品种出现多态性谱带,多态性也较低。说明谷子品种水溶蛋白、盐溶蛋白和酸溶蛋白A-PAGE谱带不适用于谷子鉴定研究。谷子醇溶蛋白谱带存在一定的异质性,每个品种有7~10条醇溶蛋白谱带,其中5条为公共条带,2~5条为多态性谱带,醇溶蛋白A-PAGE谱带可以作为谷子品种鉴定评价的依据。结果说明,和玉米、小麦等禾谷类作物相比,不同生态区谷子栽培品种蛋白质变异较小,遗传背景变化较小,因此需要不断丰富谷子品种的遗传基础,为谷子品种选育提供更加丰富的材料。

施氮量对谷子产量、氮素利用及小米品质的影响

【目的】明确不同施氮量下谷子产量、干物质分配和氮素累积转运特征,分析氮用量对小米糊化特性和有益微量元素含量的影响及其与植株氮素累积的关系,探究植株氮素营养对小米品质的影响。【方法】于2020—2021年在山西省沁县研究4个施氮水平(0、75、120和150 kg·hm^(-2))对春播谷子产量、氮素吸收与利用特征及小米品质的影响。【结果】施氮提高谷子收获穗数、穗粒数和植株的干物质生产能力,增加了氮素由营养器官向籽粒的转运率,促进了干物质及氮素向籽粒的分配,从而提高产量。施氮也提高了小米中铁、锌、钙、镁和硒的含量,其中,施氮75 kg·hm^(-2)时上述元素含量的增幅最大,氮利用率最高。与不施氮相比,施氮75 kg·hm^(-2)时谷子收获穗数、穗粒数、产量、地上部生物量、收获指数、氮素累积总量和氮素转运率增幅最高,增幅分别可达7.5%、23.3%、31.0%、21.2%、8.6%、40.3%和9.2%,小米中铁、锌、钙、镁和硒含量的增幅分别为37.2%、43.6%、56.0%、30.5%和16.9%。过量施氮(150 kg·hm^(-2))不利于谷子穗粒数和收获指数的提高及氮素由营养器官向籽粒的转运,与施氮量75 kg·hm^(-2)比较,两年氮素转运率分别降低了23.1%和28.2%;氮素施用过量也降低了小米支链淀粉含量,淀粉形成受限,抑制了小米粉最终黏度、回升值和峰谷黏度,影响糊化品质,同时氮肥利用率低至25%左右。谷子地上部氮吸收量与小米中铁、锌、钙、镁和硒含量呈极显著的正相关,但与小米中支链淀粉含量、小米粉的最终黏度和峰谷黏度呈显著的负相关。【结论】施氮量在75—120kg·hm^(-2),能促进谷子干物质及氮素向籽粒的分配,实现籽粒产量、小米糊化品质和有益微量元素含量的同步提升。

平流层辐射SP_3谷子雄性细胞发育的研究

对平流层辐射处理ＳＰ３谷子和对照ＣＫ３谷子雄性细胞发育的研究表明，雄性细胞正常发育过程从孢原细胞开始，经初生造孢细胞、次生造孢细胞、小孢子母细胞、二分体、四分体和单核小孢子中央期、单核小孢子液泡期（单核靠边期）、单核小孢子成熟期直到二细胞花粉、三细胞成熟花粉结束。其中四分体形成属连续型。雄性细胞异常发育有几种情况：小孢子母细胞强烈液泡化，细胞质收缩解体，不能进入减数分裂；小孢子母细胞液泡化，虽能进入减数分裂，但不能形成正常二分体而中途退化；二分体、四分体细胞液泡化，不能进行正常发育；单核小孢子中央期，细胞质收缩包围核，小孢子形状扭曲呈月牙形或不规则形，最终细胞质和核解体而呈月牙形的空壳小孢子；单核液泡期的小孢子不能积聚营养物质，细胞质解体而成为大的空壳花粉粒。平流层辐射ＳＰ３谷子雄性细胞异常发育的比率达５０％左右，这可能与平流层辐射引起的染色体畸变以及ＳＰ１、ＳＰ２谷子染色体分离、重组有关。

谷子抽穗期与农艺性状的相关与回归分析

抽穗期是农作物的重要性状,决定着作物的地区和季节适应性。明确不同谷子品种适合的种植区域,对生产实践具有重要意义。在海南、洛阳、吉林3个地区连续2年调查了160份谷子资源的抽穗期、株高、穗长、穗重等9个主要性状。相关性分析发现3个地区抽穗期与千粒重均呈负相关,而在海南、洛阳2个地区抽穗期与株高、叶片数、穗长、穗粗、穗重、穗码数、穗粒重均呈正相关,吉林地区抽穗期与穗粒重呈负相关,说明随着抽穗期的适当延长,谷子主要通过增加子粒数目提高产量,而抽穗期过度推迟,则可能导致产量潜力下降;方差分析表明,3个地区抽穗期对千粒重、株高、叶片数、穗长、穗粗、穗重、穗粒重、穗码数均有显著影响(P<0.05)。在海南,随着抽穗期的延长穗粒重递增,抽穗期40 d以上品种穗粒重最大;在洛阳,抽穗期50～60 d的品种穗粒重最高;在吉林,抽穗期70～80 d的品种穗粒重最高。求得每个品种在3个地区的穗粒重均值,以此为依据筛选出53份广生态适应性品种,在3个地区成功建立了叶片数、株高、穗码数对抽穗期的最佳回归方程。本研究表明一定抽穗期范围内谷子主要通过增加穗粒数而不是千粒重来实现增产,筛选出的广生态适应性谷子资源以及建立的回归方程为开展广适应育种、利用抽穗期信息对叶片数、株高、穗码数进行准确选择奠定了基础。

谷子全生育期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

作物全生育期抗旱性对发掘和利用抗旱品种和抗旱基因至关重要,但谷子全生育期抗旱鉴定至今未有报道,抗旱鉴定缺乏鉴定指标。本试验在干旱池模拟干旱条件下,对苗期抗旱性表现不同的谷子品种进行了全生育期抗旱性研究,调查分析了根干重等形态和生理性状在干旱胁迫条件下的变化;采用相关和灰色关联度等方法,分析这些指标与抗旱性(DRI)的关系。结果表明,相对根冠比、相对单穗粒重和灌浆期光合速率、蒸腾速率同抗旱性表现极显著相关,可以作为谷子全生育期抗旱性鉴定的指标;而相对根干重、相对单穗重、相对株高和气孔导度则可以作为谷子全生育期抗旱性鉴定的参考指标;在供试的品种中,红根谷和大齐头白表现了良好的综合抗旱性。本文还讨论了抗旱性的复杂性以及不同性状对干旱胁迫的反应,所建立的指标对谷子全生育期抗旱鉴定具有指导意义。

外源铅、铜胁迫对不同基因型谷子幼苗生理生态特性的影响

采用盆栽土培法,研究了4种基因型谷子幼苗对Pb2+、Cu2+胁迫的生长响应、DNA损伤及吸收积累、迁移特性。结果表明,D2-8、安06、黄米和朝谷幼苗对Pb2+、Cu2+的平均耐性指数分别为0.87、0.81、0.78、0.71和0.96、0.97、0.79、0.74。在400 mg/kg Pb2+、Cu2+浓度下,4种谷子幼苗叶绿素a、b总量分别为对照的33.3%、52.6%、37.5%、49.4%和113.5%、72.3%、51.9%、75.6%,而叶绿素a/b值均高于对照。Pb2+胁迫下4种谷子幼苗中可溶性蛋白质和DNA含量随浓度升高逐渐下降,Cu2+处理组则表现为低浓度(≤100 mg/kg)的促进和高浓度(≥200 mg/kg)的抑制效应。4种谷子幼苗的DNA增色效应值在Pb2+、Cu2+胁迫下均表现为先上升后下降的趋势,其中Pb2+对朝谷和D2-8的增色效应影响较大,而Cu2+对朝谷和安06的影响最为明显。D2-8和朝谷对Pb2+、Cu2+的吸收富集能力高于安06和黄米,D2-8和安06对Pb2+、Cu2+的转运能力大于朝谷和黄米。总体来看,Pb2+对谷子幼苗的生理生态影响和遗传毒害效应大于Cu2+,4种基因型谷子对Pb2+胁迫的耐性顺序为安06>D2-8>黄米>朝谷,对Cu2+的耐性顺序为D2-8>安06>朝谷>黄米。

铅胁迫对不同基因型谷子幼苗生理特性及基因组DNA多态性的影响

以4种基因型谷子为供试材料,采用盆栽土培法,研究了土壤重金属Pb2+胁迫对谷子幼苗基因组DNA多态性和可溶性糖、脯氨酸、丙二醛(MDA)含量的影响。结果表明:经50～400mg·kg-1Pb2+处理30d后,4种谷子幼苗体内可溶性糖含量随Pb2+浓度上升而逐渐降低,降幅为对照的31.45%～49.11%。脯氨酸含量则表现为低浓度(≤100mg·kg-1)的促进和高浓度(≥200mg·kg-1)的抑制效应,MDA含量均有增加且与对照差异显著。Pb2+胁迫下不同基因型谷子幼苗基因组DNA的RAPD图谱发生明显变化,表现为单条或多条RAPD谱带的缺失、增加及荧光强度的增强或减弱,表明Pb2+明显影响谷子幼苗细胞中基因组模板DNA的稳定性,DNA多态性变化与Pb2+浓度之间存在剂量-效应关系。不同基因型谷子对Pb2+胁迫的生理和遗传损伤响应存在差异。利用RAPD技术获得的DNA多态性变化可作为检测Pb2+遗传毒性效应的生物标记物。

食用粟米黄色素的提取及稳定性研究

以乙醇为浸提液从粟米中提取黄色素,并对其稳定性进行研究。结果表明温度、碱性条件、氧化剂、还原剂、食品添加剂对粟米黄色素的稳定性无影响。而在光照和酸性条件下有明显影响。

谷子幼苗对土壤铅、铬的生长响应及吸收积累的差异性

采用盆栽土培试验，研究了谷子幼苗对土壤中不同含量铅（Pb）、铬（Cr）的生长响应和吸收积累的差异性。结果表明，在所试浓度（50～800mg·kg^-1）范围内，Pb、Cr在谷子幼苗地上部和地下部的积累量存在较大差异，幼苗重金属的吸收富集和转运系数均为Pb大于Cr、Ph、Cr胁迫对幼苗生物量的影响表现为低浓度的促进和高浓度的抑制作用，但cr对生物量的影响比Ph更强。相同处理条件下，幼苗茎叶中可溶性蛋白质、DNA含量和增色效应对Pb、cr的响应也有明显差别，Cr对幼苗的生理毒性和DNA损伤效应的作用强度大于Pb。

不同生态区谷子籽粒醇溶蛋白多态性分析

醇溶蛋白是谷子的主要贮藏蛋白,以50%异丙醇提取谷子醇溶蛋白,十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)对来自华北、西北、东北等不同生态区141份谷子籽粒醇溶蛋白进行分析。结果显示在相对分子质量18 400～45 000范围内谷子籽粒醇溶蛋白谱带较丰富,品种之间差异明显。华北平原区安阳、石家庄、济南等地的材料籽粒醇溶蛋白带型丰富度较高,东北平原区吉林市、黄土高原区兰州市的材料带型丰富度较低。聚类分析表明当遗传距离为0.5时,141份材料可以分为5个类群,其中第I类有86份材料,占61.0%,其他类群材料相对较少。不同生态区的材料可以聚为同一类,同一生态区的材料也可以归为不同类群。来自太原、汾阳、兰州、延安、呼和浩特、吉林市、衡水、保定、郑州的材料可聚为1～2个类群,这些地区谷子醇溶蛋白差异相对较小,相似度较大;来自赤峰、长治、安阳、济南的材料分属4个或5个类群,这些地区材料醇溶蛋白差异较大,相似度较小。

穴播与条播对夏谷产量及相关性状的影响

研究了穴播和条播对不同株型谷子产量及相关性状的影响。结果表明,在不同试验地点穴播与条播相比籽粒产量水平相当或有所提高;穴播可以解决谷子单籽出苗顶土力弱的问题;通过研制穴播机可以实现谷子的精量播种,少间苗或不间苗。

穴距与单穴株数对夏谷产量及相关性状的影响

以济谷14为试验材料,2011年在济南和德州试点分别研究了穴距与单穴株数对夏谷产量和相关农艺性状的影响。济南试点留苗密度60万株/hm2,行距0.5 m,设置穴距10、13、16、19 cm,相应单穴留苗3株、4株、5株、6株;德州试点留苗密度75万株/hm2,行距0.4 m,设置穴距10、13、16.5 cm,相应单穴留苗3株、4株、5株。两试验点均以条播为对照。结果表明,在留苗密度一定的情况下,几种穴播方式和条播相比籽粒产量差异不显著,其他相关农艺性状差异较小。因此,可以设计适宜的穴播机械,实现谷子机械化精量穴播。

发芽粟谷中谷氨酸脱羧酶的主要酶学性质初探

[目的]探讨发芽粟谷[Setaria italica(L.)Beauv.]中谷氨酸脱羧酶(GAD)的主要酶学性质。[方法]以发芽粟谷为试材,研究发芽粟谷GAD的活性及其主要酶学性质。[结果]发芽粟谷GAD最适温度为40℃,其耐热性较差,32℃保温1 h后其酶活保持率为86.3%;发芽粟谷GAD最适pH值为5.5,在pH值5.0～5.5范围内酶活保持率在80.0%以上;发芽粟GAD对Glu的Km为22.36mmol/L,Vmax为2.28μmol/min;Ca2+、Mg2+、Li+、PLP和VB6对发芽粟谷GAD活力具有促进作用,而Zn2+、La3+、Cu2+起抑制作用,Mn2+、Na+、Fe2+和EGTA则无显著影响。[结论]该研究可为利用发芽粟谷内源GAD富集GABA提供理论依据。

增强UV-B辐射和氮对谷子叶光合色素及非酶促保护物质的影响

以谷子(Setaria italica(L.)Beauv.)为对象,从拔节期开始持续给予低氮(1.875 mmol/L)和高氮(15 mmol/L)两种氮供应条件并从抽穗期开始进行26 d两种强度(4.29、7.12 kJ.m-.2d-1)的增强UV-B辐射处理,研究了谷子叶中光合色素含量、类黄酮含量和苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性的变化。结果表明:与高氮供应条件相比,低氮供应条件明显降低了谷子叶中光合色素含量但提高了类胡萝卜素/叶绿素含量比值;在开花期中段和灌浆期中段,高氮供应条件下谷子叶中光合色素含量对增强UV-B辐射比低氮供应条件下的谷子更敏感。从灌浆期开始到处理结束,两种影响因子对谷子叶中类黄酮含量均有显著影响,增强UV-B辐射导致谷子叶中类黄酮含量逐渐升高,且相同增强UV-B辐射强度下低氮供应条件下的谷子叶中类黄酮含量明显高于高氮供应条件下的谷子。谷子叶中PAL活性对两种影响因子的响应较类黄酮含量更加敏感,低氮供应条件使谷子叶中PAL活性明显提高。结合上述指标的相关性分析结果可知,低氮供应条件加强了处于繁殖期主要阶段的谷子叶中类黄酮的积累,并使谷子叶中的类胡萝卜素/叶绿素含量比值明显提高,进而有助于维持谷子叶中光合色素含量在增强UV-B辐射条件下的相对稳定性,对植株抵抗UV-B辐射伤害有利。

谷子细胞悬浮培养的体细胞胚胎发生和植株再生

在以N_6为基本培养基,附加水解乳蛋白800mg/l、蔗糖3%、椰乳4%、2,4—D1.0～2.5mg/l、NAA0.2～0.8mg/l、ABA 0.01mgl、6—BA 0.5mg/l的液体培养基中,对谷子(Setaria italica(L.)Beauv)幼穗起始的愈伤组织细胞进行悬浮培养,通过体细胞胚胎发生获得大量完整的小植株。研究还证明,低浓度的ABA可促进胚状体的形成,一定量的活性炭对促进胚状体发育成熟和出苗成株也有明显效果。

谷子显性雄性不育基因“Ms^（ch）”的细胞质转换

通过种间杂交和连续置换回交，选育出具有轮生狗尾草（Ｓ，ｖｅｒｔｉｃｉｌｌａｔａ（Ｌ．）Ｂｅａｕｖ．）细胞质的谷子（Ｓｅｔａｒｉａｉｔａｌｉｃａ（Ｌ．）Ｂｅａｕｖ．）核质杂种，以带有上位基因Ｒｆ的显性核不育植株为父本与此核质杂种杂交，已将显性核不育基因导入轮生狗尾草细胞质中，从其分离后代中选出了具有显性核不育基因的新核质杂种，为谷子的三系选育和细胞质研究创造了新工具，也为核互作杂优利用增加了核质互作优势新机制。

Ni胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及氮素代谢的影响

采用盆栽土培法,研究了不同浓度Ni2+(0、25、50、100、150、200 mg/kg)对4种基因型谷子(13-36、B-7、晋谷51号、晋谷52号)幼苗生长,Ni2+富集与转运能力,叶片中硝态氮、氨态氮、可溶性蛋白质、脯氨酸含量及氮代谢相关酶硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)活性的影响。结果表明:Ni2+胁迫下,4种基因型谷子幼苗的根长、苗长、生物量随Ni2+浓度增加逐渐降低,体内Ni2+含量逐渐增加,与对照组差异显著(P<0.05)。在所试浓度范围内,4种基因型谷子幼苗叶片中的硝态氮含量、NR、GS、GOGAT活性表现为低浓度(25—50mg/kg)增高和高浓度(50—200 mg/kg)降低,而GDH活性在Ni2+浓度为100mg/kg以上时下降,氨态氮含量在50—150 mg/kg处理组中为对照的1.14—3.02倍。不同浓度Ni2+处理后,4种基因型谷子幼苗叶片中的脯氨酸含量均有不同程度的提高,而可溶性蛋白质含量呈明显下降趋势。实验结果证明,Ni2+胁迫抑制了谷子幼苗对硝态氮的吸收,降低了叶片中NR、GS、GOGAT活性,影响了氨的同化作用,使谷子幼苗的氮素代谢发生紊乱,不同基因型谷子对Ni2+胁迫的毒性效应存在差异。4种基因型谷子对Ni2+的耐性顺序为13-36>B-7>晋谷51>晋谷52。