水稻氮高效栽培技术、品种改良和生理机制研究进展

氮肥施用对保障我国粮食安全具有重要意义,但是过量施用氮肥不仅降低了氮素利用效率,还带来了一系列环境污染问题。协同提高产量与氮素利用效率是21世纪以来我国水稻生产面临的一项重要挑战,同时也是当前水稻栽培、生理与育种研究的热点。本文介绍了国内外典型氮肥管理策略的基本原理与施肥技术;总结了氮高效水稻品种尤其是绿色超级稻的氮高效相关农艺性状;综述了水稻高效吸收利用氮素的生理和分子机制,尤其是氮素对叶片结构及光合生理的影响和近期发现的重要氮高效基因。

芸薹属种间和属间杂种和异源多倍体的偏亲表型及遗传机制

虽然种间杂种和异源多倍体的形态特征具有多重性,有中间型、亲本型和超亲型,但有时只表现其中一个亲本的一些形态、生理与分子等层次的性状或特性,即在性状控制方面的偏亲现象。鉴于芸薹属3个栽培异源四倍体种间的细胞遗传学相互关系、芸薹属栽培种与近缘种的大量远缘杂交,本文对芸薹属栽培多倍体及人工合成的芸薹属栽培种与其他近缘种的属间杂种及多倍体的形态表现特征及可能机理进行综述与讨论。3个芸薹属异源四倍体中除发生基因组B>A>C的rRNA基因表达的显性及等级外,形态特征的偏亲表现也较明显,甘蓝型油菜及埃塞俄比亚芥的表型偏向甘蓝、芥菜型油菜的表型偏向黑芥,故甘蓝的表型可整体上掩盖黑芥和白菜型油菜的形态特征,黑芥可掩盖白菜型油菜的表型,呈现C>B>A的等级关系。芸薹属栽培种与萝卜、诸葛菜、菘蓝等的属间杂种及异源多倍体的表型偏向萝卜及诸葛菜,其中基部叶片的缺刻特性最易表现出来。偏亲表型包括一个亲本的整体表型、多个性状直至单个性状,由一条或几条染色体所决定。偏亲表型的发生可能与供体基因组及基因本身的性质及结构、基因组间的互作有关,调控的分子机制有待研究。

芸薹属及其他异源多倍体植物的基因表达特征研究进展

远缘杂交及异源多倍化导致许多重要作物的起源与进化,而芸薹属栽培异源四倍种是研究作物异源多倍化的模式系统之一。异源多倍体是如何调控及协调来自不同二倍体祖先的不同基因组的遗传行为及基因表达,是过去二十年间的研究热点和重要的生物学问题。利用不断发展的分子生物学技术,一方面揭示出芸薹属及其他多倍体物种基因组表现出动态性质,即在形成初期及长期进化过程中持续发生遗传及表观遗传的变化;另一方面发现异源多倍化过程中伴随着大量的基因表达模式改变,包括非加性表达、超亲表达、表达水平显性、部分同源偏向表达、基因剂量平衡效应等现象。上述基因组结构、表观遗传改变以及基因表达模式的调控,使新产生的多倍体得以成功进化为新物种。

芸薹属异源多倍体减数分裂行为的遗传研究进展

减数分裂中的二倍体化是异源多倍体物种形成与进化的细胞学基础。本文综述了芸薹属异源多倍体中细胞学行为及遗传机制的研究进展。虽然芸薹属三个栽培二倍体种间的成对杂交进化形成了三个栽培异源四倍体种,但自然界没有发现包含三个基因组的芸薹属异源六倍体种。通过芸薹属六个栽培种间的三种杂交途径人工合成的芸薹属三基因组异源六倍体(2n=54,AABBCC)均同时表现二倍化与非二倍化的减数分裂行为、产生整倍体与非整倍体后代,显示不同的基因组稳定性(B>A>C)。芸薹属异源四倍体、六倍体所具有的细胞质背景、染色体组的组合及亲缘关系均可影响它们的减数分裂行为、后代的染色体数目及组成,进而为遗传育种产生新材料。

芸薹属二倍体种的基因组结构及细胞遗传学研究进展

本文综合分析了细胞遗传学及比较基因组学在芸薹属栽培种基因组结构及进化方面的研究进展。测序物种的DNA序列比较分析显示,芸薹族特有的六倍体祖先基因组的进化途径为,先由芸薹科x=8的祖先核型衍生出染色体数减少的x=7的核型,然后该核型经过三倍化事件产生古老的六倍体基因组,最后才分化产生3个芸薹属栽培二倍体种。根据3个二倍体种测序基因组的比较分析,构建了具有9条染色体的芸薹属祖先基因组及所形成的二倍体的染色体组成。传统及分子细胞遗传学研究为二倍体种基因组的多倍体性质及部分同源性关系提供了直观的证据,特别是二倍体间的异源染色体附加系的减数分裂配对行为揭示了单条染色体间的同源性程度。最后,对依据近缘物种的基因组结构进行芸薹属作物种质资源的创建与利用提出建议。

植物异源多倍体中特定染色体组的剥离与重建

由于异源多倍体物种的进化时间久远,难以知晓确切的二倍体亲本,现在推测的自然界现存二倍体种又经历过独立的演化,因此,通过特定的实验方法从天然的异源多倍体物种中剥离出特定染色体组并重建异源多倍体的基本种,将为研究异源多倍化过程中祖先基因组的遗传与互作提供独特的材料。现已通过不同的杂交策略,从异源六倍体普通小麦和异源四倍体种甘蓝型油菜中成功重建它们的一个基本种。例如以人工合成的芸薹属异源六倍体(如埃塞俄比亚芥与白菜杂交的AA.BBCC)为桥梁,其中的C染色体组被选择性的丢失后产生的芥菜型油菜(AA.BB)与埃塞俄比亚芥杂交形成的杂种(BBAC)自交后便可重建黑芥(BB)祖先种;将四倍体与二倍体种之一杂交后形成的同源异源六倍体(如AAAACC)连续自交,使处于同源四倍体状态的染色体组(A)快速丢失而重建另一个二倍体基本种(CC)。

我国甘蓝型油菜远缘杂交和种质创新研究进展

本文对我国在甘蓝型油菜远缘杂交及种质资源创建方面的研究进行了总结与展望。我国重要的油料作物甘蓝型油菜系20世纪30、40年代由国外引入,取代白菜型与芥菜型油菜后于60、70年代大面积栽培,故遗传基础较狭窄。但我国的白菜和白菜型油菜、芥菜与芥菜型油菜具有非常丰富的变异类型,可为甘蓝型油菜的遗传改良提供许多所需的性状及基因,我国进行了大量的芸薹属种间(甘白、甘芥)杂交,培育出了优异品种与骨干亲本中油821、黄籽新材料、抗菌核病与根肿病新材料。还运用组织培养与体细胞融合技术,合成许多甘蓝型油菜与其他属植物的有性及体细胞属间杂种、附加系与易位系,选育出可供育种利用的新材料、新型的细胞质雄性不育系及恢复系。

菘油2号选育及油蔬两用价值初探

药用植物菘蓝的特定染色体附加到甘蓝型油菜所产生的附加系表现一定的抗病毒活性,但尚无营养成分、菜薹和菜籽产量、综合效益方面的研究。本研究以抗病毒油菜菘油1号为父本,细胞核雄性不育系川A-3为母本选育出菘油2号,并对其进行油蔬两用产量、农艺性状、菜薹营养、种子品质、综合效益等方面的研究。结果表明,具有菘蓝染色体特异标记的植株占48.56%,其菜薹营养丰富,维生素C和锌含量明显高于西兰花1-1-5、白花菜rB-112、红菜薹Q10005、初冬牛心甘蓝和萝卜CP4,氨基酸、蛋白质含量明显高于白花菜rB-112、红菜薹Q10005、初冬牛心甘蓝和萝卜CP4,与西兰花1-1-5相当。从播种到始摘薹的天数平均为117 d,菜薹产量为16908.8 kg/hm^(2),较摘薹对照增产75.1%。与单纯收籽栽培相比,摘薹后末花期延迟6~10 d,株高、全株角果数、每角粒数、千粒重、单株产量,含油量都显著降低,其末花期理论生物量平均124.3 t/hm^(2),收获油菜籽1127.3 kg/hm^(2),较摘薹对照增产16.4%,较单纯收油菜籽栽培减产42.3%,油蔬两用栽培平均综合效益108892.4元/hm^(2),比单纯收油菜籽栽培新增效益92920.4元/hm^(2)。菘油2号油蔬两用栽培对增进人类健康和油菜提质增效具有重要意义,具有巨大的推广前景。

利用菘蓝创建抗病毒油菜及新的雄性不育/恢复系统

十字花科菘蓝为我国传统的染料与药用植物,其基因组结构及遗传方面的研究较少。我们在十多年间系统开展了甘蓝型油菜与菘蓝的体细胞杂种合成及后代的选育,鉴定出全套甘蓝型油菜-菘蓝附加系,分解了菘蓝的基因组、确定了每条染色体上所携带的基因、基因所决定的代谢产物;特别是发现三个附加系具有较强的抗流感病毒活性,它们作为蔬菜、饲料、饲料添加剂及制药原料有重要的应用前景;培育出雄蕊心皮化发育的新型甘蓝型油菜细胞质雄性不育系(命名为"菘油"CMS),其线粒体DNA为双亲重组体,大部分来自菘蓝;将特定菘蓝染色体上与雄蕊发育相关的染色体片段导入甘蓝型油菜而获得"菘油"CMS的恢复系,从而实现了三系配套。

芸薹属栽培异源四倍体的基因组行为及附加系培育

芸薹属栽培种是研究作物异源多倍化过程中祖先基因组遗传行为的模式系统,本文综述了芸薹属异源四倍体的细胞学和遗传学研究进展。在远缘杂交诱导染色体丢失的情况下,3个四倍体染色体组的稳定性为埃塞俄比亚芥(埃芥)>芥菜型油菜>甘蓝型油菜,每个四倍体内染色体组的稳定性为B>A>C,即甘蓝型油菜(AACC)易于丢失较多来自C-染色体组的染色体,芥菜型油菜(AABB)与埃塞俄比亚芥(BBCC)中来自B染色体组的染色体最为稳定。天然与人工合成多倍体的遗传及表观遗传变化受细胞质与祖先染色体组的影响。最后介绍了甘蓝型油菜与诸葛菜及菘蓝异源染色体附加系的培育及遗传特点。

小麦DA1基因家族成员的鉴定及其表达谱分析

泛素受体DA1在控制种子和器官大小上发挥着重要作用。本研究以中国春小麦为材料,采用生物信息学的方法对小麦DA1基因家族成员进行了全基因组鉴定和分析,共鉴定到12个小麦DA1同源基因(TaDA1s),分别位于2B、2D、4A、4B、4D、5A、5B和5D染色体上,亚细胞定位预测结果表明其位于细胞核中。系统进化分析发现,TaDA1s可分为TaDA1、TaDAR1和TaDAR2三类。除TaDA1-2D1编码的蛋白只含有DA1-like结构域外,其他成员编码的蛋白均含有DA1-like、UIM和LIM结构域。启动子序列分析发现,TaDA1s的启动子区含有较多的响应激素、逆境以及与生长发育相关的顺式作用元件。通过公共的转录组数据和qRT-PCR试验验证,发现TaDA1s在不同组织中都有表达,在籽粒发育过程中,不同的小麦DA1基因呈现不同的表达模式,暗示存在基因功能分化现象;脱落酸(ABA)能够抑制TaDA1s的表达;在低温和盐胁迫条件下,TaDA1s基因表达有明显的差异。酵母双杂交和荧光素酶互补试验发现,TaDA1-2B、TaDAR1-5A和TaGW2存在转录自激活现象,且TaDAR1-5A与TaGW2有微弱的互作效应。本研究结果为进一步探究DA1基因家族在小麦中的生物学功能奠定了基础。