甘蔗类钙调素ScCML13与SCMV运动蛋白P3N-PIPO的互作研究

类钙调素(Calmodulin-like,CML)是植物特有的钙信号感受器蛋白之一,参与植物生长发育和响应外界环境信号转导。甘蔗(Saccharum spp.hybrid)中CML应答甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus,SCMV)侵染尚未见报道。本研究从甘蔗热带种Badila(S.officinarum)中克隆了一个CML基因,命名为ScCML13。该基因开放读码框(open reading frame,ORF)长度为519 bp,编码172 aa。生物信息学分析表明,ScCML13属于稳定的亲水脂溶蛋白,无跨膜结构域,有4个结合Ca2+的EF-hand结构域;系统进化树分析表明,该蛋白在单子叶和双子叶植物中及单子叶C3和C_(4)植物中具有明显分化;酵母双杂交(yeast two-hybrid,Y2H)和双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)试验表明,ScCML13与SCMV的运动蛋白P3N-PIPO互作。亚细胞定位试验表明ScCML13定位于内质网和细胞核。共定位试验发现ScCML13会干扰SCMV-P3N-PIPO的质膜(plasma membrane)或胞间连丝(plasmodesmata)定位。实时荧光定量PCR(Real Time Quantitative PCR,RT-qPCR)分析发现,ScCML13基因主要在甘蔗叶片中表达,在节间和根中的相对表达量低;ScCML13基因在感染SCMV后2 h显著上调,随后下调至与对照组相比的水平,而在感染后期上调。

甘蔗割手密种转录因子NAP亚家族的鉴定及SsNAP2a参与叶片衰老的功能分析

NAP(NAC-like,activated by apetala3/pistillata)是转录因子NAC基因家族中一类参与调控植物生长发育、叶片衰老及响应激素和非生物胁迫应答的亚家族。本研究利用甘蔗割手密种基因组数据和生物信息学方法,首先,基于比较基因组学对NAP亚家族成员进行鉴定、系统进化分析、保守结构域及顺式调控元件预测;其次,克隆获得割手密种SsNAP2的等位基因SsNAP2a,分析该基因在不同生长发育阶段的表达及其在激素和非生物胁迫下的表达特征;最后,利用瞬时表达和亚细胞定位分析SsNAP2a基因的功能。结果表明,在割手密种基因组中共鉴定5个NAP亚家族成员,亚细胞定位预测所有成员编码蛋白均定位于细胞核上,这些基因的Ka/Ks比值均小于1,表明纯化选择在演化中起到关键作用。系统聚类分析表明,5个代表性的被子植物(拟南芥、菠萝、水稻、玉米和高粱)与已报道的12个物种及甘蔗的NAP亚家族成员,共计46个,分为4个Clade,其演化的顺序Clade I>Clade II>Clade III>Clade IV。此外,在SsNAP亚家族成员的启动子区域预测到较多响应脱落酸和茉莉酸、低温等逆境胁迫的顺式作用元件,推测其参与多种激素和非生物胁迫相关应答通路。进一步,从割手密种SES208中克隆到SsNAP2a基因,该cDNA全长序列1173 bp(GenBank登录号为OQ335094),编码390个氨基酸残基,其与等位基因SsNAP2编码蛋白的序列相似性为97.70%,有10个氨基酸残基的差异,表明同源8倍体的割手密种等位基因序列差异较大。qRT-PCR分析表明,SsNAP2a基因在割手密种不同生长发育阶段中组成型表达,尤其在衰老的蔗皮和根中的表达量最高;在乙烯利(ethylene,ET)、脱落酸(abscisic acid,ABA)、4℃低温和40℃高温处理下,其表达量呈现显著诱导表达;而在8%聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG)胁迫下显著下调表达。亚细胞定位表明,SsNAP2a融合蛋白定位在细胞核上。瞬时过表达SsNAP2a基因7 d后,本氏烟(Nicotianabenthamiana)叶片有明显的卷曲、皱缩等衰老现象,ET合成相关基因(NtEFE26,NtAccdeaminase)显著上调表达,而水杨酸、茉莉酸和ABA合成相关基因(NtPR-1a/c、NtPR3和NtAREB1)显著下调表达,表明SsNAP2a基因参与多种激素信号传导途径诱发叶片衰老。以上研究结果为挖掘甘蔗NAP亚家族基因成员参与叶片衰老的生物学功能奠定了研究基础,也为培育甘蔗抗衰老分子育种提供候选的基因资源。

甘蔗抗褐锈病Bru1区域的鉴定及候选抗病基因的功能分析

【目的】甘蔗褐锈病是由黑顶柄锈菌(Puccinia melanocephala H. Sydow&P. Sydow)引起的最具破坏性的真菌病害之一,能造成蔗糖分降低10%—36%,严重威胁甘蔗产业发展。已有研究揭示抗褐锈病主效基因定位于Bru1区域,克隆其关键候选基因,并进行功能研究,为选育抗褐锈病甘蔗新品种提供重要的候选基因资源。【方法】利用PacBio SequelⅡ测序平台获得甘蔗栽培品种ROC22的contig水平基因组信息,鉴定到抗褐锈病Bru1区域,对其进行基因注释和克隆,分析其组织特异性和抗、感褐锈病甘蔗品种中的表达模式及其在烟草叶片的亚细胞定位和瞬时表达。【结果】基于Bru1位点区域紧密连锁的标记R12H16和9O20-F4,从该区域中注释到33个基因,结合典型抗病基因结构域,共筛选获得5个候选抗病基因,分别为Brrg99、Brrg103、Brrg108、Brrg115和Brrg116。以甘蔗栽培品种ROC22的cDNA为模板,克隆获得Brrg116的全长序列729 bp,编码242个氨基酸残基。将该基因序列分别比对甘蔗热带种和割手密种及二倍体近缘种高粱的基因组数据库,发现其与热带种和割手密种的同源基因序列相似性很高,达到98%以上,而与高粱的相似性为93.77%。系统进化树揭示该基因起源甘蔗割手密种。实时荧光定量PCR检测表明,Brrg116在甘蔗栽培品种的多个组织中组成型表达,尤其是在+1叶中的表达量最高,是蔗芽的9.8倍;在褐锈病菌侵染抗、感甘蔗栽培品种的6和72 h时,呈现显著差异表达。亚细胞定位结果显示,该基因编码蛋白定位于细胞膜上。在本氏烟(Nicotiana benthamiana)叶片中瞬时过表达Brrg116,其后接种茄病镰刀菌蓝色变种,二氨基联苯胺法(3,3′-diaminobenzidine,DAB)染色逐渐加深,超敏反应相关基因、水杨酸信号和乙烯信号途径中的相关基因持续上调表达。【结论】Brrg116在甘蔗不同组织中组成型表达,且在受褐锈病菌侵染的抗病甘蔗栽培品种中呈现快速的诱导表达。此外,过表达Brrg116引发水杨酸和乙烯等激素信号通路产生防御响应,推测该基因可能在提高植物的抗病性方面发挥重要调控作用。

甘蔗割手密种NAC转录因子ATAF亚家族鉴定及栽培品种ScNAC2基因的功能分析

NAC (NAM, ATAF和CUC)是陆生植物特有的转录因子家族,包含18个亚家族,其中ATAF亚家族成员广泛参与生物和非生物胁迫应答过程。本研究基于甘蔗割手密种基因组数据和栽培品种ROC22的cDNA文库,首先,通过比较基因组学方法,对ATAF亚家族成员进行鉴定、蛋白多序列比对、系统进化分析及启动子区域顺式作用元件预测;其次,从甘蔗栽培品种克隆获得割手密种ATAF亚家族成员SsNAC2的同源基因ScNAC2,在生物信息学分析基础上,采用qRT-PCR技术分析该基因的组织特异性表达模式,及其在不同外源胁迫下的表达特性;最后,对ScNAC2基因的编码蛋白进行亚细胞定位和转录激活活性试验。结果表明,一共鉴定到6个ATAF亚家族成员,开放读阅读框在889~1017bp之间,相对分子量介于32.067~35.819kD之间,理论等电点分布在5.09~8.92之间,所有成员的编码蛋白被预测均定位于细胞核上。这些基因的Ka/Ks比值均小于1,表明纯化选择在进化过程中起重要作用。蛋白的氨基酸序列比对显示,ATAF亚家族成员都含NAM保守结构域(由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ亚结构域组成)。系统进化分析揭示,禾本科的甘蔗、高粱、玉米与水稻亚家族成员都聚类在一起,表明有较近的亲缘关系,同时拟南芥、水稻、玉米和高粱等40个ATAF亚家族成员分为两个组(Group A和Group B),其中玉米ATAF亚家族发生明显的基因扩增现象。此外, ATAF亚家族成员启动子区域均包含响应低温、干旱和激素等逆境胁迫的顺式作用元件,推测其参与多种生物和非生物胁迫的应答过程。进一步,从甘蔗栽培品种ROC22中克隆获得ScNAC2基因的cDNA全长序列(GenBank登录号为OL982539),其开放读码框为891bp,编码296个氨基酸残基;该基因的编码蛋白与割手密种ATAF亚家族GroupB中SsNAC2蛋白的氨基酸序列相似性为97.99%。qRT-PCR表达分析结果表明, ScNAC2基因在甘蔗不同组织中组成型表达,在蔗叶和蔗皮中表达量高于蔗肉、蔗芽和蔗根;在水杨酸和茉莉酸甲酯胁迫下,表达量显著下调;在脱落酸、4℃低温和氯化钠胁迫下, ScNAC2基因的表达呈现由低到高的模式,且差异达显著水平。亚细胞定位结果显示, ScNAC2-GFP融合蛋白定位在细胞核上。转录激活活性试验表明, ScNAC2蛋白不具有转录自激活活性。以上结果为深入解析甘蔗NAC-ATAF亚家族成员在响应生物和非生物胁迫应答中的生物学功能奠定了基础,为甘蔗抗性分子育种提供潜在的基因资源。

甘蔗VAMP相关蛋白ScPVA12与甘蔗花叶病毒P3N-PIPO的互作研究

植物囊泡膜蛋白相关蛋白PVA12 (plant vesicle-associated membrane protein (VAMP)-associated proteins homolog12)属于VAP27家族蛋白,在细胞中介导内质网囊泡运输以及膜融合。甘蔗(Saccharumspp.hybrid)PVA12应答甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus, SCMV)侵染尚未见报道。本研究从栽培种新台糖22号(ROC22)中克隆了PVA12基因,命名为ScPVA12。该基因开放读码框(open reading frame, ORF)的长度为735 bp,其编码长度为244 aa的蛋白。生物信息学分析表明,ScPVA12是一种不稳定的亲水性脂溶蛋白,C端具有跨膜结构域;二级结构中无规则卷曲占比最高;进化树分析表明,该蛋白在单子叶和双子叶植物中存在明显分化。酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)和双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)试验表明, ScPVA12与SCMV-P3N-PIPO蛋白互作。亚细胞定位试验表明ScPVA12定位于内质网。共定位试验表明ScPVA12与SCMV-P3N-PIPO共定位于内质网。实时荧光定量PCR分析发现,ScPVA12基因在甘蔗各组织中均有表达,在第8节间中的表达量最低,在正七叶中的表达量最高;SCMV侵染对ScPVA12基因表达影响显著,在SCMV胁迫下ScPVA12基因先下调表达,后期恢复正常水平。

甘蔗谷胱甘肽硫转移酶ScGSTF1与P3N-PIPO互作应答甘蔗花叶病毒侵染的研究

谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase, GST, EC2.5.1.18)广泛分布于具有细胞结构的生物中。在植物中,GST参与调控生长发育、异生物质解毒及逆境应答。本课题组以甘蔗花叶病毒(Sugarcanemosaicvirus,SCMV)编码蛋白P3N-PIPO为诱饵,从甘蔗(Saccharumspp.hybrid)叶片cDNA酵母文库中筛选到1个GST基因,并从甘蔗原始栽培种Badila中克隆了该基因,其开放读码框(open reading frame, ORF)长度为645 bp,编码214个氨基酸。序列比对及进化树分析表明,该基因编码蛋白属于GST家族的Phi (F)类型(GSTF),因此命名为ScGSTF1。进一步的生物信息学分析表明,ScGSTF1不存在跨膜区域,为稳定的亲水性脂溶蛋白;GST蛋白在单子叶和双子叶植物中及C3和C4植物中存在明显的分化。酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)和双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)试验表明, ScGSTF1与SCMV-P3N-PIPO蛋白互作。亚细胞定位试验表明ScGSTF1定位于内质网。实时荧光定量PCR分析表明, ScGSTF1在甘蔗各个组织中显著差异表达,在第3节间中的表达量最高,在心叶及根中的表达量最低;SCMV侵染显著性影响ScGSTF1基因的表达水平,侵染早期上调表达,随后下调,但仍保持显著高于对照的水平。

甘蔗ScNRAMP基因家族的鉴定与生物信息学分析

NRAMP蛋白(natural resistance-associated macrophage proteins)家族在植物响应重金属胁迫时具有重要作用,能够转运Fe^(2+)、Mn^(2+)、Zn^(2+)和Cd^(2+)等重金属离子。为探究甘蔗ScNRAMP基因家族的特征,该文基于甘蔗割手密基因组鉴定了ScNRAMP基因家族,并进行了理化特性、基因结构、顺式作用元件、保守基序、结构域和进化关系等分析。结果表明:甘蔗ScNRAMP基因家族含有29个成员,不均匀分布在19条染色体上;编码蛋白均为不稳定蛋白,无信号肽,亚细胞均定位在质膜上;各成员保守基序有6~10个不等,跨膜数有6~12个不等,二级结构主要构成元件为α-螺旋和无规则卷曲;顺式作用元件分析表明甘蔗ScNRAMP基因家族可能通过激素代谢参与逆境胁迫和生长发育等生物过程;利用割手密的RNA-seq转录组表达数据进行的组织特异性分析发现,ScNRAMP在甘蔗不同发育阶段的叶和茎中具有时空表达特性;进化树分析将甘蔗ScNRAMP家族成员分为3个亚家族(I、Ⅱ和Ⅲ)。该研究在全基因组水平上系统地鉴定了现代栽培甘蔗祖先种之一割手密NRAMP基因家族,为进一步了解甘蔗NRAMP基因家族提供了基础,也为后续甘蔗重金属研究提供了重要候选基因。

甘蔗PIN-LIKES基因家族的鉴定与表达分析

PILS(PIN-LIKES)是一类新发现的生长素输出载体,协助生长素的极性运输。本研究立足甘蔗割手密基因组和栽培品种转录组数据,利用生物信息学分析技术,分别在割手密和栽培品种中鉴定到11个PILS(Saccharum spontaneum PIN-LIKES,SsPILS)基因和4个PILS(Saccharum spp.hybrid PIN-LIKES,ScPILS)基因。结果表明,11个SsPILS基因家族成员分布于6条染色体上,基因内含子数量介于5~11个。系统进化树分析发现,割手密PILS与水稻PILS有较高同源性,归属于3个不同的系统发育分支。转录组数据分析显示,SsPILS1c的同源基因ScPILS1c在受高粱花叶病毒和黑穗病菌胁迫甘蔗栽培种中差异表达。通过RT-PCR扩增技术,克隆获得ScPILS1c基因序列(NCBI accession number:OM258732)。该基因全长cDNA为1332 bp,包含一个1233 bp的完整开放阅读框,编码410个氨基酸,理论等电点(pI)为6.17,不稳定系数为39.31,平均疏水性值为0.689,预测ScPILS1c为稳定酸性疏水蛋白。其编码蛋白的二级结构主要包括α-螺旋(48.54%)和无规则卷曲(35.37%),这与三级结构预测结果相符。qRT-PCR表达分析揭示,ScPILS1c基因在甘蔗中的表达具有组织特异性,在蔗髓中表达量最低、皮中的表达量最高,同时该基因的表达受H2O2及黑穗病菌的显著性诱导。亚细胞定位表明,ScPILS1c基因的编码蛋白主要定位于细胞膜。以上结果为深入研究甘蔗PIN-LIKES基因的结构和功能积累了基础资料。

甘蔗割手密种糖转运蛋白基因SsSWEET11的克隆与功能分析

SWEET蛋白通过调控植物体内糖分的运输、分配、转化和贮藏,广泛参与植物生长发育及响应病原菌胁迫的生理生化过程。为揭示SWEET基因在甘蔗生长发育及其与赤条病菌互作中的生物学功能,本研究基于甘蔗割手密种全长转录组文库和比较基因组学,根据注释SsSWEET11基因序列设计特异引物,利用RT-PCR技术从甘蔗割手密种cDNA文库中扩增该基因的全长序列,运用多种生物信息工具分析其特征,构建系统进化树;采用不同组织和抗、感赤条病的甘蔗品种分析SsSWEET11的表达模式;利用瞬时表达和亚细胞定位分析SsSWEET11的功能。结果表明,从甘蔗割手密种克隆获得SsSWEET11基因(登录号为OP554214),该基因全长927bp,编码308个氨基酸残基,具有2个MtN3_saliva结构域和7次跨膜结构域。系统进化树分析显示,SsSWEET11属于SWEET蛋白家族第Ⅲ亚家族成员,与高粱SbSWEET11相似性高达97.41%。qRT-PCR分析表明, ShSWEET11基因在不同组织中组成型表达,在蔗叶和根中表达量显著高于其他组织;赤条病菌胁迫下,ScSWEET11基因在抗病品种ROC22和感病品种MT11-610中呈现完全不同的表达趋势,与对照相比,抗病品种中该基因的表达量显著下调,而感病品种中,在胁迫48h和72h后该基因的表达量显著上调,分别为对照的5.90倍和5.43倍。亚细胞定位表明, SsSWEET11-GFP融合蛋白定位在质膜上。瞬时过表达SsSWEET11基因1 d后,二氨基联苯胺(Diaminobenzidine, DAB)对本氏烟叶片进行染色,叶片颜色没有变化,再接种烟草青枯菌、茄病镰刀菌蓝色变种7 d后,过表达植株叶片发病比对照组严重,且过敏反应相关基因、茉莉酸和水杨酸代谢途径相关基因呈现上调表达,而乙烯通路相关基因则没有响应,表明SsSWEET11基因参与茉莉酸和水杨酸信号传导通路,且病原菌侵染本氏烟草叶片能够诱发过敏反应。研究结果不仅为开发与甘蔗抗赤条病菌性状关联的分子标记提供积累,也为深入解析赤条病侵染甘蔗的分子机制奠定一定的基础。

不同土壤改良措施对机械压实酸化蔗地土壤理化性质及微生物群落结构的影响

探讨不同土壤改良措施对土壤物理性质、养分、微生物和甘蔗产量的影响,对机械压实后酸性土壤改良策略的制定具有较为重要的意义。本研究设置添加松土精(B2)、添加生物菌肥(B3)、添加有机肥(B4)、添加生石灰(B5)4种土壤改良处理,以不添加土壤改良剂作为对照(B1),连续2个作物季对蔗地土壤物理性质、养分、微生物和甘蔗产量构成等指标进行研究。结果表明, B4处理可显著降低土壤容重、紧实度、贯入阻力和抗剪强度,提高土壤总孔隙度、通气孔隙度和毛孔孔隙度,其固相容积率显著低于对照,液相容积率显著高于对照,土壤有机质含量、全氮含量得到显著提升, B2、B3处理紧实度和总孔隙度降低,土壤物理性状得到一定改善, B5处理土壤pH值显著提升,土壤酸性得到改善, B3、B5处理土壤有效磷含量得到显著提升。4种土壤改良措施土壤细菌和真菌Shannon指数、Chao1指数和ACE指数均高于对照,均能提升土壤耕层细菌和真菌的物种多样性和物种丰富度,降低土壤细菌中Proteobacteria (变形菌门)和Acidobacteria (酸杆菌门)的相对丰度、真菌中Basidiomycota (担子菌门)的相对丰度,增加细菌中Actinobacteria (放线菌)和Chloroflexi (绿弯菌门)的相对丰度、真菌中Ascomycota (子囊菌门)的相对丰度,并改变其他真菌群落组成。4种土壤改良措施均可不同程度地提高成熟期甘蔗有效茎数和单茎重,从而增加甘蔗产量;效果以添加有机肥最好,生物菌肥其次。本研究为筛选适合改良和培肥机械压实酸性土壤措施,提高甘蔗产量提供了科学依据。

施用硅肥对甘蔗抗条螟性及其产量的影响

为明确甘蔗施用硅肥对甘蔗条螟(Chilo sacchariphagus Bojer)抗性的影响,在田间自然螟虫胁迫条件下,对甘蔗含硅量、抗条螟性指标和产量性状等进行测定。结果显示,硅肥在187.5~750 kg/hm^(2)施用量范围内能显著提高整个生长季甘蔗植株的硅含量,显著降低甘蔗条螟钻蛀率和为害程度。硅肥施用量、植株硅含量和抗条螟性指标间响应一致。采用因子分析对7个抗条螟性指标进行简化,可分为3个公因子,即苗期条螟为害因子、工艺成熟期条螟为害因子和条螟生长发育因子。苗期螟害枯心率、工艺成熟期螟害节率和羽化率可作为硅肥调控甘蔗对条螟抗性效应的评价指标。经逐步回归分析可知,在7个抗条螟性指标中,苗期螟害枯心率和累积蛀道长度对蔗茎产量影响最大。562.5 kg/hm^(2)硅肥施用量对甘蔗条螟防治效果和甘蔗增产效应最适宜。研究表明,硅肥能显著提升甘蔗植株硅含量,增强甘蔗植株对条螟的抗性,有效降低甘蔗条螟发生为害,促进甘蔗增产增收。

甘蔗割手密种类甜蛋白家族鉴定及栽培种同源基因功能分析

类甜蛋白(thaumatin-like protein,TLP)在植物生长发育和抵抗逆境胁迫中发挥重要作用。为全面了解甘蔗TLP家族基因的结构和功能特性,本研究利用甘蔗野生种割手密基因组数据库和生物信息学方法,首先筛选获得122个SsTLP家族基因并进行蛋白理化性质、基因染色体分布、基因结构和系统进化等分析;其次,从我国大陆主栽甘蔗品种ROC22中克隆到1条SsTLP87的同源基因ScTLP1,并对其基因表达模式、亚细胞定位、瞬时表达和转录自激活活性进行鉴定。结果表明,122个SsTLP家族基因分布在28条割手密染色体上,且存在多基因聚集现象,每条染色体上有1~13个SsTLP基因,多数SsTLP蛋白被预测为定位于细胞质的酸性疏水性不稳定蛋白。SsTLP家族基因结构类型多样,其内含子数目(1~30)、内含子相位(0~2)和Motif(1~5)存在多种类型和分布。系统进化树分析显示,SsTLP基因编码蛋白分别聚类在TLP家族的Ⅰ~Ⅹ分支上,其中具有抑菌潜力的第Ⅴ类SsTLP数量最多(36个)。从甘蔗栽培种ROC22克隆获得的ScTLP1基因编码227个氨基酸残基,属于第Ⅴ类进化聚类组,定位于细胞膜,不具有转录自激活活性,其与割手密SsTLP87蛋白的氨基酸序列相似性高达99.56%。qRT-PCR分析表明,ScTLP1基因在甘蔗不同组织部位组成型表达,且在蔗芽部位的表达量最高。ScTLP1基因在脱落酸(abscisic acid,ABA)和水杨酸(salicylic acid,SA)处理下的表达量无显著变化,但受甘蔗黑穗病菌(Sporisorium scitaminea)、茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)、氯化钠(sodium chloride,NaCl)、聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和4℃低温诱导上调表达。瞬时过表达ScTLP1基因后,本氏烟(Nicotiana benthamiana)叶片中的DAB染色加深,乙烯合成相关基因NtEFE26和茉莉酸代谢途径相关基因NtPR3上调表达,且接种烟草青枯菌(Pseudomonas solanacearum)和烟草茄病镰刀菌蓝色变种(Fusarium solani var.coeruleum)的ScTLP1基因瞬时过表达叶片发病情况较对照组轻,表明ScTLP1基因可以诱发本氏烟的过敏反应,参与乙烯和茉莉酸信号传导途径,增强本氏烟对病原菌的防御效应。研究结果为深入探究甘蔗TLP家族基因的结构和功能奠定了良好的基础。

甘蔗大型机械化收获模式对蔗地土壤物理性状和宿根蔗产量的影响

为明确机械收获对蔗地土壤物理性状和宿根蔗产量的影响,以消除蔗农对大型机械收获系统对甘蔗耕层土壤严重压实的顾虑。以广西红壤坡耕地为研究对象,设置机械收获和人工收获2种处理,研究机械收获对耕层土壤物理性状和宿根蔗产量的影响。结果表明:蔗垄0~40 cm土层,土壤容重、贯入阻力、抗剪强度、田间持水量和总孔隙度等土壤物理性状在机械收获和人工收获间均无显著差异。蔗沟0~20 cm土层,机械收获后,土壤紧实度、贯入阻力和抗剪强度显著提高,总孔隙度和通气孔隙度下降。同人工收获相比,机械收获过程中,机具行走对蔗沟土壤造成压实,但对蔗垄土壤影响不显著。蔗垄土壤紧实度在垂直梯度上存在2个明显交替变化的界面,0~20 cm土层以人工收获的土壤紧实度较高,20~40 cm土层以机械收获的土壤紧实度较高。第1年宿根季和第2年宿根季人工收获处理蔗茎产量均高于机械收获处理,但差异不显著。综上所述,在固定道技术下,甘蔗机械收获对蔗垄土壤物理性状和宿根蔗产量的影响不显著。本研究为规范甘蔗机械收获操作,减少大型机械对蔗地土壤压实提供了科学依据。

甘蔗抗黄锈病G1标记的分子检测及候选抗病基因WAK的分析

甘蔗黄锈病是屈恩柄锈菌(Puccinia kuehnii Butler)引起的一种世界性真菌病害,导致产量减少和糖分降低,给甘蔗产业造成严重损失。本研究采用抗黄锈病分子标记G1,检测我国和世界上重要的甘蔗栽培品种、野生种和近缘属的抗黄锈病基因,并对扩增的代表性特异条带进行克隆测序、功能注释和聚类分析,推测其抗性基因的起源和进化。G1检测结果表明,国内124份甘蔗栽培品种检测到G1标记的有83份,占66.9%;国外46份甘蔗栽培品种检测到G1标记的有31份,占67.4%。34份甘蔗野生种和近缘属中检测到G1标记的有17份,占50%,其中割手密种含有该基因比例最高,为100%。功能注释揭示,G1标记的候选基因编码一种细胞壁连接的类受体激酶,并在甘蔗栽培品种的单倍体蛋白组数据库中鉴定到3个相似度较高的蛋白,这些蛋白都有细胞壁受体激酶结构的胞外域、跨膜域和激酶活性的胞内域。聚类结果则清晰展示了抗病候选基因的起源及进化关系,具体可分为3组,第1组来源于割手密种和大茎野生种;第2组来源于大茎野生种、热带种和河八王属;第3组来源于割手密种、大茎野生种、中国种和栽培品种。研究结果为抗黄锈病甘蔗品种的选育提供重要的抗源支撑,并为抗性分子机制的解析奠定基础。

甘蔗热带种金属硫蛋白家族基因的克隆及响应重金属胁迫的表达分析

金属硫蛋白是一类富含巯基的低分子量蛋白,在植物的重金属解毒及细胞氧化还原调控等方面起重要的作用。本研究以甘蔗热带种Badila组培苗为材料,分别测定了其在CdCl2、ZnSO4和CuCl2水溶液培养条件下地上部和地下部的重金属含量,结果显示其对上述3种重金属有较强的耐受与富集能力。继而克隆了ScMT1(登录号为KJ504373)、ScMT2-1-5(登录号为MH191346)和ScMT3(登录号为KJ5043704)3个金属硫蛋白家族基因,它们分别属于植物MT亚家族中的MT1、MT2和MT3型基因。ScMT1含有1个内含子和2个外显子,开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)长228 bp,编码75个氨基酸;ScMT2-1-5含有2个内含子和3个外显子,ORF长246 bp,编码81个氨基酸;ScMT3含有1个内含子和2个外显子,ORF长198 bp,编码65个氨基酸。RT-qPCR显示,Cd2+胁迫下,在甘蔗地上部和地下部,ScMT2-1-5均连续显著上调表达,而ScMT1的上调应答出现延迟。ScMT3在地上部的上调应答出现延迟,在地下部呈“扬-抑”趋势,提示甘蔗响应Cd^2+胁迫过程中ScMT2-1-5起更积极的作用,ScMT1参与胁迫后期的分子响应,而ScMT3不起主导作用。Cu^2+胁迫下,地上部ScMT1连续显著上调表达,ScMT2-1-5和ScMT3呈总体上调的表达趋势;地下部,ScMT1和ScMT2-1-5的上调表答均出现延迟,仅在胁迫后期显著上调表达,而ScMT3仅在胁迫前期显著上调表达。该结果提示了ScMT1、ScMT2-1-5和ScMT3在Cu2+胁迫响应过程中的协作关系,三者共同参与了地上部的胁迫响应,其中ScMT1起更积极的作用;此外三者还先后参与了地下部对Cu^2+胁迫的分子响应。Zn^2+胁迫下,ScMT1和ScMT3分别仅在地上部和地下部显著上调表达;ScMT2-1-5在地上部和地下部均呈“扬-抑”的应答趋势;提示了在甘蔗响应Cd^2+胁迫应答过程中ScMT1和ScMT3分别在地上部和地下部起主要作用,ScMT2-1-5参与了胁迫前期的分子响应。ScMT1、ScMT2-1-5和ScMT3在甘蔗不同组织中及在重金属(Cd^2+、Zn^2+或Cu^2+)不同累积水平下呈现出相似或互补的应答特性,提示上述甘蔗MT家族不同成员在重金属解毒及细胞氧化还原调控等方面产生了功能分化,且三者在应对过量Cd^2+、Zn^2+或Cu^2+对甘蔗组织造成伤害的过程中存在时空上的协同作用。该研究为深入理解多倍体植物甘蔗中MT家族各成员基因在重金属耐受过程中的协同作用机制奠定了基础。

甘蔗DNA分子指纹图谱研究进展

分子指纹图谱直接反映生物个体在DNA水平上的差异,可有效鉴别植物品种,保护品种权。甘蔗是无性繁殖作物,在生产上更容易造成品种混杂。本文概述了指纹图谱的分类、概念和作用,近年来国内外常见的DNA分子指纹图谱方法(RFLP、RAPD、AFLP、SSR、ISSR、SNP)在甘蔗中的研究进展,以及指纹图谱在甘蔗品种鉴别与育种研究中的应用,探讨了我国甘蔗分子指纹图谱研究中存在的问题,并由此指出构建甘蔗标准指纹图谱库和分子身份证的必要性与迫切性。

甘蔗Rieske Fe/S蛋白前体基因ScPetC的克隆及表达分析

细胞色素b6f复合体还原型铁硫蛋白前体(Cytochrome b6f complex Rieske Fe/S precursor protein,PetC)是由细胞核PetC基因编码的蛋白,其成熟蛋白参与构成细胞色素b6f复合体,是电子传递的重要元件。基于前期构建的受高粱花叶病毒(Sorghum mosaic virus,SrMV)侵染的甘蔗转录组数据库,从主栽甘蔗品种‘新台糖22号’叶片中成功克隆到该基因,并命名为ScPetC(GenBank登录号为MH333037.1)。生物信息学分析发现,ScPetC基因cDNA全长824bp,包含了一个678bp的开放阅读框,编码226个氨基酸。ScPetC属于PRK13473超家族,其C末端具有典型的Rieske保守结构域;蛋白理论等电点为8.19,属于稳定的、亲水性蛋白;二级结构多为无规则卷曲,三级结构预测其比其他植物PetC多出一段α螺旋结构。在本氏烟(Nicotiana benthamiana)叶片瞬时表达中,ScPetC定位于叶绿体、细胞质和细胞膜。尽管前人研究表明,ScPetC的表达量会受SrMV侵染的影响,不同于半夏(Pinellia ternata)PetC与大豆花叶病毒(Soybean mosaic virus,SMV)P1蛋白之间的互作,ScPetC不能与SrMV-P1蛋白互作,但能与甘蔗黄叶病毒(Sugarcane yellow leaf virus,SCYLV)P0蛋白互作。实时荧光定量PCR分析表明,ScPetC基因在甘蔗不同组织中均有表达,但在叶片中的表达量最高。甘蔗受脱落酸胁迫3 h时,ScPetC表达量显著上调,但是随着处理时间的延长,表达受到抑制;在茉莉酸甲酯、水杨酸、氯化铜、氯化镉和氯化钠胁迫下,ScPetC表达量均显著下调。本研究通过对ScPetC生物学功能、环境外源激素与重金属等胁迫下的表达模式及其与甘蔗病原病毒蛋白互作的初步探究,增加了对甘蔗PetC的了解,也为深入研究其在甘蔗受黄叶病毒侵染中的作用奠定基础。

基于转录组及WGCNA的甘蔗干旱响应调控网络分析

干旱是制约甘蔗产业发展的重要因素之一。前人研究表明,斑茅具有良好的抗性基因,可以通过远缘杂交遗传给后代。本研究以斑茅与甘蔗杂交F1代无性系YCE96-40为材料,对苗期干旱处理0 h和24 h后的叶和根进行转录组测序分析,比较了根和叶在转录水平上响应干旱的差异,鉴定出21,885个(DR vs CR:10176,DL vs CL:7907)差异表达基因(DEGs),根中差异表达基因多于叶中,说明根对干旱胁迫响应更为剧烈。GO功能富集分析发现,根和叶中DEGs均富集到与脱水反应相关及激素信号转导过程相关的条目,比如“对渗透胁迫生物过程的响应”和“对缺水生物过程的反应”等。与叶不同的是,根中大量DEGs显著富集到与细胞膜相关的条目。在根中鉴定出多个木质素相关DEGs,表明木质素参与了根的干旱响应。通过对所有DEGs进行WGCNA分析,共鉴定出11个基因共表达模块,其中与干旱处理后的根显著相关有5个模块,与干旱处理后的叶显著相关的有2个模块。进一步筛选出了26个转录因子为甘蔗干旱响应的候选转录因子,构建了调控网络。研究结果为进一步理解甘蔗抗旱性的分子机制及甘蔗抗旱性育种提供了理论指导。

甘蔗栽培种WRKY基因家族鉴定及其在黑穗病菌胁迫下的表达分析

从甘蔗栽培种R570基因组数据库中挖掘到60个ShWRKY(ShWRKY1~ShWRKY600)基因,分布于10条染色体上,每条染色体上有3~13个ShWRKY基因.系统进化树分析表明60个ShWRKY蛋白中,属于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类的分别有10、32和18个.所有ShWRKY家族成员皆为亲水性核定位蛋白,且除ShWRKY13为稳定蛋白外,其余家族成员都不稳定.ShWRKY基因家族的外显子数目为1~5个,保守基序数目为3~7个.启动子区域序列预测显示,ShWRKY基因包含多个与胁迫、生长发育和激素响应相关的顺式作用元件.表达谱分析显示,ShWRKY基因在甘蔗不同组织中差异表达,且参与对黑穗病菌胁迫的响应过程.RT-qPCR检测结果显示,接种黑穗病菌7 d后,ShWRKY37基因在2个甘蔗抗病品种和1个感病品种中上调表达,而在另外1个感病品种中下调表达;ShWRKY51基因则在抗病品种中下调表达,而在感病品种应答早期(1 d)上调表达.

甘蔗类泛素蛋白UBL5应答SCMV侵染及其与SCMV-6K2的互作

泛素化修饰在蛋白功能调控、生长发育和逆境应答中具有重要作用。类泛素蛋白(ubiquitin-likeproteins,UBLs)是泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system,UPS)的重要组分。本课题组前期利用酵母双杂交(yeast two-hybrid,Y2H)技术从甘蔗(Saccharumspp.hybrid)中分离鉴定了1个与甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus,SCMV)编码蛋白6K2互作的类泛素蛋白UBL5,命名为Sc UBL5,长度为73aa。本研究利用双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)试验进一步证实了Sc UBL5与SCMV-6K2互作;生物信息学分析表明,Sc UBL5为稳定的亲水性非分泌蛋白,无信号肽和跨膜结构。系统进化树分析表明,Sc UBL5具有明显的种属特异性。亚细胞定位分析表明,Sc UBL5定位于细胞质和细胞核。实时荧光定量PCR分析发现,Sc UBL5基因的表达具有明显的组织特异性,在完成形态建成的正一叶、第7叶、根和第8节间中的相对表达量显著高于未成熟的心叶和第3节间;SCMV侵染对Sc UBL5基因表达影响显著,Sc UBL5基因在侵染早期显著上调,侵染后期下调但显著高于对照。