应用病毒诱导基因沉默技术研究棉花GhAKT1和GhKT2基因的功能

【目的】本研究旨在揭示棉花钾离子(K^+)吸收机制。【方法】以国欣棉3号和中棉所41为材料,应用病毒诱导基因沉默技术研究棉花K^+通道基因GhAKT1和K^+转运体基因GhKT2的功能。【结果】在低水平供K^+(0.1 mmol·L^(-1))和充分供K^+(2.5 mmol·L^(-1))条件下,沉默GhAKT1和GhKT2基因使棉花幼苗的K^+积累量分别降低15%左右和25%以上。此外,沉默GhAKT1和GhKT2基因导致棉花幼苗对K^+的最大吸收速率和亲和能力出现不同程度的下降。药理学试验结果表明,在外界K^+浓度低于250μmol·L^(-1)的条件下,高亲和系统对棉花K^+吸收的贡献大于K^+通道;而且GhAKT1蛋白可能是1个对NH4+比较敏感的组分。【结论】棉花K^+通道蛋白GhAKT1和K^+转运体蛋白GhKT2具有吸收K^+的功能,而且表现出双亲和吸收K^+的特性,可作为改善棉花钾营养的候选基因。

水培条件下病毒诱导棉花基因沉默体系的建立及优化

以国欣棉3号为材料,以棉花GhCLA1为指示基因,探讨了生长温度、重悬液浓度、注射时间、品种等对水培棉花pTRV介导的VIGS沉默效率的影响。在24℃条件下,出苗后3~5 d内注射能得到较高沉默效率,重悬液浓度对沉默效率没有影响;同时以注射pTRV-GFP作为空白对照可以消除插入片段对植株生长的影响,减小对照误差;水培与土培方式相比能更快更早出现沉默表型,缩短试验周期,并能诱导不同品种棉花材料GhCLA1基因沉默;利用水培棉花TRV-VIGS体系,成功抑制了棉花GhCTR1基因的表达,与对照株相比,抑制后的棉花植株出现矮化表型,说明水培棉花TRV-VIGS体系建立在棉花研究中的广谱利用性。

冠菌素对玉米籽粒灌浆特性与淀粉合成的调控效应

玉米产量与籽粒灌浆特性紧密相关,调控籽粒灌浆特性是实现玉米高产的重要途径之一。本研究采用不同浓度冠菌素对灌浆期玉米(吐丝后10d)进行叶面喷施处理,研究冠菌素(coronatine,COR)对玉米籽粒灌浆特性、淀粉含量和淀粉合成关键酶活性及其基因表达的调控效应。2年田间试验研究结果表明,COR对玉米果穗性状、产量、籽粒灌浆和淀粉合成的调控具有明显的浓度效应,适宜浓度COR(1.0mgL^-1)处理显著降低玉米果穗秃尖长度,增加穗粒数和千粒重,提高籽粒灌浆速率,延长灌浆持续期,提高产量。此外,适宜浓度COR处理显著提高玉米籽粒灌浆过程中淀粉合成相关酶AGPase、SSS、GBSS和SBE的活性,上调淀粉合成关键酶基因ZmSH1、ZmSH2、ZmWX1和ZmAE1的表达量,促进籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的积累,提高了籽粒淀粉含量。研究结果明确了COR对玉米籽粒形态建成与物质积累的调控效应,为玉米增产增效栽培提供了新的技术手段。

冬小麦-夏玉米轮作“双晚”种植模式下的品种匹配与资源效率

探索适宜于麦玉"双晚"种植模式下抗逆丰产稳产的冬小麦夏玉米品种组合特性及其与自然资源匹配特征,对于保障冬小麦夏玉米抗逆丰产高效生产具有重要意义。本研究于2017—2019年通过田间试验,选用华北平原主推的冬小麦与夏玉米品种各8个,设置区域麦玉"双晚"接茬模式和水分控制处理,通过水分利用效率、籽粒灌浆特征、生育进程、周年光温水资源利用效率等综合分析与评价,探明宜于"双晚"模式下麦玉品种组配特征及其资源利用效率。结果表明,在常规节水灌溉和生育期雨养模式下冀麦325、石麦15和济麦22的产量在两个生长季均高于供试品种平均产量,其中冀麦325和石麦15的抗旱系数均高于济麦22;同时,济麦22、冀麦325和石麦15具有较高的灌浆速率、穗粒数和粒重,其高稳系数在不同灌溉模式下均高于供试品种平均值。在供试玉米品种中,登海605、伟科702、MC670、农华816的产量和高稳系数均高于供试品种的平均值,其中MC670、登海605、先玉335的灌浆速率在2个生长季均高于供试品种的平均值,而迪卡517和先玉335在供试品种中收获期籽粒含水量最低、平均脱水速率最高。基于品种丰产稳产性、抗旱性、灌浆特征和脱水特征的综合分析,筛选出周年产量和资源利用效率最高的品种组合为冀麦325-MC670,2年较对照济麦22-郑单958品种组合周年产量提高17.2%和17.9%、光、温和灌溉水利用效率分别提高18.6%和20.0%、18.1%和18.9%、17.4%和18.1%,经济效益分别增加8800元hm^(-2)和9600元hm^(-2);为适应麦玉周年全程机械化管理模式,玉米品种应组配脱水快、籽粒收获含水量低的迪卡517或先玉335,与济麦22-郑单958组合相比,周年产量两年分别提高4.7%和14.4%、光温和灌溉水利用效率分别提高5.6%和16.3%、4.7%和15.4%,5.0%和14.6%,经济效益增加2080元hm^(-2)和7080元hm^(-2)。综上所述,在麦玉"双晚"模式下,通过优化品种组合,与当前主推品种组合相比,能进一步实现周年产量和资源利用效率的协同提升。

不同灌溉条件下冠菌素对大豆光合特性与产量的调控效应

干旱是限制大豆丰产稳产的重要因素之一,利用生物调节剂提高大豆耐旱性是生产中一种新型的生物节水管理模式。本研究在常规灌溉与无灌溉条件下,采用生物调节剂冠菌素(COR)于大豆初花期进行叶面喷施处理,研究COR对植株农艺性状、叶片水势和光合特征、产量及其构成因素的调控效应。试验结果表明:在正常灌溉条件下,COR处理对大豆叶片水势、叶绿素含量、光合速率、叶绿素荧光参数、RuBP羧化酶和SPS活性等影响较小,与对照相比其产量和生物量差异不显著。但在生长季无灌溉的雨养条件下,COR处理会显著提高大豆开花后叶片水势、叶绿素含量、光合速率和叶绿素荧光参数,增加叶片RuBP羧化酶和SPS活性,改善大豆产量构成因素,最终导致籽粒产量增加。总之,在雨养条件下,COR对大豆光合特征和产量形成具有积极的调控效应。

ACC处理对不同基因型玉米幼苗响应氮素供给的调控效应

乙烯对玉米生长发育与形态建成具有重要调控作用,但乙烯对玉米氮素吸收与积累调控效应缺乏深入研究,局限了乙烯在玉米丰产高效栽培中的应用。本研究以郑单958、瑞福尔1号和德美亚3号3个玉米品种为试验材料,比较研究不同基因型玉米植株对氮素供给的响应差异,结合外源添加乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylicacid,ACC),分析乙烯对不同基因型玉米氮素吸收的调控效应。研究结果表明,在低氮条件下,氮素敏感型品种(德美亚3号和瑞福尔1号)比郑单958叶片缺氮表型明显,对ACC处理敏感,而且ACC处理抑制玉米植株地上和地下部的生长和干物质积累;ACC处理抑制了低氮下叶片叶绿素合成,降低叶片可溶性蛋白积累,促进玉米叶片早衰,其中ACC处理郑单958叶片叶绿素和可溶性蛋白含量均显著高于德美亚3号和瑞福尔1号;进一步研究发现,低氮处理抑制乙烯合成关键酶基因ZmACS7和ZmACO15的表达,降低乙烯含量,ACC处理促进低氮条件下ZmACS7和ZmACO15基因的表达,提高乙烯含量;低氮处理抑制玉米根系中ZmNRT2.1表达,但ACC处理促进低氮下玉米根系中ZmNRT2.1表达,其中郑单958根中ZmNRT2.1表达在低氮条件下显著高于德美亚3号和瑞福尔1号。研究结果表明乙烯通过调控玉米植株乙烯合成关键酶基因和ZmNRT2.1表达,调节了氮素吸收与分配,影响了植株生长,其中氮素敏感性品种比持绿型品种对乙烯更为敏感。

利用病毒诱导的基因沉默cDNA文库高通量筛选鉴定棉花功能基因

为快速、高通量研究棉花功能基因,本研究以陆地棉欣试17为材料,棉花GhCLA1为标记基因,利用棉花病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing,VIGS)cDNA文库对幼苗生长和盐胁迫应答相关基因进行筛选和鉴定。VIGS转化7~14d观察植株长势和盐胁迫应答表型,共获得8个与幼苗生长相关以及4个与盐胁迫应答相关的基因。水培条件下,VIGS沉默GhANT17、GhSTP14、GhUSPA、GhFES1、GhS15-4、GhRBL8基因对植株地上部生长较对照植株有明显的抑制作用;VIGS沉默GhOIDO基因促进了植株生长;VIGS沉默GhRBCSC1基因抑制叶片中叶绿素的合成。盐胁迫处理条件下,与对照植株相比VIGS沉默GhATCYP1、GhSAC52基因提高了植株的耐盐性,VIGS沉默GhPSBW、GhRBCSC2的植株对盐胁迫更敏感。本研究建立了高通量筛选棉花功能基因的技术体系,为快速挖掘、研究棉花功能基因提供了可行技术手段。