旨在培养科研素养的理工科研究生课程教学改革——以河南大学高级植物生理学为例

培养科研创新能力是研究生教育的核心任务之一,也是研究生培养质量的集中体现。以植物逆境生物学为特色的河南大学生物学科入选国家“双一流”建设行列,对研究生科研创新能力培养提出新的更高要求。高级植物生理学是植物逆境生物学的核心课程,该课程围绕研究生科研素养提升的核心目标采取一系列教学改革举措,通过科研反哺教学、打造精良的教学团队、更新和拓展教学内容、改革教学手段和教学方式、融入课程思政,以及双语教学和考核方式等方面的改革实践,使科研素养培养始终贯穿于课程教学的全过程中,为提升研究生创新意识和创新能力筑牢基础。此课程的教学改革实践为“双一流”大学理工科研究生课程建设提供新的借鉴。

氨基酸离子液体在能量存储和生物质资源化中的研究进展

氨基酸作为蛋白质的基本组分,由于分子结构中同时含酸性和碱性基团(羧基和氨基),可以方便地设计以氨基酸为阴离子或阳离子的氨基酸离子液体。氨基酸离子液体具有溶解性强、低熔点和热稳定性高等优势,可以作为碳前驱体、溶剂、催化剂和吸附剂等应用到储能、生物质资源化以及碳中和等领域。本文概述了近7年氨基酸离子液体在超级电容器电极材料、生物质提取及催化转化和二氧化碳分离捕集方面的研究工作,重点综述了以氨基酸离子液体为前驱体在超级电容器碳电极材料方面的研究进展,并展望了氨基酸离子液体的应用及发展前景。

开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价

为了解开封市西瓜种植区土壤重金属污染特征,选取范村、西姜寨、杏花营、朱仙镇等4个乡镇西瓜种植区,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对种植区土壤样品中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb等6种重金属进行检测分析.结果表明,以河南省A层土壤背景为依据,开封市西瓜地土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb均不同程度的超出背景值.6种重金属的变异系数均在10%-100%之间,其中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb分别超出农用地土壤污染风险筛选值17.60%、0.75%、11.24%、13.11%、80.52%和0.75%.依照单因子指数法对各采样区土壤进行评价,西瓜种植区朱仙镇土壤Cr与Zn处于轻微污染,其余采样区无污染;各采样区Ni、Cu和Pb均处于无污染状态;Cd均处于轻微污染状态.内梅罗综合污染指数分析结果表明,西姜寨、杏花营、朱仙镇处于轻度污染状态,范村处于警戒级状态.潜在生态风险评价表明,西瓜种植区土壤Cd存在极强生态风险,其余均有轻微的生态风险,且Cd是构成生态危害的主要风险因子.由相关性以及主成分分析结果可知,pH与Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb均在0.01置信度水平下呈显著负相关,开封市西瓜种植地土壤重金属的污染源主要为农业源.

三叶斑潜蝇对冷驯化的响应及不同种群耐寒性差异

【目的】研究重大入侵害虫三叶斑潜蝇(Liriomyza trifolii)对快速冷驯化和长时冷驯化的响应以及3个地理种群(湖北省武汉市、海南省海口市和安徽省安庆市)的耐寒性,为明确该虫在我国高纬度地区定殖的潜在可能性提供参考。【方法】将海南三叶斑潜蝇种群蛹和成虫在-12、-14、-16、-18、-20、-22和-24℃低温暴露30 min,选择存活率为15%—30%的温度为识别温度。设置5℃为快速冷驯化的驯化温度,12℃为长时冷驯化的驯化温度,将三叶斑潜蝇蛹和成虫置于5℃下1-6 h或置于12℃下1-6 d,再置于识别温度下30 min检测存活率,未驯化的蛹和成虫也置于识别温度下30 min作为对照,比较其冷驯化后低温存活率的差异。另外,设置5个靶标温度,分别为0、-5、-10、-15和-20℃,将3个地理种群的三叶斑潜蝇蛹在靶标温度下冷暴露2 h,比较其存活率差异。最后,利用过冷却点测定仪对3个地理种群蛹的过冷却点(supercooling point,SCP)进行测定。【结果】三叶斑潜蝇蛹和成虫暴露于-20℃下30 min后,其存活率分别为15.0%、19.6%、21.0%(介于15%—30%),因此将-20℃确定为三叶斑潜蝇的冷驯化识别温度。短时间的5℃低温暴露提高了三叶斑潜蝇蛹和成虫的耐寒性,成虫对快速冷驯化的响应更加积极。1 h和2 h的冷驯化效果最好,随着暴露时间的延长,其驯化效果会逐渐减弱直至消失。在6 d内,不同时长的12℃低温暴露均会提高三叶斑潜蝇蛹和成虫的耐寒性且经历不同时长冷驯化后其耐寒性差异较小。在5、0、-5℃的低温暴露下,海南种群与安徽、湖北种群蛹的存活率差异不显著,在-10、-15、-20℃的低温暴露下,海南种群蛹的存活率显著低于安徽和湖北种群。安徽(-22.19℃)和湖北(-22.19℃)种群蛹的过冷却点显著低于海南种群(-21.06℃)。【结论】三叶斑潜蝇的耐寒性可以通过快速冷驯化或长时冷驯化获得增强,这可能是三叶斑潜蝇逐步向我国高纬度地区扩散的原因之一。湖北和安徽种群表现出的耐寒性较海南种群强。研究结果有助于预测三叶斑潜蝇在我国的越冬分布区域,指导其监测预警及防控。

小麦TaARF20基因克隆及表达分析

【目的】克隆TaARF20基因,并分析其表达特性,为解析小麦生长素响应因子(ARF)基因家族成员的调控机制提供理论依据。【方法】以普通小麦为材料,利用同源克隆技术获得TaARF20基因的cDNA全长序列,利用生物信息学软件分析其序列特征,并通过亚细胞定位试验明确TaARF20蛋白的作用部位。将TaARF20基因与表达载体Pcold-TF连接,转化大肠杆菌中进行原核表达。采用实时荧光定量PCR检测TaARF20基因在普通小麦不同组织及普通小麦和多子房小麦不同发育时期幼穗中的表达模式。【结果】TaARF20基因包含1个内含子和2个外显子,编码区(CDS)长度为1116 bp,编码371个氨基酸残基,蛋白分子量约40.38 kD,理论等电点(pI)为4.96,脂溶性系数为19.80,疏水性系数为0.985,不稳定系数为50.51,属于不稳定蛋白,定位在细胞核中,含有ARF家族蛋白的保守结构域和B3 DNA结合域,主要由α-螺旋(18.06%)、无规则卷曲(59.57%)和延伸连(22.10%)组成。启动子区含有激素响应、光响应和低温响应等多个顺式作用元件。TaARF20蛋白与二粒小麦ARF20的氨基酸序列相似性最高,亲缘关系也最近。TaARF20融合蛋白在原核系统中成功表达。TaARF20基因在小麦的根、叶、幼穗和籽粒中均有表达,但在幼穗中的相对表达量最高。对于长度为3和4 cm的幼穗来说,普通小麦TaARF20基因的相对表达量低于多子房小麦,但对于长度为5、6、8和9 cm的幼穗,普通小麦TaARF20基因的相对表达量高于多子房小麦。【结论】TaARF20基因在小麦穗生长发育中发挥重要调控作用,推测其是调控穗型、穗大小或穗粒数的关键基因。

小麦TaTDR-Like基因的克隆及表达分析

【目的】克隆小麦绒毡层退化基因(Tapetum degeneration retardation,TaTDR-Like),研究其组织表达及不同育性材料间花药不同发育时期的时空表达模式,为深入揭示小麦花药异常发育的分子机制打下理论基础。【方法】以普通小麦品种西农1376(MF-XN1376)为材料,通过PCR扩增克隆得到TaTDR-Like基因的3个同源拷贝,利用生物信息学分析TaTDR-Like蛋白特性及Ta TDR-Like基因启动子顺式作用元件,利用实时荧光定量PCR检测TaTDR-Like基因的组织表达情况及在可育、不育材料花药不同时期中的时空表达模式,利用酵母双杂交技术进行自激活检测,并构建植物融合表达载体35S-TaTDRLD-EGFP,通过农杆菌介导转入烟草叶片表皮细胞,观察TaTDRL-D蛋白亚细胞定位情况。【结果】成功克隆小麦Ta TDR-Like基因,发现该基因存在3个同源拷贝即TaTDRL-A、TaTDRL-B和TaTDRL-D,分别编码550、553、557个氨基酸,其蛋白分子量分别为58.50、58.90和59.21 kD,等电点(pI)分别为4.77、4.66和4.63。TaTDR-Like蛋白均在C端有1个bHLH保守结构域,其中TaTDRL-A与TaTDRL-B的保守结构域相似度达100%,与TaTDRL-D的保守结构域相似度为96%,TaTDRL-D与OsTDR、AtAMS保守结构域相似度分别为98%和88%;系统发育进化树表明TaTDR-Like蛋白与大麦(KAE8787147.1)、二穗短柄草TDR(XP_(0)14756384)、水稻TDR(Os02g0120500)和拟南芥AMS(AT2G16910.1)的进化关系较密切;启动子分析表明TaTDR-Like基因启动子处含有较多光响应元件、非生物应激反应、激素响应元件等顺式作用元件;组织特异性表达分析显示TaTDRL-D在花药中的表达量最高,而TaTDRL-A和TaTDRL-B在幼穗表达量较高;对花药发育不同时期表达分析显示TaTDRL-D在花药发育单核早期表达量最高,之后逐渐降低,单核晚期到三核期不育材料(CMS-XN1376)表达量均高于可育材料(MF-XN1376);自激活检测结果表明TaTDRL-D具有转录激活活性;亚细胞定位显示TaTDRL-D蛋白定位于细胞核。【结论】TaTDRL-D基因可能参与小麦花药发育,负调控花药育性。

土壤微生物在法庭科学领域中的应用研究进展

土壤物证在法庭科学领域的应用由来已久,主要是基于其外观、颜色、元素组成、矿物学等理化特性及土壤夹杂物等的比对检验。近年来,随着高通量测序技术的发展,法医土壤微生物检验不再完全依赖于传统培养技术,而是直接挖掘分析土壤中的全部微生物DNA信息,并将这些信息应用于法庭科学领域内的样本比对、土壤物证区域环境推断和溯源研究等,从而凸显出土壤微生物物证在案件侦查和法庭诉讼方面的巨大价值和应用潜力。本文通过综述国内外有关法医土壤微生物研究的最新进展,指出了土壤微生物多样性检验在法庭科学领域的应用潜力,分析了法医土壤微生物群落多样性的影响因素,最后探讨了法医土壤微生物研究中存在的问题和未来的发展方向。

生物入侵对黄河流域生态系统的影响及对策

黄河流域健康的生态系统是沿黄地区生态保护和高质量发展的核心。然而,随着经济高速发展和人类活动增加,大量的外来生物传入并占据黄河流域生态位。这些外来生物在黄河流域的大肆扩繁给黄河流域本土生物和生态系统带来了严重威胁,甚至严重影响人类健康。因此,研究黄河流域的外来生物入侵问题,并提出保护对策,对于黄河流域生态保护和高质量发展具有重大意义。本文主要从黄河流经九省区(包含黄河流域)外来入侵生物的传入特征、传播途径、种群动态、成灾机制以及入侵生物对黄河流域重要生物资源和生态系统的影响等方面进行综述,并提出了防控黄河流域生物入侵、保护黄河流域健康的生态系统的措施和对策。

植物根正负向光性生长及其与向重力性生长的相互关系研究

向光性和向重力性在植物根系生长中起着重要作用。向光素PHOT1通过诱导植物根尖生长素的不对称分布调节其负向光性生长,而光敏色素PHYA既可调节红光诱导的植物根的正向光性也可感知蓝光参与调控根的负向光性。根向重力性的调节主要是通过淀粉粒来感知重力刺激,进而引起生长素在根尖的不对称分布实现。本文综述了光诱导植物根的正负向光性生长机制及其与根向重力性机制之间的可能调控关系,旨在为揭示这两者之间的联系提供参考。

拟南芥雄性不育突变体atk1-7的遗传定位与功能分析

拟南芥ATK1是一种微管依赖性的驱动蛋白,在有丝分裂和减数分裂纺锤体组装过程中发挥着重要作用。本研究利用正向遗传学在拟南芥Ler背景下筛选到一个育性缺陷突变株。与野生型相比,该突变体营养生长不受影响,果荚短小无种子。亚历山大红染色揭示其花粉完全败育。甲苯胺蓝染色发现其四分体形成异常,出现多核现象,暗示减数分裂过程异常。遗传分析表明该突变为单基因隐性突变。利用图位克隆将目的基因定位于4号染色体上约60 kb区间。通过分析该区域内的基因,发现已报道减数分裂相关基因ATK1位于该区间内,确定为潜在目的基因。通过基因组测序发现,在该突变体中ATK1基因的第8个外显子区域有一个28 bp的缺失,产生一个丢失Motor结构域的截短蛋白。异等位杂交实验证实了该突变基因为ATK1,并把这一新突变体命名为atk1-7。利用DAPI染色和着丝粒荧光原位杂交技术分析减数分裂过程中的染色体行为,发现同源染色体和姐妹染色单体的分离过程均存在异常。利用转基因互补实验首次发现单独的ATK1蛋白Motor结构域能够恢复突变体的不育表型,表明Motor结构域具有极其重要的功能。