马铃薯StCIPK11的克隆及响应干旱胁迫分析

明确马铃薯StCIPK11在响应干旱胁迫信号传导中的功能和作用机制,为深入研究StCIPK11响应马铃薯抗旱调控的分子机制提供理论依据。利用同源重组法和人工microRNA技术构建马铃薯StCIPK11过表达载体和干扰表达载体,通过根癌农杆菌介导法分别将其转入马铃薯栽培品种‘大西洋’中。RT-qPCR结果表明,过表达植株StCIPK11的表达量是非转基因植株(NT)的11.59和21.76倍,干扰表达植株StCIPK11干扰程度达到78%。经PEG模拟干旱胁迫,过表达植株叶片中丙二醛含量显著高于NT植株,脯氨酸含量、抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶)活性均低于NT植株;StCIPK11干扰表达植株则表现出相反的趋势。StCIPK11参与了干旱胁迫应答过程,StCIPK11干扰表达可以降低马铃薯植株对水分胁迫的敏感性。

白菜型油菜IPT基因家族鉴定及表达分析

异戊烯基转移酶(isopentenyltransferase,IPT)是细胞分裂素生物合成的第一限速酶,为分析IPT基因家族在白菜型油菜生长中的功能,利用生物信息学方法从其基因组中鉴定出13个BrIPT基因,它们不均匀地分布在7条染色体上。BrIPTs可分为4个亚族,各家族成员均含有8~10个保守基序和1~2个UTR区。BrIPT基因的启动子区域包含众多响应元件。BrIPT基因家族成员受环境因子、生物激素及防御与应激调控。qRTPCR结果显示,tRNA-IPT基因BrIPT4、BrIPT6、BrIPT9在白菜型油菜体内各个部位均有表达。相比于苗期,成熟期白菜型油菜IPT基因的表达量更高,为后续深入研究IPT基因家族成员的生理生化功能提供了理论依据。

马铃薯ARM基因家族的全基因组鉴定及表达分析

ARM蛋白重复序列(Armadillo repeats)广泛存在于高等植物中,它们参与多种细胞过程,如信号转导、核转运以及对多种生物/非生物胁迫的响应。本研究在马铃薯(Solanum tuberosum L.)全基因组水平下鉴定出了54个马铃薯ARM基因家族成员(StARMs),它们不均匀的分布在12条染色体上。根据其蛋白结构和系统发育特征,将54个StARMs分为3个亚家族。片段重复事件在马铃薯ARM基因家族的扩展中起主要作用。共线性分析发现,StARMs与番茄(Solanum lycopersicum)、拟南芥(Arabidopsis)、甘蓝(Brassica oleracea)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)分别有51对、17对、25对、6对和10对直系同源基因,这些基因均在纯化选择下进化。RNA-seq数据分析发现,4个StARM基因在匍匐茎中特异表达,2个StARM基因在根和心皮中特异表达,1个StARM基因在块茎中特异表,还有一些StARM基因参与了马铃薯对生物/非生物胁迫的响应。此外,本研究对3个不同颜色马铃薯块茎组织(薯皮和薯肉)进行了RNA-seq测序,分析了54个StARMs在不同颜色马铃薯块茎组织中的表达模式,并利用qPCR分析了StARMs在3个不同颜色块茎杂交子代薯肉中的相对表达量,筛选出了4个可能参与马铃薯块茎花色素苷生物合成的候选基因。本研究为进一步了解StARM基因家族的特征,深入分析StARM基因在马铃薯抵御生物/非生物胁迫和调控块茎花色素苷生物合成中的功能提供了理论依据。

马铃薯PYL5基因对非生物胁迫的响应分析及其启动子的活性鉴定

【目的】脱落酸(ABA)作为一种“应激激素”在植物生长发育和响应干旱、盐等非生物胁迫过程中发挥重要作用,PYR/PYL/RCARs(以下简称“PYL”)作为ABA受体在多种植物中也被广泛研究。基于对马铃薯StPYL5基因生物信息学及表达模式分析,并通过对其启动子活性鉴定,为进一步揭示马铃薯StPYL5功能及抗逆育种提供依据。【方法】根据转录组数据克隆得到StPYL5基因,通过DNAMAN、MEGA等软件分析了StPYL5的分子特征;通过qPCR检测了StPYL5基因的组织特异性及其对非生物胁迫的响应;利用PlantCARE网站对StPYL5基因启动子进行了分析,并通过瞬时转化烟草对其活性进行了鉴定。【结果】StPYL5基因全长534 bp,共编码177个氨基酸,蛋白质分子量20.19 ku,理论等电点(pI)为5.97。系统进化分析显示,StPYL5与SpPYL9-like亲缘关系较近。组织特异性分析结果显示,青薯9号(QS9)中StPYL5在根和叶中表达量较高,其次分别是茎和花,在块茎中表达量较低。不同胁迫下StPYL5表达量分析表明,青薯9号(QS9)中StPYL5在干旱、低温、盐和ABA胁迫下的表达量先升高后降低,且StPYL5的表达受Me JA和SA的诱导。此外,笔者成功克隆得到2 000 bp的StPYL5基因启动子。在烟草中的瞬时转化后的组织化学染色结果表明,StPYL5基因启动子具有成功启动下游GUS报告基因表达的启动子活性。【结论】全面分析了StPYL5基因的分子特征及其在多种非生物胁迫下的表达谱,并成功克隆到具有活性的pStPYL5启动子,该结果为深入研究StPYL5基因的功能以及马铃薯抗逆育种提供依据。

水肥一体化减氮对陇中地区马铃薯产量和水分利用效率的影响

于2022—2023年在陇中地区开展马铃薯水肥一体化试验,共设置4个种植模式,包括农户旱作高肥模式(T1,基施氮肥260 kg·hm^(-2),生育期不灌溉)、合作社高水高肥模式(T2,基施氮肥260 kg·hm^(-2),生育期灌水150 mm)、水肥一体化模式Ⅰ(T3,基施氮肥102 kg·hm^(-2)+追施氮肥98 kg·hm^(-2),生育期灌水90 mm)和水肥一体化模式Ⅱ(T4,基施氮肥42 kg·hm^(-2)+追施氮肥98 kg·hm^(-2),生育期灌水90 mm),探究补灌减氮水肥一体化技术对马铃薯产量和水分利用效率的影响。结果表明:补灌减氮水肥一体化显著促进了马铃薯叶面积指数增长、地上部和块茎干物质积累,显著增加了商品薯率,T2处理下马铃薯生育后期干物质积累速度放缓。2022和2023年,T3处理马铃薯块茎产量较T1处理分别显著提高100.7%和229.1%,较T2处理分别显著提高30.4%和38.6%;T4处理马铃薯块茎产量较T1处理分别显著提高94.4%和216.2%,较T2处理分别提高26.3%和33.1%;T3和T4处理间差异不显著。2022—2023年,各处理间WUE表现为T3>T4>T2>T1;相较于T1处理,T3处理两年WUE分别显著提高46.2%和146.4%,T4处理分别显著提高44.0%和135.7%;与T2处理相比,T3处理两年WUE分别显著提高51.1%和55.1%,T4处理分别显著提高48.9%和48.3%。综上,水肥一体化显著提高了马铃薯产量和水分利用效率,水肥一体化处理下基施氮肥42 kg·hm^(-2)、追施氮肥98 kg·hm^(-2)、生育期补灌90 mm的栽培措施,可作为陇中半干旱地区马铃薯高产高效生产的推荐模式。

80份国际马铃薯中心引进的马铃薯种质资源抗旱性鉴定及评价指标的筛选

【目的】中国马铃薯种质资源相对缺乏,遗传背景单一,亲缘关系较近是制约我国马铃薯种质创新与优良新品种选育的重要原因。此外,干旱是马铃薯(Solanum tuberosum L.)生产的主要影响因素之一。因此,筛选出优良且抗旱的种质资源不仅能够有效应对干旱带来的马铃薯生产挑战,也将为解决中国马铃薯遗传背景狭窄和种质资源短缺提供重要的解决途径。【方法】以从国际马铃薯中心(CIP)表型观测评价的TON panel约300份高世代品系种质资源中筛选出80份表现良好的四倍体种质资源为试验材料,于甘肃省定西市马铃薯研究所进行田间试验,对正常灌溉(CK)和干旱处理(D)下的15个主要农艺性状、产量性状和品质性状进行测定。利用相关性分析、主成分分析、隶属函数分析、聚类分析和逐步回归等分析方法对80份马铃薯种质资源的抗旱性进行综合评价。【结果】通过计算各单项指标的抗旱系数(PI)和变异系数(CV)筛选到12个代表性指标进行后续分析。通过主成分分析,将12个单项指标的抗旱系数转换为6个相互独立的综合指标(累计贡献率达80.45%),根据综合评价值(D值)和聚类分析,可将80份马铃薯种质资源材料分为3类:B20、B40、B55等9个品系属于I类高度抗旱类型;B32、B77、B28等62个品系属于Ⅱ类中度抗旱类型;B73、B42、B19等9个品系属于Ⅲ类低抗类型。进一步利用逐步回归分析建立了抗旱性评价回归模型Y=-0.138+0.198PH+0.080RL+0.109LAI+0.144RFW+0.162TDW+0.079RSC(R2=0.917,P=0),估计精度均在86.6%以上,表明该模型可用于马铃薯抗旱种质资源筛选。【结论】B20、B40、B55等9个品系为高度抗旱品系,可作为优良的杂交亲本选育马铃薯抗旱品种。株高、总根长、叶面积指数、根总鲜重、单株薯块干重、还原糖含量可作为快速筛选抗旱马铃薯种质资源的预测指标,使马铃薯抗旱性评价鉴定工作更为便捷。

碳离子束辐照对马铃薯组培苗生长及生理特性的影响

为研究高能碳离子束对马铃薯组培苗茎切段的影响,以马铃薯品种‘新大坪’的组培苗茎切段为研究材料,设置4个辐照剂量梯度对其进行辐照处理,测定植株致死率、生根率、侧芽形成率、形态变异率以及叶片生理指标,确定‘新大坪’组培苗茎切段的半致死辐照剂量。结果表明:辐照剂量与致死率之间的关系呈正相关性;组培苗茎切段的再生植株表型变化主要为叶片不对称、叶缘不规则、茎变异伸长、叶片丛生和叶片粘连等;随辐照剂量升高,超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性呈先升后降的趋势;丙二醛含量则呈先升后降,随后又升高的现象。利用线性回归方程计算‘新大坪’的半致死辐照剂量为20.37 Gy。

盐生草AKR基因家族成员的鉴定及根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐分析

为探究盐生草AKR基因家族的生物学功能和根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐性,基于盐生草全长转录组测序鉴定醛酮还原酶基因(AKRs),采用生物信息学方法分析盐生草AKRs编码的蛋白质序列特性,并在200 mmol·L^(-1)NaCl胁迫0、6、12、24和48 h处理下,测定盐生草幼苗根系和转HgAKR42639基因拟南芥的目的基因表达量、生理指标和钠钾离子含量。结果表明:从盐生草转录组中鉴定出23个HgAKRs,编码的氨基酸数量在165~664 aa,亚细胞定位预测主要在细胞质中,AKR蛋白保守结构域高度相似,具有3个motif,启动子顺式作用元件分析存在核心元件、增强元件和胁迫响应元件;qRT-PCR结果显示HgAKR42639基因相对表达量在盐生草根系和拟南芥中均先上升后下降,24 h两者的表达量达到峰值;随着盐胁迫时间的增长两者的过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性和脯氨酸含量呈上升趋势,丙二醛(MDA)和可溶性蛋白含量呈下降趋势,在24 h达到最低;Na^(+)和K^(+)含量测定结果显示,两者于24 h盐胁迫处理下Na^(+)含量下降,K^(+)/Na^(+)达到最大值。综上所述,本研究获得了盐生草AKR家族基因,为后续研究盐生草AKR基因响应盐胁迫的分子机制提供理论依据;以期为进一步验证HgAKR42639基因的耐盐性奠定基础。

马铃薯WOX基因家族的鉴定及在离体再生和非生物胁迫中的表达分析

【目的】WUSCHE-相关同源盒(WUSCHEL-related homeobox,WOX)基因家族是植物特有的转录因子家族,在植物生长发育、干细胞分化调控、逆境胁迫响应等过程中扮演重要角色。开展马铃薯WOX基因家族鉴定与功能研究,将为马铃薯遗传改良提供优良基因资源与理论依据。【方法】基于拟南芥、番茄、烟草和水稻WOX蛋白序列,利用HMMER 3.0和BLASTP鉴定马铃薯WOX基因家族成员,使用MCScanX软件分析WOX基因家族成员在马铃薯种内及种间的共线性,并采用邻接法构建系统发育进化树。利用ExPASy、GSDS等软件分析马铃薯WOX基因家族成员理化性质、基因结构、蛋白motif、启动子区域转录因子结合位点。基于PGSC数据库中马铃薯转录组数据,分析StWOXs在不同组织和非生物胁迫下的表达模式;以可能参与离体再生过程的StWOX5作为候选基因,利用实时荧光定量PCR技术分析该基因在具有不同离体再生能力的4个马铃薯品种(系)再生过程中的表达情况。【结果】鉴定得到11个马铃薯WOX基因家族成员,分布在5条染色体上,分为WUS、中间和古老共3个进化分支,不同分支中StWOXs基因结构、蛋白motif组成、转录因子结合位点类型和数量存在不同程度的差异。表达模式结果表明,马铃薯WOX基因家族成员参与离体再生和非生物胁迫响应,StWOX4/5/11/13在愈伤组织中特异表达,StWUS、StWOX1/3c/4/5/13在甘露醇处理下上调表达,StWOX3a/11在NaCl处理下上调表达,StWOX4/5/13在热胁迫中上调表达,且StWOX5相对表达量与愈伤组织分化率呈正相关。【结论】不同马铃薯WOX基因具有潜在的功能多样性,StWOX5具有促进马铃薯离体再生分化的作用,参与了非生物胁迫反应。

不同来源当归种苗种植后生长状况及品质评价研究

目的:探究不同来源当归种苗在不同试验地种植后的生长状况及有效成分含量。方法:选取甘肃定西、陇南和青海海东的当归种苗,并在定西、陇南、张掖及海东四地进行栽培试验。详细观测芦头直径、侧根数、归头长度等重要性状指标,并通过HPLC法测定阿魏酸和藁本内酯含量。结果:相较于其他处理,来自青海海东的当归种苗在当地栽培后,其农艺性状指标及有效成分含量皆为最佳,分别为芦头直径32.19 mm、侧根数12、归头长度0.8 cm、干重63.56 g、阿魏酸含量0.1078%、藁本内酯含量0.3699%。Pearson相关性分析显示,当育苗地和栽培地为同一地点时,当归药材品质更佳。这证明当归产量与品质紧密相连,并受到生长条件的影响。结论:在实际生产中,推荐选用青海海东的当归苗,并在当地栽培,以充分利用其生长优势,确保当归的高产优质。

PIP/PIPL:一类调控植物逆境响应和发育的植物内源性多肽

植物内源性多肽由前体蛋白剪切而成,由天然氨基酸以不同组成和排列方式构成。多肽分泌至细胞外后,被其受体识别,从而调控植物生长发育和逆境响应。PIP(PAMP-induced secreted peptide)/PIP-Like(PIPL)是包含SGPS和GxGH基序的植物内源性多肽,可被受体激酶RLK7(receptor-like kinase 7)识别,在植物抵抗病原菌、病毒和盐害等逆境及调控生长发育过程中扮演重要角色。本文重点阐述了PIP/PIPL家族多肽在植物抵抗逆境胁迫和调控生长发育过程中的信号转导通路,并讨论了该领域尚待解决的一些科学问题和可能的应用方向,以期为PIP/PIPL的深入研究提供参考。

基于全长转录组测序的盐生草SSR标记开发及其遗传多样性分析

以盐生草全长转录组数据为基础,用MISA在线软件对盐生草转录组水平SSR位点进行搜索,共鉴定到29640个SSR位点,每SSR的发生频率为4.93 kb。SSR种类包含1~6核苷酸重复类型,重复次数主要为4~20次,其中,三核苷酸重复单位最多,占38.25%;四核苷酸重复单位类型最少,仅占3.26%。鉴定到的327种SSR重复类型中,A/T、AG/CT、ATC/GAT、AAG/CTT重复类型出现次数较多。进一步地,对甘肃18个不同生态点盐生草材料进行SSR标记位点的开发及遗传多样性分析。从检测到的29640个SSR标记中选择218对标记进行多态性筛选,共筛选到多态性较高的33对标记,这些标记共检测得到199个等位基因位点,等位基因数(AN)为3~13个,平均为6.03个;基因多样性指数(GD)为0.583~0.869,平均为0.698;基因型数量(GN)为2~13,平均值为5.88;多态性信息含量(PIC)值为0.527~0.856,平均值为0.623。聚类分析结果表明,18个不同生态点盐生草的遗传相似系数(GS)为0.528~0.859,平均值为0.683。在GS为0.68处,可将供试材料划分为四大类。本研究为盐生草种质资源开发及利用提供了参考依据。

大麦种质资源抗叶斑病评价

为明确不同大麦种质对叶斑病的抗性差异,筛选抗性种质材料和挖掘相关的遗传位点,在三叶期对200份大麦种质接种叶斑病强致病株Z14484,培养9 d后统计各材料发病情况,明确其抗病等级,进行抗性鉴定与评价。结合Illumina 9K SNP芯片,通过Structure和PLINK软件进行群体和显著位点分析,鉴定与性状显著关联的SNP位点。结果表明,供试大麦材料抗性差异显著,在ΔK=3水平上群体遗传结构可以分为3个亚群,分别包含100、67、33份大麦材料;全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)共检测到12个与大麦叶斑病抗性相关的位点,其中位于3H染色体上的11_11436和SCRI_RS_201075与大麦叶斑病抗性关联最大。研究结果为大麦叶斑病抗病基因定位与抗病育种提供参考依据。

华中五味子根部木脂素类化学成分及其抗氧化活性研究

目的 对药食同源植物华中五味子Schisandra sphenanthera根部的化学成分进行研究。方法 利用薄层色谱、柱色谱、半制备高效液相色谱等现代色谱方法分离纯化,根据理化性质及波谱数据对化合物进行结构鉴定;利用ABTS+自由基清除的活性筛选技术对化合物进行抗氧化活性评价。结果 从华中五味子根部70%丙酮水提取物中分离鉴定了23个木脂素类化合物,分别鉴定为(-)-zuoninA (1)、 erythro-1-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-4-(3,4-methylenedioxyphenyl)-2,3-dimethylbutane(2)、奥斯楚拜脂素-5(3)、9,9′-二羟基-澳白木脂素-5(4)、(-)-8-羟基-α-铁杉脂素(5)、(-)-戈米辛M1(6)、五味子乙素(7)、五味子丙素(8)、戈米辛J(9)、(+)-戈米辛k3(10)、五味子甲素(11)、五味子醇甲(12)、rubrisandrin B(13)、marlignan A(14)、rubrisandrin A(15)、滨南五味子乙素(16)、异戈米辛O(17)、marphenol A(18)、(7′R,8′S)-3,4-dimethoxy-3′,4′-methylenedioxy-7,8-seco-7,7′-epoxylignan-7,8-dione(19)、(7′R,8′S)-3,4-methylenedioxy-3′,4′-dimethoxy-7,8-seco-7,7′-epoxylignan-7,8-dione(20)、machilolin-A(21)、marphenol B(22)、3′,4′-dimethoxy-benzoicacid-(3′′,4′′-dimethoxyphenyl)-3-oxobutyl ester(23)。结论 化合物6、7、18~20、22为首次从该植物中分离得到,化合物1~5、16、17为首次从五味子属植物中分离得到。化合物2~4、13显示了一定的抗氧化能力,半数抑制浓度(median inhibition concentration,IC50)值分别为23.0、16.5、10.8、16.0μmol/L,其中化合物4的抗氧化活性较好,接近阳性对照维生素C。

利用人工miRNA沉默StIAA22对马铃薯根系构型的影响

通过检测26个StIAA家族基因在马铃薯根系发育过程中的表达发现:18个StIAA基因在根系成熟后的表达量比发育初期显著上调,8个StIAA基因变化不显著。利用人工microRNA(artificial microRNA,amiRNA)技术对上调表达最为显著的StIAA22做进一步的功能研究:构建干扰表达载体pBI121-amiRIAA,通过根癌农杆菌介导法转入马铃薯栽培品种‘Dèsirèe’。经定量PCR检测,StIAA22在所有转基因株系中的表达均受到明显抑制;其根系形态构型与非转基因植株差异明显,根系生长受到抑制,根长明显变短,侧根数量增加,根系生物量减少。以上结果表明StIAA22在调节马铃薯根系形态建成中起关键作用。

质膜流动性调节剂对白菜型冬油菜种子苗抗寒性的影响

以抗寒性不同的白菜型冬油菜为材料,采用膜流动性调节剂溶液处理萌动种子,检测低温下5 d龄种子苗质膜完整性、生理生化特性、抗寒关键基因表达等变化,分析膜试剂对白菜型冬油菜种子苗抗寒性的影响,为油菜出苗期抗寒防冻措施制定提供依据。结果表明,与对照(蒸馏水处理)相比,4%膜固化剂二甲基亚砜(DMSO)溶液处理白菜型冬油菜萌动种子后,低温下种子苗相对电导率明显降低,过氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化氢酶(APX)活性以及可溶性蛋白含量明显升高,丙二醛(MDA)含量明显降低,表明4%DMSO溶液处理能够有效增强低温下种子苗过氧化物清除和渗透调节能力,防止质膜过氧化,保持质膜结构完整性。而0.15%膜流化剂苯甲醇(BA)溶液具有与DMSO反向的作用效果。4%DMSO处理白菜型冬油菜萌动种子后,与常温条件下相比,低温下5 d龄种子苗中Ca^(2+)离子通道膜蛋白6、Ca^(2+)离子通道膜蛋白16、膜联冷应答蛋白激酶、冷信号通路关键调控因子ICE1、CBF1的表达量总体均呈明显上调趋势,抗冻蛋白BrAFP1表达显著上调。因此,4%DMSO处理可明显改善低温下白菜型冬油菜种子苗生理生化性能、促进抗寒关键基因表达。研究结果对冬油菜的耐寒育种具有重要意义。