小麦叶锈病是小麦生产中的重要病害之一, 培育持久抗病品种是最经济、有效和环保的方法。本研究用19个不同毒力的叶锈菌小种苗期接种70份国外引进小麦品种(系)及36个已知抗叶锈病基因的载体品种进行抗性鉴定, 同时在2016—2017年度分别于河北保定和河南周口对70份国外引进品种进行田间抗叶锈性鉴定。为进一步检测材料中所携带的苗期和成株抗叶锈病基因, 利用12个与已知基因紧密连锁的分子标记进行检测, 综合基因推导、系谱分析和分子标记检测的结果, 在33份材料中鉴定出15个抗叶锈病基因, 包括Lr1、Lr2a、Lr26、Lr3ka、Lr11、Lr17、Lr30、Lr10、Lr14a、Lr2b、Lr13、Lr15、Lr21、Lr44和Lr45, 田间鉴定筛选出39份品种表现慢锈性。苗期和田间表现表明, 国外品种中含有丰富的对我国叶锈菌小种有效的苗期和成株期抗叶锈病基因, 可作为小麦抗叶锈病抗源在抗病育种中加以利用。

陕西关中蚂蚱麦和山西平遥小白麦是我国北方小麦品种的原始骨干亲本, 解析蚂蚱麦和小白麦及其衍生系的遗传多样性对于小麦品种改良具有重要的参考意义。本研究利用小麦660K SNP芯片对蚂蚱麦、小白麦及其衍生品种(系)进行全基因组扫描, 分析其遗传多样性。结果表明, 小麦3个基因组的多态性SNP标记数为B>A>D, 第4同源群的多态性标记数最少, 149份供试材料基因多样性(H)范围为0.095~0.500, 平均值为0.336; 核苷酸多样性指数(π)范围为0.272~0.435, 平均值为0.340; 而遗传相似系数(GS)变幅为0.335~0.997, 平均值达0.619, 表明蚂蚱麦和小白麦衍生系的遗传多样性较低。聚类分析表明蚂蚱麦和小白麦紧密地聚在亚群I, 其衍生品种(系)分为5个亚群, 其中2000年以前以蚂蚱麦或小白麦的单一衍生系为主, 分在亚群I、II、III, 2000年以后多数品种同时拥有蚂蚱麦和小白麦血缘, 分在亚群IV、V, 遗传多样性较高, 且与大面积推广品种聚为一类。因此, 应加强优异基因资源导入, 拓宽小麦品种的遗传基础, 最终提高育种水平。

NAD(P)H脱氢酶(NDH)复合体介导循环电子传递, 对于维持叶绿体高效的光合作用具有重要作用。甘蔗(Saccharum spp. hybrid)中NDH复合体应答及参与甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus, SCMV)的侵染尚未见报道。本研究克隆了甘蔗NDH复合体的O亚基, 命名为ScNdhO, 其开放读码框(open reading frame, ORF)长度为471 bp, 编码长度为156 aa的蛋白。生物信息学分析表明, ScNdhO为稳定的亲水性蛋白, 不存在信号肽, 无跨膜结构域; 蛋白二级结构元件多为无规则卷曲, 具有典型的NDH复合体O亚基结构域; 系统进化树分析表明, 该蛋白属于NDH复合体O亚基蛋白家族。实时荧光定量 PCR分析发现, ScNdhO基因的表达具有明显的组织特异性, 在成熟甘蔗叶片中的表达量最高, 在茎中的表达量最低, 在根中几乎不表达; ScNdhO基因在SCMV侵染早期上调表达, 后期下调表达。亚细胞定位分析表明, ScNdhO定位于叶绿体。酵母双杂交(yeast two hybrid, Y2H)和双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)实验表明, ScNdhO与SCMV-VPg互作。推测ScNdhO被SCMV选择性利用, 可能参与SCMV基因组复制及花叶病症状的产生。

为解析小麦复杂农艺性状的遗传机制, 本研究以150份小麦品种(系)为自然群体, 在4个环境条件下测定了9个主要农艺性状, 利用小麦35K SNP芯片, 结合5种关联模型(Q、PCA、K、PCA+K、Q+K), 进行全基因组关联分析。结果表明, 全基因组多态性信息量PIC的范围为0.0950~0.5000, 最小等位基因频率MAF值为0.0500~0.5000; 群体结构分析和PCA分析均表明参试材料可分为两个亚群; 连锁不平衡分析发现A基因组、B基因组、D基因组和全基因组的LD衰减距离分别为4.7、8、11和6 Mb。9个性状共检测到652个显著的关联位点(P≤0.001), 其中21个SNP在2个或2个以上的环境中被重复检测到, 分布在1A(1)、1B(4)、2A(3)、2D(2)、3A(1)、5A(1)、5B(5)、6A(1)、6B(2)和7D(3)染色体上; 1个SNP标记的物理位置未知, 3个SNP标记同时与2个性状显著关联; 单个SNP 的表型贡献率为7.67%~18.79%。8个优势等位变异在供试群体中所占比例较低, 筛选出14个可能与小麦农艺性状相关的候选基因, 其中TraesCS5B02G237200、TraesCS7D02G129700和TraesCS1B02G426300可能在植物抵御生物与非生物胁迫中起作用, TraesCS5B02G010800和TraesCS7D02G436800可能与植物激素的合成和响应有关, TraesCS2A02G092200可能与植物细胞壁的增强有关, TraesCS5A02G438800可能参与叶绿体发育, 另外7个候选基因的功能未知。

白粉病是影响小麦产量和品质的一种主要病害。小偃麦衍生品系CH1357对白粉病具有较好的成株抗性, 苗期对27个菌株表现为免疫或高抗, 是一个高抗白粉病的优异抗源。为了明确其抗白粉病基因在染色体上的位置, 对台长29/CH1357和绵阳11/CH1357的F₁、BC₁及F_2:3家系进行了遗传分析, 并利用分离群体分组分析法(bulked segregant analysis, BSA)将其初步定位。CH1357的白粉病抗性受1对显性核基因控制, 位于染色体5DS, 暂命名为PmCH1357。其侧翼连锁标记为Xcfd81和Xbwm8, 在2个作图群体台长29/CH1357和绵阳11/CH1357中的遗传距离分别为2.0 cM/11.3 cM和1.5 cM/8.9 cM。PmCH1357与5DS染色体上已报道的其他抗白粉病基因抗谱不同, 可能是一个新的抗源。

新疆、甘肃是我国古代丝绸之路的必经之地, 同时也是黍稷的主要种植区。研究该地区黍稷种质资源的遗传多样性和群体遗传结构, 对于开展黍稷起源进化研究, 明确黍稷传播路径具有重要的意义。本研究利用103对SSR标记对来自新疆、甘肃的216份黍稷资源进行了遗传多样性分析, 共检测到299个等位基因, 平均每个位点产生2.9个等位基因, 平均Shannon’s指数为0.7360, 平均观测杂合度为0.6298, 平均期望杂合度为0.5497, 多态性信息含量指数为0.0688~0.7786, 均值0.4714, 具有中度多态性。216份黍稷资源的近交系数为0.5870, 遗传分化系数为0.0383, 遗传分化程度很小。甘肃资源的等位基因数、Shannon-Weaver多样性指数、Nei’s期望杂合度和PIC值分别为2.8252、0.7347、0.4501和0.4674, 其遗传参数值均大于新疆资源, 表明甘肃种质资源的遗传多样性较新疆更丰富。基于遗传距离的聚类分析将216份黍稷资源分为5个类群, 类群I~IV共包含7份黍稷资源, 与别的资源遗传关系较远; 96%的资源集中于类群V, 在遗传距离为0.38处, 类群V又分为4个亚群, 亚群A和亚群D主要包含甘肃资源, 亚群B和亚群C主要包含新疆资源, 表明新疆与甘肃资源有明显分离和相互渗透现象。聚类分析与群体遗传结构分析结果相似, 均与生态地理分布相关。

CRISPR/Cas9基因组编辑体系已经在多种作物中被建立, 其最大的优势在于能简单高效定向创制突变体。然而, CRISPR/Cas9基因组编辑体系在实际操作过程中经常会出现没有编辑的情况, 或者靶向编辑目的基因的同时也会引发不同程度的脱靶效应, 这对CRISPR/Cas9基因组编辑技术的运用带来不利影响。本研究基于前期在海岛棉体细胞中建立的CRISPR/Cas9基因组编辑体系, 通过对构建Cas9不同密码子优化方式、不同PAM位点个数和不同靶位点数量的编辑载体, 来分析比较编辑效率和脱靶效应的差异。结果表明, 2种Cas9密码子不同优化方式的编辑载体产生的编辑效率和脱靶效应无显著差异; 优化后的双PAM位点的编辑效率显著高于单PAM位点, 且脱靶效率显著较低; 大部分双靶序列编辑效率均高于单靶序列且脱靶效率较低。上述研究结果为今后优化CRISPR/Cas9介导的海岛棉基因组编辑体系奠定了重要的理论依据。

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10 d)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 (1.0 mg L ^-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。

于2017—2018年在泰安、淄博和烟台, 根据生产调研和各地夏玉米高产经验, 在同一地块综合设置了超高产栽培、高产高效栽培和农户栽培3种栽培模式, 分别模拟超高产生产水平(SH)、高产高效生产水平(HH)和农户生产水平(FP) 3个层次。并分别设置不施氮(SHN₀、HHN₀、FPN₀)、不施磷(SHP₀、HHP₀、FPP₀)和不施钾(SHK₀、HHK₀、FPK₀)的肥料空白处理。定量分析不同产量层次之间产量差及肥料利用效率差, 探究产量差和效率差的影响因素及缩差增效途径。结果显示, 当前山东省夏玉米SH、HH和FP的籽粒产量分别实现了光温潜力产量的68.13%、63.71%、53.22%。随着产量差距的增大, 肥料利用效率降低。FP的N、P、K肥料利用效率分别为4.23、5.83、4.94 kg kg ^-1, SH的分别为3.84、4.64、2.97 kg kg ^-1。通过优化栽培措施后, 高产高效管理模式能够较FP籽粒产量提升10.49%, N、P、K的肥料利用效率分别提高67.07%、101.35%、57.65%, 是实现产量与肥料利用效率协同提升的有效技术途径。对各产量水平进行产量性能分析发现, 随着产量水平的提高, 平均叶面积指数和单位面积穗数明显提高, 而穗粒数、平均净同化率和粒重则有所下降。随着产量水平的提高, 吐丝后干物质和N、P、K元素积累比例有增加的趋势。因此, 在保持现有功能性参数不降低情况下, 优化结构性参数是当前产量与资源利用效率协同提升的有效措施, 今后高产高效应更加注重生育后期群体结构性能的优化。

利用1985—2015年间7个节点年份的全国分县小麦种植面积、总产量和单产数据, 运用集中度指数、变化率等指标和重心迁移、单产面积贡献率分解方法, 基于农作制分区, 对过去30年我国小麦生产的时空变化进行分析。东北、西北干旱和华南农作区小麦种植面积明显减少, 而黄淮海平原、长江中下游沿海平原农作区北部迅速增加; 黄淮海平原农作区的海河低平原、黄淮平原和汾渭谷地亚区2015年集中度指数分别达到20.64%、25.77%和21.65%。各农作区的小麦平均单产持续提高, 黄淮海平原和西北干旱农作区提升幅度最大, 每年分别达到103.5 kg hm ^-2和92.9 kg hm ^-2。相较于1985年, 2015年黄淮海平原农作区小麦总产量增加4.8×10 ⁷ t, 长江中下游沿海平原农作区增加8.0×10 ⁶ t, 东北农作区减少2.6×10 ⁶ t。在小麦总产增加区域, 黄淮海平原农作区以单产主导型及单产与面积共同作用型为主; 长江中下游沿海平原农作区以面积主导型及单产与面积共同作用型为主; 小麦总产减少地区主要因为种植面积减少。从总产量贡献率变化趋势看, 单产主导型地区减少, 面积主导型地区增加, 单产与面积共同作用型地区较稳定。中国小麦生产越来越向高产地区黄淮海平原农作区集中, 海河低平原、黄淮平原和汾渭谷地亚区为小麦生产集中区域; 小麦单产和种植面积增加共同增加了该区域小麦总产量增加, 而长江中下游沿海平原农作区和新疆地区的小麦总产增加主要靠种植面积扩大。

采用大田试验与土柱试验相结合的方式, 设置距离地表-5 cm (P5)、-10 cm (P10)、-15 cm (P15)和-20 cm (P20)施用磷肥处理, 以不施磷肥为对照(CK), 研究磷肥施用深度对夏玉米根系分布、干物质积累与产量形成及磷肥吸收和利用效率的影响。结果表明, 磷肥施用深度显著影响夏玉米根系干重及根长, 表现为P15>P10>P20>P5>CK。与常规磷肥施用深度(P5)处理相比, P15处理玉米籽粒产量两年平均提高23.1%, 根干重及总根长两年平均提高13.1%、22.9%; P15、P20处理均增加了-20 cm以下土层的根干重比例及根长比例, 土柱试验分别达到35.4%和36.4%、58.7%和59.3%, 大田试验根干重两年均达到19.0%, 根长比重分别达到39.8%和39.9%。根系分布的优化促进了植株磷素积累与转运, P10、P15、P20处理较P5处理磷积累量2年平均提高10.6%、25.2%和14.7%, 磷转运量平均提高46.9%、76.6%和57.6%, 籽粒产量相应增加12.9%、23.1%和10.6%。P15比P5处理的磷肥偏生产力、农学利用效率和表观利用效率两年平均值分别提高19.1 kg kg ^-1、19.1 kg kg ^-1和25.2%。磷肥深施能够增加深层土壤根系的分布比例, 提高植株对磷肥的吸收、利用效率, 显著提高夏玉米产量, 在本试验条件下以磷肥集中施用在-15 cm处效果最好。

利用我国北部冬麦区43个气象站点1951—2014年气象资料, 综合考虑越冬期最大降温幅度、极端最低气温、负积温、平均气温、降水和风速等冬小麦越冬冻害致灾因子, 采用主成分法构建冬小麦冻害指数(FII), FII值越大, 冬小麦遭受冻害越严重。结合历史冻害灾情资料, 验证冻害指数在研究区域的适应性。采用M-K方法分析冬小麦冻害的突变特征, 探究北部冬麦区越冬冻害的时空分布特征。结果表明, FII能较好地反映北部冬麦区冬小麦冻害情况。近60年北部冬麦区冬小麦冻害指数的年际变化均呈显著下降趋势。1980年前后冻害指数发生突变, 气候变暖后我国北部冬麦区冬小麦冻害发生的频率、程度和范围明显减少; 而由于气候变化的不稳定性增加, 自2000年以来, 冬小麦中度到重度冻害有所增加。冻害指数的空间分布总体呈现随着纬度和海拔高度的增加而加重的趋势。燕太山麓平原副区遭受冻害最为严重, 黄土高原沟壑副区和晋冀山地盆地副区遭受冻害较轻。

为了探究FAD2在花生低温响应中的作用, 本研究从普通油酸花生中花16 (ZH16)和高油酸花生中花413 (ZH413)中克隆得到花生AhFAD2家族的全部基因, 共7个。通过分析这些基因的表达模式发现, 在ZH16和ZH413中各FAD2基因表达模式相似, AhFAD2-1A/B主要在花和发育的种子中表达, AhFAD2-3A/B主要在营养组织中表达, AhFAD2-4A/B主要在根和花中表达, 表明AhFAD2基因在花生不同发育阶段和不同组织中发挥各自的生物学功能。在15℃下发芽6 d发现, ZH413的发芽率未显著下降, 而ZH16的发芽率显著下降。种子萌发过程中, AhFAD2-1A/B和AhFAD2-4A/B均受低温诱导表达。在ZH16中AhFAD2-1A/B在低温诱导第6天开始显著上调表达, 而在ZH413中第1天显著上调表达; 在ZH16中AhFAD2-4A/B在低温诱导第3天出现显著上调表达, 之后表达量下降, 但在ZH413中第1天就显著上调表达, 且始终维持在高水平表达。基于以上研究结果推测, 高油酸花生在受到低温胁迫时, AhFAD2-1A/B编码蛋白失活, 但AhFAD2-4A/B的高量表达在一定程度上弥补了这部分功能。同时也说明AhFAD2-1A/B功能的缺失并不是决定花生耐寒性的主要因素。本研究的开展为培育抗寒的高油酸花生品种奠定了理论基础, 为高油酸花生在高纬度、高海拔地区推广提供了理论支持。

非生物胁迫下表观遗传对调控植物基因表达起重要作用, 但是有关马铃薯干旱胁迫下的表观遗传研究甚少。本研究以马铃薯品种大西洋、费乌瑞它、C119、C16和青薯9号为试验材料, 以MS培养基为对照以及分别添加200 mmol L ^-1甘露醇、60 μmol L ^-1甲基化抑制剂(5-azadC)和60 μmol L ^-1甲基化抑制剂+200 mmol L ^-1甘露醇, 处理24 d后对试管苗表型性状和生理指标进行综合分析。结果发现, 不同品种马铃薯对甘露醇和甲基化抑制剂响应程度趋势类似。在干旱和DNA甲基化抑制剂分别处理下, 马铃薯植株干鲜重、株高、叶片数和叶绿素含量均显著减少(P<0.05), SOD、POD、CAT活性和Pro、MDA含量均显著增加(P<0.05), 而分枝数、根长、平均根粗均无明显变化, 表明马铃薯不同性状指标在响应干旱胁迫和DNA去甲基化时, 受到的调控通路可能不同。进一步比较干旱胁迫和DNA去甲基化共同处理与分别处理下表型性状和生理指标的差异发现, 共同处理使马铃薯植株表型性状受到进一步抑制, 同时活化了SOD、POD、CAT, 并且使Pro、MDA含量增加, 表明马铃薯在响应干旱胁迫过程中, 部分表型的形成与DNA甲基化调控相关。这将为深入研究马铃薯干旱胁迫响应与表观遗传学之间的调控网络通路提供初步的理论基础。

栽培六倍体燕麦是世界重要粮食作物, 理清其起源对燕麦种质资源的高效利用和保护具有重要意义。本研究利用GBS (genotyping by sequencing)对27份来自中国的大粒裸燕麦材料测序, 结合先前发表的包括6个六倍体燕麦种在内的66份燕麦材料的GBS数据进行SNP挖掘。UNEAK管道挖掘共计得到MAF大于0.5, call rate大于0.95的SNP标记8902个。进一步剔除缺失值大于0.15的4个燕麦材料后, 对其余89份材料进行PCA分析、STRUCTURE分析以及UPGMA聚类分析。结果表明, 在野生种中, 除A. sterilis外, 大多数来自同一物种的材料聚为一类, 不同物种间能够较好地分开, 表明这些物种之间存在较强的遗传分化。聚类分析将供试材料分为分别代表野生种和栽培种的2支, 表明野生种和栽培种之间存在明显的遗传差异; 在栽培种中, A. sativa与A. byzantina具有较高的遗传多样性, 分散在不同的类群中, 二者未出现明显的遗传分化, 具有较高的遗传同质性, A. sativa ssp. nuda与A. sativa亲缘关系较近, 但存在一定的遗传分化, 因此形成独立的类群。值得注意的是, 来自野生种A. sterilis的材料被分在2个类群中, 其中来自西南亚地区(伊朗-伊拉克-土耳其地区)的居群与A. sativa和A. byzantina聚在一起, 揭示此地区的A. sterilis居群可能是A. sativa和A. byzantina的祖先种。野生种A. hybrida显示出与A. fatua较高的遗传同质性, 因此将其作为A. fatua的亚种较为合理。本研究为栽培六倍体燕麦起源提供了理论依据。