甘蓝自交不亲和性(self-incompatibility, SI)是柱头对相同单倍型的花粉产生的排斥或抑制反应。钙依赖蛋白激酶(calcium-dependent protein kinase, CDPK)是植物面对逆境信号时参与抗逆反应的重要元件。本文通过甘蓝自花授粉0~60 min的柱头转录组数据分析, 成功地筛选到一个受自花授粉诱导上调表达的基因BoCDPK14, 该基因与拟南芥中参与植物逆境信号传导的钙依赖蛋白激酶基因高度同源。BoCDPK14基因开放阅读框1599 bp, 编码一种具有533个氨基酸残基的亲水性蛋白, 可在大肠杆菌胞质中被诱导表达, 其相对分子质量为60.4 kD, 表明BoCDPK14为活性胞质蛋白。该基因起始密码子上游2000 bp的核苷酸序列中含有胁迫反应、激素反应、代谢调节等应答元件。BoCDPK14在甘蓝柱头、花粉、花蕾、花瓣和叶片中表达, 且柱头中的表达量低于花粉。荧光定量PCR结果证实, BoCDPK14在0~60 min的表达变化趋势与转录组分析结果一致。通过酵母双杂交发现, BoCDPK14蛋白激酶结构域与谷氨酸受体通道蛋白BoGLR2.8_d存在相互作用, 表明BoCDPK14可能是参与SI反应过程的新蛋白。本研究结果表明BoCDPK14可能作为Ca ²⁺信号元件参与甘蓝柱头响应花粉刺激的分子过程, 这为甘蓝自交不亲和的进一步研究和利用提供了新内容。

黄萎病是降低棉花产量和品质较为严重的维管束病害。棉花在抵抗病原菌的过程中, 抗病基因起着尤为重要的作用。漆酶是一种多功能氧化酶, 在植物木质素合成和提高植株抗逆性等方面发挥着重要作用。高质量版本的基因组是提升基因家族分析准确性的必要条件。本研究以目前最新的陆地棉TM-1高质量版本基因组为参考, 通过生物信息学分析鉴定了陆地棉基因组中的Laccase (GhirLAC)基因家族, 并对其进行了理化性质、基因结构、染色体定位以及在黄萎病胁迫下的表达模式分析。结果表明, 陆地棉TM-1基因组中共包含83个GhirLAC家族成员, 分布在24条染色体上, 所有GhirLAC蛋白均定位在胞外, 且具有相同/相似的保守基序。系统发育树分析显示, GhirLAC基因家族成员可分为7个亚组。结合黄萎病胁迫下棉花转录组数据, 将GhirLAC基因家族各成员的表达分为3种模式, 其中第1类和第2类GhirLAC基因在黄萎病菌胁迫下分别呈现有规律的表达量升高和降低, 推测这些基因在棉花抗黄萎病反应中发挥重要功能。荧光定量PCR结果表明, GhirLAC02 (GhLAC4)、GhirLAC38 (GhLAC11)和GhirLAC20 (GhLAC12) 3个候选基因均受黄萎病菌诱导表达, 其表达趋势与转录组数据相吻合。本研究为以后深入解析棉花GhirLAC基因的抗病功能及分子机制奠定基础。

为提高青稞种质资源的利用效率并筛选优异杂交亲本, 分别在西藏林芝和拉萨两地的春播和秋播环境下对1605份青稞种质资源进行冬春性鉴定和抽穗期多样性分析。设拉萨春播2个播期, 即正常春播I和晚10 d春播II, 以2个播期的抽穗期变化作为冬春性区别依据。结果表明, 96.2%的西藏青稞地方品种为春性, 在西藏3个生态区均有分布, 冬性品种仅有3.8%, 且主要分布在以林芝为主的藏东南生态区; 抽穗期的Shannon-Wiener’s多样性分析表明, 春播条件下抽穗期多样性高于秋播, 拉萨春播条件下抽穗期多样性最高, 林芝春播次之, 林芝秋播最低; 在相同环境下, 地方品种的多样性高于育成品种; 在环境稳定性分析中, 368份春性地方品种和21份育成品种在不同环境中抽穗期较为稳定, 其中康青3号在两地所有参试品种中抽穗期稳定性最高。本研究为全面理解西藏青稞资源的冬春性、抽穗期多样性和环境稳定性提供了参考, 为广适应性青稞品种培育筛选出环境稳定性佳的亲本材料。

湿害严重影响油菜的产量和品质, 前人在耐湿机制和生理响应等方面已经做了许多研究, 但涉及油菜耐湿相关基因的研究相对较少。本研究以248份甘蓝型油菜品种(系)为材料, 进行湿害胁迫处理, 调查了8个湿害响应的相关性状, 基于60K Illumina Infinium SNP芯片基因型数据对各性状耐湿系数进行了全基因组关联分析和湿害响应候选基因预测。结果显示, 湿害胁迫较正常灌溉油菜幼苗绿叶数减少, 地上部干重和鲜重以及叶片可溶性蛋白含量降低, 叶片POD酶活性和MDA含量略有升高。地下部干重和鲜重在多数材料中降低, 而在有些材料中升高, 变化幅度均较小。经全基因组关联分析共检测到与耐湿系数显著关联的SNP标记36个, 可解释表型变异8.28%~12.95%, 其中17个所关联的耐湿系数在基因型间具有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)差异, 其所在的Blocks共覆盖了71个候选基因, 包括Blast到同源拟南芥基因64个, 主要编码转录因子(如Transcription initiation factor IIF、bZIP68、myb-like HTH transcriptional regulator family protein)、转运蛋白(如SUC2)、生长抑制子(如ING2)、蛋白磷酸酶(如Protein phosphatase 2C family protein)、DNA/RNA结合蛋白[如bHLH DNA-binding superfamily protein、RNA-binding (RRM/RBD/RNP motifs) family protein]、激素响应蛋白(如ARF8、ADC2、ERD6、NF-YC9)以及氧化胁迫、渗透胁迫、盐胁迫或水分剥夺响应蛋白(如ERD6、NP1、TIR-NBS-LRR、CRT1b)等。本研究可为揭示甘蓝型油菜耐湿机理和培育耐湿新品种奠定基础。

大豆花叶病毒(Soybean mosaic virus, SMV)病是大豆主要的病害之一, 给我国大豆生产带来了巨大的损失。大豆抗病育种是目前防治大豆花叶病毒病最为经济有效的措施, 发掘抗病基因是抗病育种的基础。本文在前期对大豆抗SMV株系SC3基因精细定位的基础上, 克隆了2个具有TIR-NBS-LRR典型抗病结构域的基因(GmR47和GmR51)。生物信息学分析表明, GmR47和GmR51基因均在抗感品种中存在氨基酸位点的突变, 而且突变位点都位于保守结构域内, 这2个基因编码的蛋白质预测为烟草花叶病毒(TMV)抗性N蛋白; 物种间同源比对结果显示, GmR47和GmR51基因与野生大豆亲缘较近。qRT-PCR结果表明, GmR47和GmR51能够响应SMV的侵染增加表达量, 且在抗病品种中的表达量高于感病品种。2个基因存在IN1、IN2和IN3不同的剪接体, 所有的剪接体都能够响应病毒的诱导增加表达量, 且在抗病品种中的表达量高于感病品种, IN1和IN2的表达量随时间的变化较为明显, IN3的表达量则相对稳定, 说明这些剪接体可能参与大豆对SMV的抗病过程。本研究为后续基因功能的研究奠定了基础。

Holdfast是来自英国的小麦品种, 多年来一直保持良好的条锈病持久抗性。本研究目的是发掘Holdfast的条锈病成株抗性基因及其紧密连锁的分子标记, 为小麦持久抗性品种选育提供材料和方法。利用铭贤169和Holdfast杂交后代重组自交系(recombinant inbred lines, RIL)群体, 于2014—2015和2015—2016年度在甘肃甘谷、甘肃中梁和四川成都进行条锈病成株抗性鉴定, 并统计最大严重度(maximum disease severity, MDS)。基于小麦660K SNP芯片和BSA (bulked segregant analysis)技术初步确定抗病基因所在的染色体后, 将目标区域的SNP标记转化为KASP (Kompetitive allele specific PCR)标记, 检测整个RIL群体, 进行基因型分析。最后进行RIL群体条锈病成株抗性的QTL分析, 在5AL和7AL染色体上发现了2个成株抗性QTL。5A染色体长臂上1个条锈病成株抗性QTL QYr.gaas- 5AL, 在所有环境下均存在, 可解释6.5%~9.3%的表型变异; QYr.gaas-5AL位于标记Ax-109948955和Ax-108798241之间, 连锁距离分别为0.5 cM和1.1 cM。在7A染色体长臂上定位到1个条锈病成株抗性QTL QYr.gaas-7AL, 在2015年和2016年甘谷环境中均稳定存在, 分别解释6.2%和7.3%的表型变异; QYr.gaas-7AL位于标记Ax-110361069和Ax-108759561之间, 连锁距离分别为0.5 cM和0.7 cM。携带QYr.gaas-5AL和QYr.gaas-7AL抗病等位基因家系的MDS显著低于感病等位基因家系的MDS, 表明QYr.gaas-5AL和QYr.gaas-7AL可有效降低条锈病严重度, 可应用于小麦抗条锈育种。

生长调控因子(growth-regulating factor, GRF)是植物特有的一类转录因子, 对植物的生长发育起重要的调控作用。藜麦是一种单体植物即可满足人体基本营养需求的食物, 也是未来最具潜力的农作物之一。但是关于藜麦GRF基因家族的研究至今尚缺乏报道。因此, 本研究利用生物信息学方法, 对藜麦GRF基因进行全基因组鉴定, 并对其理化性质、基因结构、保守结构域、系统发育关系及组织表达进行分析。结果表明, 藜麦中共有18个GRF转录因子, 蛋白长度77~621 aa, 分子量8.81~67.38 kD, 等电点5.23~9.37; 每个成员含有1~4个内含子及2~5个外显子, 这些GRF蛋白都具有由31~35个氨基酸组成的QLQ保守结构域或由25~43个氨基酸组成的WRC保守结构域。系统进化分析表明, 藜麦与拟南芥的GRF转录因子亲缘关系比水稻更近。表达图谱显示, 藜麦GRF基因具有明显的组织表达特异性, 总体在种子中的表达量较高, 其次是在花序和根中, 在其他组织中的表达量相对较低。

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。

新疆是我国最大的产棉基地, 研究新疆棉花种植业地理集聚特征对调整和优化农业结构布局、农民增收、促进棉花生产的可持续发展具有重要意义。本文基于1988—2016年的新疆棉花生产数据, 使用区位商、区位基尼系数和空间自相关分析探究新疆棉花种植业发展的时空变化特征, 并运用空间面板数据模型定性、定量地分析了各影响因素对新疆棉花种植业地理集聚的影响程度, 揭示了新疆棉花种植业发展的主要驱动因素。结果表明, 新疆棉花种植面积经历了持续增长(1988—1999年)、缓慢减少(2000—2004年)以及波动增长(2005—2016年) 3个阶段, 2016年已占全国种植面积的3/5, 其专业化集聚水平自1992年起均高于全国其他地区, 主导地位日益增强; 新疆棉花种植业的区域特征明显, 南疆棉区的变化主导新疆棉花种植业的变化; 新疆棉花种植业的集聚水平自1988年起呈现出波动中下降后缓慢回升的趋势, 其高值集聚区由喀什地区转移至阿克苏地区的库车县、新和县等地, 高-低集聚、低-高集聚及低低集聚变化不大; 推动新疆棉花种植业地理集聚发展的主要因素有生产性土地面积比重、棉花比较收益、机械化水平以及政策因素。

为了明确密植栽培中不同株型玉米的冠层光能截获、物质生产与产量的关系, 以不同株型玉米陕单609 (紧凑型)、秦龙14 (中间型)和陕单8806 (平展型)为试验材料, 设置4个种植密度(4.5×10 ⁴、6.0×10 ⁴、7.5×10 ⁴和9.0×10 ⁴株 hm ^-2), 于2016—2017年开展大田试验, 研究密度对形态特性、冠层光分布、灌浆参数以及干物质积累等的影响。结果表明, 陕单609、秦龙14和陕单8806两年平均产量依次为12,176、9624和8533 kg hm ^-2, 分别在9.0×10 ⁴、7.5×10 ⁴和6.0×10 ⁴株 hm ^-2达到高产, 产量较低密度分别提高了26.9%、20.4%和19.7%; 随着种植密度的增加, 叶面积降低, LAI和叶向值增加, 在高密度下陕单609中间层由于较大的叶片和叶向值能截获更多的光能, 秦龙14次之; 灌浆速率达到最大时的天数(D_max)、粒重(W_max)、籽粒最大灌浆速率(G_max)、平均灌浆速率(G_ave)、籽粒活跃灌浆期(P)均随密度的增加而降低, 高密度下陕单609的D_max分别较秦龙14和陕单8806早1.4 d和3.0 d, W_max和P分别高于秦龙14 (0.3 g和3.3 d)和陕单8806 (1.1 g和5.4 d); 吐丝后干物质积累量、干物质转运量及其对籽粒的贡献率随密度的增加呈先升高后降低的趋势。在高密度下, 陕单609花后干物质积累量、花后干物质转运量和干物质转移对籽粒的贡献高于秦龙14 (5.1%、36.0%、33.5%)和陕单8806 (26.6%、46.7%、59.1%)。穗位层光能截获与产量(r = 0.631)显著正相关(P < 0.05), 与花后干物质积累量(r = 0.661)和平均灌浆速率(r = 0.859)极显著相关(P < 0.01)。可见, 与秦龙14和陕单8806相比, 紧凑型品种陕单609密植下调控穗上部叶片直立, 改善冠层中下部光分布, 维持较高的光合绿叶面积, 延缓冠层叶片衰老, 增加花后营养器官光合产物的积累以及籽粒灌浆速率, 实现了增产。

禾豆间作是一种高效的生态种植模式, 为明确糜子-绿豆合理间套作种植模式下糜子对养分高效利用的机制, 于2017—2018年在榆林小杂粮综合试验示范站, 以单作糜子(SP)为对照, 设糜子(P)-绿豆(M) 4种间作模式[2∶2 (2P2M)、4∶2 (4P2M)、4∶4 (4P4M)、2∶4 (2P4M)], 分析糜子开花期和成熟期不同器官干物质积累、氮素含量及植株氮积累量, 以期探讨叶片和根系氮素代谢的变化规律, 进一步挖掘不同间作模式对糜子产量及其构成因素的调控效应。结果表明, 糜子-绿豆间作可显著增加糜子开花期根系、茎秆、叶片和鞘的氮素含量, 使成熟期穗的氮含量比单作增加10.9%~15.9%; 间作有利于促进糜子器官的生长发育, 与单作相比, 间作模式下糜子成熟期干物质积累量两年试验平均提高11.6%~32.1%, 植株氮素积累量增加12.8%~36.9%, 其中糜子叶片和茎秆的氮素转运量分别比单作增加51.7%~78.9%和24.1%~55.6%, 叶片对于穗的氮素贡献率增加40.6%~66.9%。糜子-绿豆间作模式可显著调节糜子旗叶和根系的氮素代谢, 硝酸还原酶活性、谷氨酰胺合酶活性、可溶性蛋白含量及游离氨基酸含量均有不同程度的增加, 2P4M处理下达到最大值。植株生理代谢、氮素营养的合理调控显著改善了糜子产量及其构成因素, 产量表现为2P4M>4P4M>2P2M>4P2M>SP。综上所述, 糜子-绿豆间作模式可促进糜子生育后期的氮素积累、转运及氮素代谢, 延缓了植株的衰老, 提高糜子产量, 表现出明显的间作优势。本试验条件下, 2P4M是陕北地区糜子-绿豆最佳的间作配比。

脂肪酸组成是影响花生营养价值和货架寿命的主要因素, 高油酸花生以其营养保健价值高、化学稳定性好、耐储藏等特点, 深受广大消费者和花生加工企业的喜爱。因此, 培育高油酸品种是花生育种的重要目标, 建立快速、高效、准确检测花生中主要脂肪酸含量的无损方法是加快花生脂肪酸改良和高油酸品种选育进程的重要技术保障。本研究利用近红外光谱技术建立了可以非破坏性地快速检测单粒花生中油酸、亚油酸、棕榈酸含量的数学模型, 其中油酸模型的决定系数(R ²)为0.907, 均方差为3.463; 亚油酸模型的决定系数为0.918, 均方差为2.824; 棕榈酸模型的决定系数为0.824, 均方差为0.782。使用100粒花生验证该模型的准确性, 结果油酸、亚油酸和棕榈酸的近红外预测值与化学值的相关系数分别为0.88、0.90和0.71, 表明此模型可以准确地预测单粒花生中这3种脂肪酸的含量。本研究借助该模型建立了一种不依赖分子标记的快速、高效选育高油酸花生的方法, 并成功应用于高油酸花生育种, 选育出高油酸花生品种中花215。

为探究不同提取方法对发芽小麦代谢物提取效果的影响, 本研究建立了基于超高效液相色谱-四级杆飞行时间质谱(UPLC-QTOF/MS)的发芽小麦非靶向代谢组学样品前处理方法和分析方法, 以发芽2 d周麦26籽粒为材料, 设计提取溶剂、提取方式、提取时间3个因素在3个水平上L₉(3 ⁴)正交试验, 并通过主成分分析和聚类分析确定提取效果最佳的组合。以80%乙腈(0.1%甲酸)震摇提取30 min可检测出1609个代谢峰, 说明提取溶剂对代谢物提取效果起主要作用。共鉴定出92种小麦代谢物。

为了开发小麦粒重相关基因TaCYP78A5 (Triticum aestivum Cytochrome P450 78A5)的功能标记, 挖掘与千粒重性状相关的优异等位变异, 本研究通过对30份不同品种小麦TaCYP78A5启动子区测序及比对鉴定, 并根据SNP位点差异开发TaCYP78A5-2A启动子区功能标记CAPS-5Ap。结果表明, 在30份不同小麦品种中TaCYP78A5-2A启动子区域出现5个SNP位点差异, 可将30份不同品种小麦分为TaCYP78A5-2Ap-HapI和TaCYP78A5-2Ap-HapII两种单倍型; 以323份现代育成小麦品种验证发现, TaCYP78A5-2Ap-HapI的分布频率为17.96%, TaCYP78A5-2Ap-HapII的分布频率为82.04%, 表明CAPS-5Ap标记可用于小麦TaCYP78A5-2A启动子序列2种单倍型的鉴定。此外, 关联分析发现, CAPS-5Ap标记与粒重相关, 且TaCYP78A5-2Ap-HapII是提高千粒重的优异单倍型。研究结果为小麦分子标记辅助选择和性状改良提供理论依据。