杂草稻(Oryza sativa f. spontanea)泛指具有杂草特性的水稻, 是稻田中的恶性杂草之一, 在生产中可严重危害栽培稻的产量和品质。本文从杂草稻的形态特性、落粒性、休眠性、耐逆性等方面概述其生物学特征。简要阐述了杂草稻起源于栽培稻的去驯化过程, 分布范围涵盖世界稻作生产区, 在我国杂草稻的发生分布不均, 以江苏中南部以及广东的湛江等地最为严重。进一步分析了由于杂草稻导致对稻米产量、稻米品质以及稻田生态环境造成的影响和危害, 并提出了杂草稻的综合防控与治理措施, 包括预防控制、合理耕作、科学使用化学除草剂等方式, 以便有效地控制杂草稻的发生与传播。

建立快速、准确、高通量与简便易行的基因型分析技术对基因功能解析、分子育种与突变体鉴定研究具有重要价值。本研究的目标是利用Cas9或Cas9NG变体与单分子指导RNA (single guide RNA, sgRNA)核糖核蛋白复合体(sgRNA/Cas9-RNP或sgRNA/Cas9NG-RNP)体外DNA定点内切酶活性, 建立与优化简便高效与低成本的基因型分析技术。以我们前期创制的CRISPR/Cas9定点编辑玉米ZmWx基因第7外显子区域定点突变基因编辑后代分离群体为材料, 以ZmWx靶位点两侧特异引物扩增的PCR产物为底物, 利用原核表达并纯化的Cas9或Cas9-NG蛋白为DNA内切酶, 以体外转录的靶向ZmWx基因靶点的sgRNA或骨架序列优化的sgRNA (enhanced sgRNA, esgRNA)为Cas9或Cas9-NG酶定点活性指导元件, 通过体外组装为sgRNA/Cas9-RNP复合体, 对目标样本进行酶切, 以区分目标位点野生型、纯合突变体、杂合突变体基因型, 并对反应体系进行了优化。研究表明, 基于esgRNA/Cas9的PCR/RNP检测技术可对ZmWx基因编辑目标突变体后代进行快速有效的基因型鉴定; 实验体系优化结果表明, esgRNA/Cas9蛋白质量比为1:1, 各为1 μg, 20 μL反应体系, 37℃酶切0.5 h, 可对500 ng待测DNA底物充分酶切并确定基因型; esgRNA/Cas9NG反应体系优化结果表明, 当esgRNA与Cas9-NG蛋白均为2 μg时, 37℃酶切4 h, 可对500 ng DNA底物进行酶切并实现基因型分析。利用Cas9NG拓宽靶位点检测范围的研究结果, 暗示Cas9NG是以牺牲核酸酶酶切活性为代价降低了Cas9蛋白对PAM (protospacer adjacent motif, PAM)基序NGG序列的依赖性, 实现PAM-NG基序识别能力, sgRNA/Cas9NG检测效率等仍有待提升与优化。本研究为基因功能解析、分子育种与突变体鉴定等研究提供了一套简便、成本低廉的技术方法, Cas9NG体外内切酶活性及其效率也为该Cas9突变体活体基因编辑技术研发提供了参考数据。

黄麻CAPS分子标记的开发, 可以为黄麻遗传多样性分析、种质资源鉴定和分子标记辅助选择等研究提供有效方法。本试验以黄麻179和爱店野生种为材料, 采用Illumina HiSeq 4000测序技术进行转录组测序, 对其SNP位点进行分析, 设计了与木质素合成基因4CL、COMT及转录因子MYB相关的SNP引物, 在此基础上, 应用dCAPS Finder2.0软件开发了CAPS标记, 并对其有效性进行了验证。结果表明: (1)组装后的黄麻unigene序列共72,674条, 序列总长度为29,705,997 bp, 检测到的SNP位点总数为67,567个, 平均每440 bp有1个SNP。(2)获得了39对分别与4CL、COMT和MYB相关的SNP引物, 从中筛选获得26对CAPS标记引物, 开发成功率为66.7%, 其中11对CAPS标记具有多态性, 多态性比例为43.2%。(3)开发的CAPS标记能较好地将12份不同类型的黄麻种质区分开来, 表明CAPS是适用于黄麻研究的较理想的分子标记方法, 为黄麻遗传基础研究提供了可靠工具。

大豆疫霉病是由大豆疫霉引起的一种重要大豆病害, 可造成严重的经济损失。种植含有抗疫霉病基因的大豆品种是控制该病害最有效的途径。前人在大豆品种郑97196的3号染色体上鉴定了一个抗疫霉病基因RpsZheng。本研究的目的是验证并精细定位抗疫霉病基因RpsZheng。以Williams和郑97196杂交衍生的188个F_2:3家系为作图群体, 用大豆3号染色体上的SSR标记构建RpsZheng遗传连锁图, 获得与RpsZheng紧密连锁的侧翼SSR标记SattWM82_39 (2.5 cM)和BARCSOYSSR_03_0269 (1.0 cM)。基于亲本间全基因组重测序数据鉴定和开发多态性InDel标记, 进一步将RpsZheng候选区域缩小至105.2 kb, 通过检测RpsZheng候选区域内的共分离标记特异性, 获得了能够有效检测RpsZheng的分子标记WZInDel11。本研究明确了RpsZheng的候选基因组区间, 鉴定出了能够有效用于基因功能研究和辅助选择育种的共分离分子标记。

为加强玉米品种管理和知识产权保护, 评估确定了一套兼容多技术平台, 适于玉米分子鉴定的SNP位点组合, 该组合包含384个位点; 构建了335个玉米杂交种SNP-DNA指纹, 并针对位点和样品从各个角度进行分析。384个位点全部分布在基因内区域, 显示了较好的多态性; MAF、PIC、DP平均值分别为0.39、0.36、0.60, 384个位点中88%的位点MAF值高于0.30, 98%的位点PIC值高于0.30, 98%的位点DP值高于0.50。对335个玉米杂交种进行遗传相似系数两两比较, GD (1 - Nei遗传距离)的变异范围为0.60~0.99, GD≥0.98、0.95、0.90者分别占比0.10%、0.38%、1.40%; GS (相同等位基因比)的变异范围为0.50~0.99, GS≥0.98、0.95、0.90者分别占比0.03%、0.11%、0.35%。从384个位点中抽取最优位点组合, 12个位点组合时品种识别率为0.99, 20个位点组合能够识别335个品种。综上所述, 本研究报道的384个核心SNP位点具有兼容多平台、高稳定性、高重复性、高品种区分能力, 利用核心位点构建了335个玉米杂交种SNP-DNA指纹, 为玉米品种分子鉴定、指纹数据构建以及分子育种提供了关键数据支撑。

干旱是影响玉米(Zea mays L.)产量最主要的环境因素之一, 具有耐深播特性的玉米种质材料能够吸收土壤深层水分, 具有较强的耐旱性, 因此研究玉米耐深播性状的遗传机制具有重要的理论和应用价值。本实验室前期已利用耐深播玉米自交系3681-4与普通自交系X178构建的F_2:3群体, 在玉米10号染色体上定位到了一个耐深播主效QTL qMES20-10。本研究在此基础上, 以X178为轮回亲本, 结合前景选择和背景选择, 构建了BC₃F_3:4家系, 对qMES20-10进行了确证; 并进一步利用分子标记辅助选择构建了高代回交群体, 将其精细定位于133.3~136.0 Mb的区间之内。同时, 利用从BC₃F_3:4家系中筛选出的两个近等基因系, 进行差异表达基因分析, 发现差异表达基因主要参与了化学性应激反应、氧化还原反应和对氧化胁迫的应激反应。本研究结果为进一步克隆耐深播主效QTL qMES20-10奠定了基础。

拟南芥中硝酸盐的吸收、转运和分配是通过硝酸盐转运蛋白(nitrate transporter, NRT)实现的。尽管之前的生物信息学分析推测大豆GmNRT1.2s可能参与共生固氮过程, 但尚未开展相应的功能研究。本研究通过对其表达模式分析发现, GmNRT1.2a和GmNRT1.2b分别在根和叶中高表达, 且受硝酸盐诱导, 在接种根瘤菌与结瘤因子(nod factors, NFs)后表达量明显升高。功能研究结果显示, 过表达GmNRT1.2a或GmNRT1.2b后大豆根瘤数目显著增加。本研究为深入探究GmNRT1.2a和GmNRT1.2b调控大豆共生固氮过程的分子机制提供了一定的数据支持。

权重基因共表达网络分析(Weighted Gene Co-expression Network Analysis, WGCNA)是系统生物学的一种研究方法, 在多样本转录组数据中挖掘与目标性状相关的基因模块有较广泛的应用。为了深入探究马铃薯应对干旱胁迫的分子机制, 本研究以国际马铃薯中心引进栽培种C16 (CIP 397077.16)和C119 (CIP 398098.119)为试验材料, 将其无菌组培苗利用甘露醇模拟干旱胁迫, 处理0 h、2 h、6 h、12 h和24 h, 取其根系进行转录组测序, 每样设3个生物学重复, 共30个样本。基于以上转录组数据, 利用WGCNA构建与抗逆生理性状相关联的权重基因共表达网络, 得到15个与根系抗旱密切相关的基因共表达模块, 并从4个与目标性状关联度最高的模块中发掘到数个核心基因, 功能注释表明其中大部分参与干旱胁迫调控通路。这些结果为进一步研究马铃薯根系抗旱的分子遗传机制提供了线索。

光周期和温度是影响作物生长发育、生态适应性和产量的2个重要环境因素, 揭示光温互作对作物生长发育的效应及其分子机制对育种实践和理论研究具有重要意义。本研究设置长日照高温、长日照低温、短日照高温、短日照低温4个光温处理, 调查‘黄毛谷’抽穗期、株高、叶片数和穗长。结果表明, 光周期对谷子的发育起关键作用, 温度的改变不影响长日照比短日照延迟谷子生殖生长的效应, 温度的作用随光周期的不同而异, 短日照条件下, 高温缩短谷子营养生长期而低温延长营养生长期, 长日照条件下则相反; 对谷子生殖生长的促进作用是短日照高温>短日照低温>长日照低温>长日照高温。利用RT-PCR技术从‘黄毛谷’叶片克隆了一个CCT结构域基因(SiCCT), 该基因编码286个氨基酸, 属于CMF亚家族成员, 基于CCT域基因氨基酸序列的系统进化分析, 谷子与高粱、玉米亲缘关系较近。实时荧光定量PCR分析发现, SiCCT基因在‘黄毛谷’叶片中高表达, 其次为幼穗和叶鞘; 长日照、短日照处理SiCCT基因均表现24 h昼夜节律性特点, 短日照七叶期表达水平最高, 八叶期(抽穗)及穗后表达迅速降低, 长日照七叶至十叶期‘黄毛谷’处于营养生长期, SiCCT基因维持较高表达水平; 无论高温低温, 长日照条件下SiCCT基因在各叶期表达量整体高于短日照处理, 长日照条件下低温处理SiCCT基因的相对表达量明显低于高温处理, SiCCT基因的总体表达量与‘黄毛谷’营养生长期存在正相关。总之SiCCT基因受光周期调控, 同时也受温度调控, 因而推测SiCCT基因参与了光周期途径和感温性途径, 并通过二者互作调控谷子营养生长和生殖生长的全过程。

为探讨5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)和乙烯利(ETH)复配剂对东北春玉米生育期内低温冷害的调控机制, 创建东北春玉米区抗冷密植稳产化控栽培技术, 2018—2019年在吉林省公主岭试验站(43o9′55″N, 124o48′43″E), 以中单909为材料, 设置5-ALA和ETH不同浓度复配组合处理, 于拔节期(V6)进行叶面喷施, 研究各复配剂组合对春玉米源-库代谢、灌浆速率及产量的调控效应。5-ALA-ETH处理相比对照均改善了春玉米源-库代谢, 其中22.50 g hm^-25-ALA配合450 mL hm^-2ETH处理(A2E1)调控效果最优。A2E1处理下春玉米花前功能叶蔗糖磷酸合酶(SPS)活性和蔗糖含量平均比对照分别增加5.4%和7.9%, 在吐丝后20 d内功能叶蔗糖含量降低14.4%, 而籽粒蔗糖含量提高41.4%。5-ALA-ETH处理提高了籽粒最大灌浆速率, A2E1处理下在灌浆10~20 d籽粒蔗糖合酶(SS)分解方向酶活、籽粒酸性转化酶(AI)和中性转化酶(NI)活性相比对照平均分别提高12.5%、52.8%和24.1%。A2E1处理玉米收获期穗长、穗粒数比对照分别增加4.7%和8.6%, 秃尖长降低58.3%, 产量显著提高4.8%。综上所述, 5-ALA-ETH复配剂能够增加东北春玉米生育期内源强和库活性, 进而促进籽粒灌浆, 缓解低温冷害的影响, 对保障东北春玉米高产稳产具有重要意义。

为明确厚轴茶(Camellia crassocolumna H. T. Chang)雄性不育株花器发育形态、花药和花粉败育时期及其细胞学特征, 利用体视显微镜、石蜡切片技术、染色体制片和DAPI染色法, 对厚轴茶雄性不育株和可育株开花进程、花器形态、花药发育过程、花粉母细胞减数分裂及小孢子发育过程比较观察。结果显示, 厚轴茶花属于完全花, 花药具四室、呈蝶形, 花药壁发育为基本型, 绒毡层细胞具双核, 于四分体时期形成分泌型细胞, 单核花粉期开始降解, 花粉母细胞经过减数分裂I、减数分裂II和胞质分裂后形成四面体型四分体, 小孢子呈三角形, 成熟花粉为二细胞型花粉。花蕾发育早期, 不育株雄蕊发育正常, 与可育株无明显差异。花蕾发育后期, 不育株花丝弯曲, 花药粘连、干瘪、褐化、坏死, 不裂药。不育株减数分裂期绒毡层细胞异常增生、排列混乱, 单核至双核花粉期绒毡层延迟降解。不育株花粉母细胞减数分裂过程中存在环状单价体、滞后染色体、染色体桥、染色体缺失、不均等分离、微核和多分体等异常现象。不育株小孢子胞质紊乱, 单核期花粉粒相互粘附, 花粉壁皱缩变形, 花粉细胞质和细胞核模糊不清, 成熟花粉细胞空瘪凹陷。研究结果表明, 厚轴茶雄性不育花器形态属雄蕊萎缩型和花药异常型, 花药发育受阻于减数分裂至单核花粉期, 存在花粉母细胞败育型和单核败育型。单核花粉期是其花药败育的主要时期。花药绒毡层异常发育和延迟降解, 花粉母细胞减数分裂染色体行为异常, 小孢子和花粉粒发育异常可能是其花药败育的主要原因。

灌浆结实期温度与氮肥施用量是影响稻米品质的两个重要生态因子, 尤其是与稻米蛋白含量及米饭食味关系密切。本文以多个水稻主栽品种为材料, 通过灌浆结实期的人工控温试验、大田长期定位点的施氮处理试验和盆栽条件下的温氮两因素复合处理试验, 探讨了水稻灌浆结实期温度对稻米贮藏蛋白含量与组分影响及其有别于氮肥处理效应的差异规律, 并分析了温度与氮肥两个因素对稻米贮藏蛋白及其组分影响的交互作用特点。结果表明, 高温胁迫和增施氮肥均引起水稻籽粒总蛋白及其谷蛋白组分含量(%)的显著增加, 但两者对稻米醇溶蛋白影响却存在明显差别。其中, 高温处理引起醇溶蛋白含量显著下降, 提高稻米谷蛋白/醇溶蛋白比值, 而增施氮肥引起稻米谷蛋白和醇溶蛋白含量明显增加, 但对谷蛋白/醇溶蛋白比值与贮藏蛋白各亚基的组成比例影响相对较小。在高温处理下, 谷蛋白的57 kD前体亚基组分含量有所提高, 而37 kD酸性亚基和22 kD碱性亚基随温度处理的差异变化却因品种而异, 且高温处理对水稻籽粒蛋白绝对含量(mg grain^-1)的影响程度也远没有其对蛋白相对含量(%)的影响明显。高氮×高温处理组合对稻米总蛋白与谷蛋白含量的影响程度显著大于单一高温或高氮处理, 但在高氮水平下由高温引起稻米醇溶蛋白含量的下降幅度却小于其低氮对照, 有利于稻米醇溶蛋白含量在不同温度处理下的相对稳定。

及时准确地获取农作物的空间分布信息和种植面积, 在农业生产管理与农业政策的制定等方面具有非常重要的作用。本文以多时相Sentinel-1A影像(4月17日、5月5日、6月16日、7月22日、8月27日、9月2日)为主要数据源, 根据研究区作物的物候特征, 提取棉花、玉米和果树在不同生长期的后向散射系数(Sigma)和归一化后向散射系数(Gamma)。通过对作物不同极化、不同时相后向散射系数的统计, 建立散射特征时序变化曲线, 并分析其特征。利用人工神经网络(Artificial neural network)、支持向量机(Support vector machine)和随机森林(Random forest) 3种分类方法对研究区的主要农作物进行分类识别以及种植面积提取, 并对分类结果对比分析和验证。结果表明, 1)棉花的后向散射系数在6月现蕾期和7月开花期明显上升, 8月份达最高值, 变化特征最明显, 易与其他作物区分; 玉米和果树的后向散射系数在9月份与其他地物之间表现出显著差异。2)相较于神经网络和支持向量机, 随机森林的分类效果最好, 总体精度达88.97%。其中, 对棉花和果园的分类精度为90.88%和93.17%, 对玉米的分类效果最差, 仅有71.6%。综上所述, 多时相双极化SAR数据在不同类型作物的识别及面积提取方面具有一定的应用潜力。

无人机遥感为精准农业管理提供了新的工具。实现无人机影像高精度自动拼接是开展无人机遥感应用的基础。目前, 已有不同无人机影像拼接软件在几何精度方面性能比较的研究, 但关于光谱精度方面还未有相关研究, 而其对定量遥感反演非常重要。本研究比较了目前最受欢迎的两款无人机拼接软件Pix4D和Photoscan在农业应用时, 拼接影像过程对原始影像光谱信息的影响, 以为用户推荐最优软件。为此, 基于冬小麦氮肥梯度试验, 本研究在小麦生长季利用无人机搭载多光谱传感器获取相关影像, 并将其分别基于Pix4D软件, Photoscan软件拼接处理。同时, 基于传感器厂商提供的单张影像处理技术, 将每次传感器拍摄数据处理成未拼接的单张多光谱影像。基于以上数据, 在施肥处理小区随机布设样点, 分别提取3种类型影像上的样点光谱信息, 比较它们光谱反射率及其对比度的差异。结果表明, 尽管Pix4D拼接影像和Photoscan拼接影像各波段光谱反射率都与单张影像的反射率有显著相关性, 但与Pix4D拼接影像相比, Photoscan拼接影像的光谱反射率和变异系数与原始单张影像之间更为接近。Photoscan能保留更多的原始光谱信息。结合已有关于两款软件在几何精度和价格方面的比较研究, 本研究推荐Photoscan为农业应用时的最优性价比软件。

蔗糖作为光合产物的主要运输形式, 其跨膜运输主要由蔗糖转运蛋白介导。本研究采用RACE技术, 从甘薯[Ipomoea batatas (L.) Lam.]中克隆得到甘薯蔗糖转运蛋白基因IbSUT3 (GenBank登录号为MN233361)。IbSUT3基因全长1607 bp, 开放阅读框为1518 bp, 编码505个氨基酸。IbSUT3蛋白预测分子量为53.82 kD, 等电点(pI)为9.19, 含有12个跨膜结构域。序列比对表明, IbSUT3属于Group I亚族, 与其他物种的SUTs蛋白高度相似, 但与Group IV亚族的蔗糖转运蛋白在进化上具有明显差别。利用酵母表达体系SUSY7/ura3证明IbSUT3编码有功能的蔗糖转运蛋白。亚细胞定位发现, IbSUT3蛋白定位在烟草原生质体膜上。实时荧光定量PCR结果表明, IbSUT3基因在甘薯不同组织中均有表达, 但在叶片中表达最高; 非生物胁迫(低温、高盐、干旱)和外源脱落酸均可诱导IbSUT3基因在叶片中的表达, 表明该基因响应多种非生物胁迫, 参与植物对脱落酸的响应。

为填补我国在伏马毒素基体标准物质的空白, 本试验研制了以玉米粉为基体的伏马毒素FB1标准物质, 玉米样品经过筛、加标、冷冻干燥、磨粉、混匀、密封分装后, 用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)法检验样品的均匀性、稳定性, 并联合多家实验室对玉米粉中伏马毒素FB1含量定值, 同时分析样品的不确定度。样品均匀性经方差分析法表明F值为1.42, 小于临界值F_0.05, 且伏马毒素FB1含量在规定时间6个月内无明显变化。结果表明, 均匀性与稳定性均符合标准物质的要求。样品定值为1475.56 μg kg^-1, 不确定度为169.98 μg kg^-1。该标准物质可替代进口标准物质, 用于伏马毒素检测过程中的仪器校准、实验室质量控制和操作人员的水平考核等。