NAC (NAM/ATAF/CUC, NAC)转录因子是植物中特有的转录调控因子, 在植物体的生长发育与逆境胁迫响应等多种生理过程中起着重要的调控作用。本研究利用cDNA末端快速扩增技术(rapid amplification of cDNA ends, RACE)从甘薯品种栗子香中克隆到甘薯抗旱相关基因IbNAC72, 该基因cDNA长为1319 bp, 开放阅读框(open reading frame, ORF)为1008 bp, 编码335个氨基酸, 分子量为37.4 kD, 等电点为8.76, 基因组全长为1199 bp, 含有3个外显子、2个内含子。多重序列比对和系统进化树分析显示, IbNAC72基因与牵牛花中同源基因的亲缘关系最近。实时荧光定量PCR分析表明, IbNAC72基因在甘薯叶片中的表达量显著高于在茎段和根系中; 同时IbNAC72基因受到干旱和盐胁迫显著诱导表达。利用农杆菌介导法转化烟草, 获得过表达IbNAC72基因的转基因烟草植株。对IbNAC72转基因烟草植株的抗旱性分析表明, 在长时间干旱条件下, 转基因植株的根系更加发达, SOD活性显著提高, MDA的含量显著降低, 抗旱性显著提高。本研究表明, IbNAC72是与抗旱性密切相关的基因, 为深入探究IbNAC72抗旱的分子机制提供了基础。

利用不同秋水仙素处理浓度、处理方式、处理时间对马铃薯试管苗茎段进行处理,研究了不同处理组合对试管苗成活率和加倍效率的影响, 筛选获得了马铃薯染色体加倍优化处理组合。结果表明, 0.1%秋水仙素浓度在120转 min^-1的条件下处理马铃薯试管苗茎段3d的加倍效率最高,该处理方法结合摇床转动处理,使秋水仙素与处理茎段接触更充分,较其他马铃薯染色体加倍技术具有加倍率更高、加倍时间更短且操作简便等优点, 为马铃薯倍性操作提供了高效方法。同时, 加倍的种间杂种材料农艺性状与原始二倍体相比,加倍获得的四倍体材料在植株株高、茎粗、花瓣大小及花粉粒大小等方面均有明显增强,且抗寒能力和二倍体种间杂种相当,较普通马铃薯栽培种显著增强,可为马铃薯栽培种的抗寒遗传改良提供良好的材料基础。

分枝数是影响大豆产量的重要因素之一, 与植株结荚率直接相关; 同时也是决定大豆株型的重要组成因子, 并通过调节群体结构、种植密度等进一步影响产量。目前关于大豆分枝数QTL (quantitative trait loci)精细定位与图位克隆的报道极少。因此, 发掘参与调控大豆分枝的基因/QTL对于株型建成的基础研究和高产品种培育的应用研究都具有重要意义。本研究在少分枝品种垦丰19 (KF19)与多分枝品种垦农24 (KN24)组合F₂的基础上, 培育出由606个株系组成的F_7:8重组自交系(recombinant inbred lines, RIL)群体, 以及由1486个单株KF19-BC₃F₂和1150个单株KN24-BC₂F₂组成的2个回交群体。在18号染色体分枝数QTL新位点(qBN-18)的定位区间内筛选出多态性SSR标记11个, 利用RIL群体将qBN-18的定位区间由1.6 Mb缩小到113 kb。在定位区间内开发了2个InDel标记BR69与BR77。进一步利用回交群体筛选交换单株, 将qBN-18定位区间缩小到63.7 kb, 包括9个基因。本研究结果为大豆分枝数的基因图位克隆及分子标记辅助育种创造了条件。

白菜型油菜(Brassica rapa L., 2n = 20, AA)为十字花科芸薹属作物, 属于栽培油菜基本种。我国是白菜和白菜型油菜的起源中心, 与甘蓝型油菜相比, 其起源和栽培历史悠久, 遗传资源丰富, 具有天然而稳定的黄籽资源。大黄油菜是白菜型油菜中一种天然的黄籽资源, 其粒色鲜黄, 黄籽性状能够稳定遗传, 且具有大粒、含油量高、自交亲和性好等优点, 是研究油菜粒色性状的良好材料。本研究对白菜型油菜粒色主效基因BrTT1进行了进一步的功能验证, 并对BrTT1的粒色调控机制进行了初步解析。序列比较结果表明, BrTT1在不同遗传背景白菜型油菜黄籽、红褐籽、黑籽品种中存在固定的差异位点, 同一粒色材料所得BrTT1序列一致, 可用于预测粒色表型; 酵母双杂交分析表明, BrTT1可以与另外2个转录因子R2R3-MYB (BrTT2)和WD40 (BrTTG1)以及一个催化酶(BrTT3)相互作用。qRT-PCR结果表明, 超量和干扰BrTT1的表达, 导致类黄酮合成路径结构基因及其他关键调节基因BrTT2、BrTTG1的异常表达或不表达, 从而阻碍了原花色素的正常积累。研究结果进一步明确了BrTT1在白菜型油菜粒色形成中的调节活性。

为了明确Wx^mp基因背景下不同半糯粳稻品质差异的原因, 以淀粉合成酶基因SSIIa和SSIIIa表现多态性而其他淀粉合成相关基因无多态性的武粳13和关东194 (Milky Princess)杂交后代衍生的64个半糯品系为材料, 分析了Wx^mp基因背景下, SSIIa和SSIIIa基因等位变异对直链淀粉含量(amylose content, AC)、胶稠度(gel consistency, GC)、糊化温度(gelatinization temperature, GT)及RVA谱特征值的影响。结果表明, SSIIa和SSIIIa等位变异对AC、GC、GT和RVA谱特征值都有显著影响, 且2个基因间存在互作效应。SSIIa²和SSIIIa²(²表示该基因来源于非半糯亲本武粳13)有使AC增高的趋势, 分别使AC提高1.87%和1.23%, 2年结果基本接近。单个SSIIa和SSIIIa等位变异对GT无显著影响, 而基因型SSIIa¹SSIIIa¹(¹表示该基因来源于半糯亲本关东194)的GT比SSIIa²SSIIIa²高1.34℃, 达显著水平, 表明2个基因的互作对GT有显著影响。GC在不同基因型间均存在极显著差异, SSIIa ²和SSIIIa¹可分别使GC增加8.74 mm和9.62 mm。从2个基因的互作效应来看, 基因型SSIIa²SSIIIa¹的GC比基因型SSIIa¹SSIIIa²和SSIIa²SSIIIa²分别增加10.64 mm和16.95 mm。SSIIa²使最高黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值增加, 回复值和消减值下降; 而SSIIIa²的效应则相反。2个基因的互作效应, 最高黏度、热浆黏度和冷胶黏度均以SSIIa²SSIIIa¹最大, 崩解值和回复值均以SSIIa²SSIIIa²最大, 消减值SSIIa²SSIIIa¹最小。本研究结果为半糯粳稻蒸煮食味品质的改良提供了一定的理论依据。

外源DNA片段的拷贝数及插入位点的侧翼序列等分子特征信息是转基因植物安全评价过程中必需要提供的信息。本研究利用基因组测序结合生物信息学对耐除草剂转基因水稻G2-7的T-DNA插入位点、拷贝数和侧翼序列进行鉴定。利用Illumina NovaSeq 6000平台对G2-7进行全基因组测序, 共获得47.13 Gb的测序数据, 通过与转基因载体和参考基因组序列的比较, 确定了G2-7中T-DNA在受体基因组中的插入位点。结果显示, 外源DNA片段以单位点单拷贝形式插入到水稻1号染色体的36,189,491~36,189,507位置, 造成水稻基因组16 bp DNA缺失, 无载体骨架的插入。同时我们获得外源基因插入位点5′侧翼序列375 bp和3′端侧翼序列353 bp, 并通过PCR扩增和Sanger测序进一步证明获得的侧翼序列是正确的。研究结果为转基因水稻G2-7的安全评价及转化体特异性检测提供了有效的数据支撑, 同时也证明全基因组测序(WGS)是解析转基因植物分子特征的有效方法。

前期在甘蓝型春油菜NNDH群体中定位到cqDTFA7a和cqDTFC8 2个早花主效QTL, 分别开发了与cqDTFA7a紧密连锁的SSR标记G1803、InDel标记IA7-4, 以及与cqDTFC8紧密连锁的SSR标记S035。本研究在此基础上构建了早花QTL位点cqDTFC8的BC₂F₂群体, 进一步对该位点加密, 开发了与cqDTFC8紧密连锁的标记SNP11。利用开发的与两个位点紧密连锁的4个标记对93个甘蓝型春油菜自然资源进行早花基因型鉴定, 从中筛选出含有cqDTFA7a位点的资源3164和2216, 含有cqDTFC8位点的资源3484和2857, 两位点资源之间两两正反杂交进行位点聚合。通过小孢子培养和标记辅助选择快速获得聚合DH系, 筛选出性状优良且早花的聚合系与波里马细胞质雄性不育系配置杂交组合, 连续2年多点进行测产试验, 对聚合系利用价值进一步分析。cqDTFC8加密结果显示, 该位点被定位于SNP11和SNP12区间中, 与SNP11共分离。自然资源早花基因型鉴定结果显示, 含有cqDTFA7a位点的单株50个, 平均初花期58.1 d, 含有cqDTFC8位点的单株16个, 平均花期58.3 d, 同时含有两位点的单株16个, 平均花期55.2 d, 表明同时包含两早花位点株系比只含有一个早花位点株系早开花。聚合结果显示, 早花位点cqDTFC8和cqDTFA7a的聚合单株开花时间比单位点亲本单株的开花时间提前2~3 d, 其中来自cqDTFA7a位点的3164和cqDTFC8位点的3484聚合后的DH18比亲本早开花3 d, 产量相关性状都优于其他品系。进一步利用DH18与波里马细胞质雄性不育系025A配置组合, 将该组合定名为TZG18, 2年9点测产结果表明, TZG18比青藏高原白菜型主栽品种浩油11号增产17.5%以上。综上研究结果说明, 早花位点聚合品系比早花单位点品系在开花时间上有着明显的优势, 同时对增加油菜产量也有影响。本研究是甘蓝型春油菜早花性状MAS育种的初步探索, 为春油菜区特早熟甘蓝型春油菜品种替代白菜型油菜提供了材料支持, 也为基因聚合育种技术提供了新途径。

非光化学猝灭(non-photochemical quenching, NPQ)是高等植物主要的光保护调节机制, 光合系统II (Photosystem II, PSII)的PsbS亚基在NPQ起关键作用。甘蔗(Saccharum spp. hybrid)中PSII PsbS亚基应答甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus, SCMV)的侵染尚未见报道。本课题组在前期研究中克隆了甘蔗的PsbS亚基编码基因, 命名为ScPsbS, 该基因开放读码框(open reading frame, ORF)长度为798 bp, 编码长度为265个氨基酸的蛋白。生物信息学分析表明, ScPsbS为稳定的疏水性蛋白, 具有叶绿体定位信号, 有4个跨膜结构域; 具有典型的PsbS亚基结构域。系统进化树分析表明, ScPsbS在单子叶、双子叶以及单子叶的C₃和C₄植物中存在明显的分化。亚细胞定位分析表明, ScPsbS定位于叶绿体且与SCMV-6K2部分共定位于叶绿体。双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)试验进一步证实了ScPsbS与SCMV-6K2互作。实时荧光定量PCR分析发现, ScPsbS基因的表达具有明显的组织特异性, 在成熟叶片中相对表达量最高, 未成熟叶片和初衰叶中次之, 茎和根中几乎不表达; SCMV侵染对ScPsbS基因表达影响显著, ScPsbS基因在侵染早期显著上调, 侵染后期没有明显的差异。

水稻穗下倒一节间的伸长和发育对株型的形成起着重要作用, 在水稻不育系中常见的包穗现象是由于穗下倒一节间的伸长和发育受阻造成的, 深入研究水稻包穗分子机制能为水稻不育系株型的改良提供一定的理论意义。我们在粳稻Kitaake的组织培养后代中获得了1个包穗突变体sui2, 其穗部被剑叶叶鞘包裹程度处于半包裹和全包裹之间, 倒一节间严重缩短细胞学形态分析表明, 倒一节间的缩短是由于节间薄壁细胞的伸长生长不足造成的。通过对sui2与IRAT129杂交后代分析表明, sui2为单基因显性突变。对该组合F₂的608个正常单株遗传定位分析结果表明, 候选基因SUI2被精细定位在4号染色体长臂端, 由InDel标记S4-14.1和S4-14.2界定的110 kb的区域内。该区间内的编码基因在基因组序列水平上无差异, 而基因LOC_Os04g39430表达量在突变体中升高了264倍, 该基因编码1个参与油菜素内酯(brassinolide, BR)合成的细胞色素P450蛋白, 是D11的等位基因。qRT-PCR分析结果表明, 突变体中BR信号途径的基因表达量增高, 预示着BR信号途径的基因可能参与了穗下倒一节间的伸长和发育的调控。

小麦遗传转化是开展小麦基因克隆、基因编辑及基因工程等研究的重要基础。获得易于转化及遗传背景纯合的受体材料是高效开展小麦遗传转化的关键。近年来, 小麦品系CB037作为受体材料被广泛利用, 并获得了较高的转化效率, 在小麦研究中发挥了重要作用。虽然野生型CB037农艺性状整齐一致, 但遗传背景并不纯合, 对小麦条锈菌(Puccinia striiformis f. sp. tritici)表现高感和高抗两种不同反应。本研究分离了抗病株系CB037-PstR及感病株系CB037-PstS, 并创建了F₂分离群体。遗传分析表明, CB037-PstR携带单个显性抗病基因。利用BSR-Seq测序分析及分子标记检测, 将抗病位点定位于1B染色体短臂。进一步荧光原位杂交表明, CB037-PstR为1BL/1RS易位系, 可能携带抗条锈病基因Yr9。本研究明确了CB037的遗传背景及其抗条锈性, 并分离了抗病及感病株系, 为有效利用CB037作为受体材料开展小麦转基因研究奠定基础。

为探讨不同施钾量条件下甘薯块根形成的内源激素变化及其与块根数量的关系, 本试验以结薯数差异显著的鲜食型甘薯品种‘烟薯25’和‘北京553’为试验材料, 以氧化钾(K₂O)为供试肥料, 设置0 (K0)、120 (K1)、240 (K2)和360 kg hm^-2 (K3) 4个钾肥梯度, 研究不同施钾量对甘薯块根形成期粗根中的内源激素含量及相关代谢酶活性、收获期块根数量、块根整齐度等的影响。结果表明, 与不施钾肥处理(K0)相比, 施用钾肥降低了块根形成期粗根中吲哚乙酸氧化酶(indoleacetic acid oxidase, IAAO)、过氧化物酶(peroxidase, POD)的活性, 提高了生长素(indole-3-acetic acid, IAA)含量; 同时, 增加了玉米素核苷(zeatin riboside, ZR)含量, 降低了赤霉素(gibberellins, GA₃)含量。施钾通过调控甘薯粗根中的内源激素水平, 提升了初生形成层的活动能力, 促进了不定根向块根的分化。与CK相比, 增施钾肥显著提高了收获期烟薯25和北京553的单株结薯数与单薯重, 提高了块根产量; 烟薯25和北京553的单株结薯数增幅分别为3.16%~25.40%和3.85%~33.11%, 产量增幅分别为4.22%~17.31%和3.94%~18.45%。2个品种各施钾处理相比, 均为K2处理的单株结薯数最多, 单薯重和块根产量最高, 块根整齐度最好。

在人工控水条件下, 以抗旱品种济薯21和不抗旱品种济紫薯1号为试验材料,每个品种设全生育期正常灌水(WW, 对照)、发根分枝期干旱胁迫(DS1)、蔓薯并长期干旱胁迫(DS2)、快速膨大期干旱胁迫(DS3) 4个水分处理,研究不同时期干旱胁迫对甘薯生长和渗透调节能力的影响。结果表明,干旱胁迫导致甘薯鲜薯产量显著下降,不同时期干旱胁迫比较,以发根分枝期干旱胁迫(DS1)下降幅度最大,品种间比较,以不抗旱品种下降幅度最大。从3年平均数据来看, DS1处理, 济薯21和济紫薯1号的鲜薯产量分别比对照降低28.59%和38.77%; DS2处理分别比对照降低25.20%和33.50%; DS3处理分别比对照降低14.55%和19.56%。干旱胁迫导致甘薯生物量显著下降,栽后100d,DS1、DS2、DS3的地上部生物量与对照相比,济薯21分别降低32.68%、20.79%、11.72%,济紫薯1号分别降低46.45%、31.89%、18.43%;地下部生物量与对照相比,济薯21分别降低37.69%、25.86%、10.67%,济紫薯1号分别降低54.34%、33.48%、14.20%。干旱胁迫条件下,甘薯功能叶相对含水量下降,功能叶、纤维根和块根中的可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸总量和脯氨酸等渗透调节物质含量均上升, 干旱胁迫时间越早,下降或升高的幅度越大。前期干旱胁迫对渗透调节能力的影响无法在复水后得到有效恢复,而后期干旱胁迫对渗透调节能力的影响可在复水后恢复到对照水平。

作物表型调查是作物品种选育过程中的一项关键工作。传统表型调查主要依靠人力,使得表型调查的结果难以达到自动化、高精度、高可靠性的要求。在大豆的表型调查中,对豆荚类别的正确识别是豆荚个数、长度和宽度等表型准确提取的关键和前提。本文针对成熟期大豆豆荚的图片, 通过利用深度学习迁移5种不同的网络模型[AlexNet、VggNet (Vgg16, Vgg19)、GoogleNet、ResNet-50], 对一粒荚、二粒荚、三粒荚、四粒荚进行识别。为提高训练速度和准确率, 本试验微调模型, 选择不同的优化器(SGD、Adam)对网络模型进行优化。结果表明, 在针对豆荚辨识问题中, Adam的性能优于SGD, 而Vgg16网络模型搭配Adam优化器, 豆荚类别的测试准确率达到了98.41%, 在所选的网络模型中体现了最佳的性能。在十折交叉验证试验中也体现了Vgg16网络模型具有良好的稳定性。因此本研究认为Vgg16网络模型可以应用到实际的豆荚识别中, 为进一步实现豆荚表型自动提取提供一条重要的解决途径。

明确长江中下游地区不同产量水平稻茬小麦氮素需求特征, 可为小麦施肥管理提供理论依据。本研究通过在江苏开展的多年多点不同品种、氮肥水平以及播期播量的小麦试验, 构建不同产量水平的实测数据集, 分析不同产量水平下单位籽粒需氮量、干物质积累量、植株氮积累量、氮浓度(植株氮浓度、秸秆氮浓度、籽粒氮浓度)、收获指数、氮收获指数和氮营养指数的变化规律。结果表明, 不同产量水平下单位籽粒需氮量无显著差异, 中低产的单位籽粒需氮量最高, 其值为27.8 kg t^-1; 低产水平最低, 其值为24.8 kg t^-1。随着产量水平的提高, 成熟期干物质积累量、植株氮积累量、植株氮浓度均呈上升趋势, 不同产量水平间差异显著。小麦产量与植株氮积累量呈显著正相关, 播种期—拔节期、拔节期—开花期和开花期—成熟期的干物质积累量和氮积累量均随着产量的提高而提高, 但不同生育阶段的植株干物质积累和氮积累占比呈现不同变化趋势。秸秆和籽粒氮浓度均随产量水平的提高而提高, 高产水平下的秸秆氮浓度与中产无显著差异, 但显著高于中低产和低产水平; 而对于籽粒氮浓度, 除中产和中低产水平外均存在显著差异。收获指数随产量水平的提高而逐渐提高, 其变化范围为0.39~0.49, 其中低产和中低产显著低于中产和高产; 而不同产量水平间氮收获指数无显著差异, 其变化范围为0.60~0.96。氮营养指数随着产量水平的提高逐渐提高, 且在不同产量水平间差异显著, 高产水平的氮营养指数较高, 部分值大于1, 表明有的试验氮肥供应过量。随着产量水平的提高, 单位籽粒需氮量呈现先增加后下降趋势, 而干物质积累量、植株氮积累量、植株氮浓度、秸秆氮浓度和籽粒氮浓度均逐渐提高, 其中秸秆氮浓度增幅高于籽粒氮浓度, 田间施肥应注意避免小麦对氮素的奢侈吸收。收获指数和氮收获指数的变化范围与前人研究一致, 生长后期较高的干物质积累量和植株氮积累量是小麦获得高产的主要原因, 利用氮营养指数可以对小麦田间氮肥管理起到较好的指导作用。

为明确红壤旱地油菜适宜的种肥播施方式, 本研究通过2017—2018年和2018—2019年2年的田间试验, 系统分析传统种肥土表撒播(T1)、种子条播而肥料土表撒施(T2)、种肥等行异位同步播施(T3)和种肥宽窄行异位同步播施(T4) 4种不同种肥播施方式对油菜产量、密度动态、干物质变化、养分吸收和肥料利用率的影响。结果表明, 种肥播施方式对红壤旱地油菜产量形成和肥料利用率均产生了显著影响, 且在低肥力条件下影响更为显著。相比T1和T2, T3、T4显著促进了油菜高产的形成和肥料利用率的提高, 但T3与T4二者之间差异不显著。种肥异位同步播施明显提高了各时期油菜干物质量, 尤其是显著增加了初花期至成熟期的干物质积累量, 促进了花后根部与地上部干物质同步增长; 同时促进了对N、P、K的吸收, 保证较高的植株密度并协同产生充足的角果数, 最终提高油菜产量和肥料利用率。因此, 种肥异位同步播施可显著提高红壤旱地油菜生产力, 建议结合机械化种植因地制宜地推广应用。

干腐病是马铃薯窖储过程中镰刀菌侵染引发的真菌病害, 严重影响了马铃薯的商品价值。呕吐毒素(vomitoxin, DON)又称脱氧雪腐镰刀菌烯醇, 是马铃薯干腐病致病镰刀菌在侵染薯块过程中产生的次生代谢产物。生物防治是病害防治的有效方法, 其中采用生物因子作为激发子诱导植物系统抗性的方法成为热门。本研究采用低浓度DON作为激发子对马铃薯块茎进行处理, 确定其在马铃薯抗干腐病中的作用及诱导马铃薯系统获得抗性(systemic acquired resistance, SAR)作用机制, 为马铃薯干腐病的生物防治提供理论依据。DON处理对马铃薯干腐病的扩展具有一定的影响, 且存在浓度效应, 其中5 ng mL^-1DON处理马铃薯4 h能有效降低接种接骨木镰刀菌马铃薯块茎的干腐病病斑直径扩展; 低浓度DON处理提高了块茎组织的SOD、POD、几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶活性, 减少细胞膜过氧化产物MDA的积累; 薯块内的苯丙烷代谢关键酶PAL和4CL的活性升高, 促进了代谢产物总酚、类黄酮、木质素和花青素的积累。同时DON作为激发子可诱导马铃薯块茎中内源信号分子SA、JA和ET的含量增加, 植物系统抗性的调控基因NPR1的表达量上调。

本研究通过对甘草种子和幼苗进行水杨酸处理, 探讨在盐胁迫下水杨酸对其形态和生理生化指标的影响, 及其与耐盐性的关系。结果表明, 0.5 mmol L^-1水杨酸处理甘草种子, 可以明显促进盐胁迫下(200 mmol L^-1NaCl)甘草种子胚根伸长, 增加幼苗鲜重, 降低胚根中丙二醛(MDA)和脯氨酸含量, 提高过氧化物酶(POD)活性。在盐胁迫(100 mmol L^-1和200 mmol L^-1NaCl)条件下, 0.5 mmol L^-1水杨酸喷施甘草幼苗, 可以降低幼苗中丙二醛(MDA)和脯氨酸含量, 不同程度的提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性。同时, 水杨酸处理甘草种子和幼苗, 可以显著增加盐胁迫下根中甘草酸含量。综上所述, 外施水杨酸可以缓解盐胁迫对甘草种子萌发的抑制作用, 提高抗氧化酶活性和降低膜脂过氧化程度, 提高了甘草种子和幼苗对盐胁迫的耐性。