渍害胁迫是农业生产中重要的非生物逆境之一, 主要通过低氧胁迫、离子毒害等抑制植物生长。油菜对渍害胁迫非常敏感, 任何生育期遭遇渍害胁迫均可导致其生长发育受阻, 进而影响产量和品质。油菜主要通过过量ROS清除、转变能量代谢方式、内源激素调控等响应和适应渍害胁迫。为加快油菜耐渍性遗传改良的步伐, 本文综述了油菜耐渍性改良需求变化、渍害胁迫对油菜生长发育及产量品质的影响、油菜响应渍害胁迫的生理和分子机制, 油菜耐渍抗性改良的主要技术途径, 以期为深入研究油菜耐渍机制和培育耐渍油菜新品种提供理论指导。

HT1 (HIGH LEAF TEMPERATURE 1)属于蛋白激酶, 在模式植物拟南芥中主要参与气孔运动, 但其在甘薯(Ipomoea batatas (L.) Lam.)中的作用未见相关报道。本研究从甘薯品系徐薯55-2中克隆得到IbHT1基因, 其CDS全长1140 bp, 编码379个氨基酸。IbHT1蛋白具有一个保守的STKc_MAP3K_Like蛋白激酶结构域, 预测分子量大小43.07 kD, 等电点8.83。其基因组全长2796 bp, 含有3个外显子和2个内含子。IbHT1蛋白定位于细胞膜上, 其蛋白全长无转录激活活性。IbHT1基因受20% PEG-6000诱导下调表达。过表达IbHT1基因减弱了甘薯植株的抗旱性, 而RNA干扰该基因显著增强了甘薯植株的抗旱性。通过酵母筛库筛选到与IbHT1蛋白互作的10个蛋白, 由此推测, IbHT1蛋白激酶可能通过与这些蛋白相互作用从而共同参与甘薯抗旱性的调控。

小麦穗粒数是典型的数量性状, 与小麦产量密切相关。为进一步挖掘小麦穗粒数的数量性状位点(quantitative trait loci, QTL), 本研究以扬麦4号/偃展1号衍生的151个重组自交系(recombinant inbred line, RIL) (F₁₀)为材料, 利用小麦55K单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism, SNP)基因芯片构建高密度遗传图谱, 结合3年4个环境的表型数据对穗粒数性状进行QTL定位分析。在染色体4A、5A和5B上共检测到3个与穗粒数相关的QTL。其中, QGns.yaas-4A和QGns.yaas-5B在2个环境中均能被检测到, 增加穗粒数的效应都来源于扬麦4号, 表型贡献率分别为11.50%~13.27%和5.59%~10.99%, 物理区间分别为703.41~710.25 Mb和77.62~365.60 Mb; QGns.yaas-5A在4个环境中被检测到, 增加穗粒数的效应来源于偃展1号, 表型贡献率为8.99%~11.13%, 物理区间为495.34~512.39 Mb。分析定位结果发现, QGns.yaas-5A增加穗粒数的等位变异(YZ1等位变异)和QGns.yaas-5B上的增加穗粒数的等位变异(YM4等位变异)可显著增加千粒重, 分别增效3.50% (P < 0.05)和4.45% (P < 0.01)。开发了QGns.yaas-4A、QGns.yaas-5A和QGns.yaas-5B的KASP (Kompetitive Allele-Specific PCR)标记, 在自然群体中验证表明, 聚合3个增加穗粒数等位变异的位点具有显著的加性效应, 可增加13.75%的穗粒数。该研究结果为小麦穗粒数分子标记辅助育种提供理论和技术支撑。

白叶枯病是水稻生产中最严重的细菌性病害。优良抗病基因的挖掘和育种利用是防治该病害最经济有效的方法。疣粒野生稻(Oryza meyeriana)具有对白叶枯病高抗甚至免疫的特性, 是白叶枯病抗性基因资源的天然宝库。课题组在疣粒野生稻转录组和基因组测序的基础上, 从疣粒野生稻中克隆了水稻白叶枯抗性基因OsXa13的同源基因OgXa13的cDNA和含UTR区域的8908 bp基因组序列。序列分析结果显示, OgXa13基因由5个外显子和4个内含子组成, 与水稻中感病基因OsXa13的基因组结构和核心启动子序列均一致。OgXa13与水稻OsXa13的蛋白序列有21个氨基酸的差异, 其中4个氨基酸的替换差异位于MtN3.1结构域。过表达OgXa13的感病水稻TP309植株白叶枯病的抗性显著增强, 推测氨基酸序列差异导致了OgXa13与OsXa13蛋白功能的不同, OgXa13可作为一个显性白叶枯病抗性基因在育种中利用。利用CRISPR/Cas9敲除日本晴中感病基因OsXa13的T₁代纯合株系对白叶枯病的抗性也明显增强, 表明通过CRISPR/Cas9编辑感病基因OsXa13是改良水稻对白叶枯病抗性的有效途径。该研究为水稻白叶枯病抗性育种提供了有价值的新基因资源和新信息。

分蘖是影响水稻株型和产量的重要性状。本研究获得一个稳定遗传的矮化多分蘖自然突变体dt1 (dwarf and tillering 1)。此外, dt1突变体穗长、结实率、粒长、粒宽、千粒重、维管束鞘细胞数量及大小较野生型均显著降低。图位克隆证实dt1突变体是由编码独脚金内酯生物合成途径关键酶类胡萝卜素裂解双加氧酶(Carotenoid Cleavage Dioxygenase 7, CCD7)的D17/HTD1 (LOC_Os04g46470)第2个外显子上8 bp的插入导致的, 是一个D17/HTD1的新等位突变。此外, dt1突变体萌发率、根长、根直径均显著降低, 外施独脚金内酯类似物GR24能恢复dt1突变体的这些表型。转录组测序结果显示, dt1突变体有579个基因上调, 506个基因下调。GO分析显示上调基因显著富集在生长素响应、内源刺激响应和激素响应等通路, 下调基因显著富集在胞内碳水化合物代谢和组蛋白甲基化等通路。KEGG分析显示上调基因在植物激素信号转导等通路显著富集, 下调基因在氨基糖和核苷酸糖代谢及二萜生物合成等通路上显著富集。研究结果丰富和拓展了CCD7和独脚金内酯在水稻中的调控作用, 对水稻育种具有重要理论意义。

油菜具有较强的耐盐碱能力, 本研究从天津盐碱土中分离得到一株嗜线虫沙雷氏菌Serratia nematodiphila TG10, 它不仅能够在8% NaCl和pH 10.15的R2A培养基上生长, 还能定殖在油菜根系和根内。在盐胁迫条件下, TG10菌株处理后可以促进拟南芥和油菜生长。含盐1.2%基质土和哈尔滨盐碱土盆栽试验中, TG10处理后可以促进油菜鲜重和干重的增加, Na⁺含量显著下降, K⁺与Na⁺的含量比值增加; 同样在天津盐碱土和吉林盐碱土盆栽试验中, TG10处理后均可显著增加油菜鲜重、叶绿素和脯氨酸的含量。吉林盐碱土盆栽油菜的转录组数据表明, TG10菌株处理后细胞色素P450代谢通路、硫代葡萄糖硫苷生物通路等显著富集, 一些抗逆相关的基因显著上调表达。另外, TG10菌株能抑制油菜病原菌的生长, 诱导油菜抗菌核病和灰霉病。本研究结果表明, 嗜线虫沙雷氏菌S. nematodiphila TG10能增强油菜在不同类型盐碱土中的耐盐能力, 为盐碱地的生物修复提供微生物菌种资源和理论支撑。

棉花纤维长度是重要的纤维品质性状指标, 其遗传基础的解析对优质棉品种培育具有重要意义。为了获得具有育种价值的棉花纤维品质相关位点, 本研究采用棉花40K SNP (single-nucleotide polymorphism)芯片, 在陆地棉重组自交系(recombinant inbred line, RIL)群体和自然群体中定位纤维长度相关的QTL (quantitative trait locus)和SNP位点。从Q30-12×05SJ重组自交系群体中定位到4个纤维长度QTL, 分别位于A05、D11和D13染色体上, 从自然群体中鉴定到24个与纤维长度显著相关的SNP位点, 分别位于A01、A03、D05、D11和D12染色体上。综合连锁分析和关联分析的定位结果发现, D11染色体23.99~24.01 Mb区段存在与纤维长度密切关联的重叠区间, 对该定位区间的单倍型进行分析, 发现携带Hap1单倍型的种质纤维长度极显著或显著地长于Hap2单倍型种质, 黄河流域育成的品种中有95.3%携带Hap1单倍型, 西北内陆棉区育成品种中有45.5%携带Hap1单倍型, 其中具有Hap1优异单倍型的西北内陆品种超过一半以上具有黄河流域棉区品种血缘。通过生物信息学分析发现, D11染色体上28.4 kb重叠区域的3个候选基因CML1、DTX51、PCMPE88可能在棉花纤维伸长过程中发挥重要作用。综上所述, 本研究鉴定的Hap1单倍型是一个在棉花纤维品质育种中具有重要应用价值的优异单倍型, 可为解析D11染色体上纤维长度遗传机制和候选基因提供可靠依据。

花生是我国重要的油料作物和经济作物, 早熟是花生重要的育种目标, 早熟种质资源是早熟育种的基础。然而, 受花生无限开花和地下结果的影响, 花生成熟度鉴定难度大, 花生种质早熟性鉴定技术缺乏。本研究优化和完善了花生荚果成熟度鉴定方法, 通过荚果成熟度指数、成熟荚果比例、荚果平均灰度值等指标精准评鉴了390份花生核心种质资源的荚果成熟度, 发现3个指标鉴定出的成熟度结果一致性较高, 均可有效区分花生不同种质的荚果成熟度。相关性结果表明, 花生荚果成熟度在不同季节间的相关系数为0.48~0.54, 表明光温环境对花生种质成熟度的影响较大; 荚果成熟度与花期之间的相关系数为-0.32~ -0.59, 表明花期是影响花生早熟性的重要因素; 荚果成熟度与单株出仁率之间相关系数为0.29~0.48, 表明荚果成熟度的高低对产量有较大影响。综合3个成熟度指标, 发掘出早熟种质28份, 其中包括4份在不同光温环境下均表现为早熟的种质: ICGV95057、ICG4601、82-56②和桂花26。研究为开展花生早熟遗传改良及相关研究提供了宝贵的资源。