小麦籽粒过氧化物酶(peroxidase, POD)活性对加工品质和面制品色泽具有重要影响, 是品质改良的重要目标。本研究以151份国内外小麦品种(系)为材料, 利用分子标记系统检测Pod-A1、Pod-D1和Pod-2D位点的等位变异, 结合多年多点POD活性测定, 解析不同等位变异及其组合对籽粒POD活性的遗传效应。结果显示, 供试材料籽粒POD活性变异丰富, 平均值为674.39 U g^-1 min^-1, 变幅为431.30~954.81 U g^-1 min^-1, 变异系数为15.52%; 环境、基因型及其互作均对POD活性产生极显著影响(P < 0.01)。3个位点均显著影响籽粒POD活性, 优异等位变异分别为Pod-A1b、Pod-D1b和Pod-2D-GG。供试材料存在12种等位变异组合, 依据籽粒POD活性将其分为高、中、低POD活性基因组合类型, 三类间POD活性差异均达到显著水平(P < 0.05), 而每类内差异不显著。3个位点对籽粒POD活性的遗传效应依次为Pod-2D > Pod-A1 > Pod-D1。籽粒POD活性随着优异等位基因数目的增加而显著升高(R² = 0.9681, P < 0.05), 聚合2~3个优异基因的小麦品种(系)籽粒POD活性显著高于聚合0~1个优异基因的材料(P < 0.05)。不同地区小麦品种(系)的籽粒POD活性、等位变异及其组合分布频率差异较大。筛选获得良星66、兰考24和济麦22等9份聚合3个优异等位基因且POD活性大于800 U g^-1 min^-1的优异种质。本研究为小麦籽粒POD活性分子标记辅助育种提供了理论依据和材料基础。

铜是人体必需的微量矿物质, 缺乏铜会威胁人体健康。小麦为全球重要的口粮作物, 借助生物强化提高小麦籽粒铜含量, 是解决人体铜元素缺乏的最经济有效的措施。然而, 目前小麦籽粒铜含量的遗传调控机制尚不清晰。本研究对349份小麦品系的籽粒铜含量进行测定, 结合小麦660K高密度SNP芯片进行全基因组关联分析(GWAS)。结果显示, 共检测到775个显著性SNPs, 主要分布在1B、4A和7A染色体上, 其中56个SNPs可以在4个及以上重复中被检测到; 单倍型分析表明, GCuC_Hap_1B和GCuC_Hap_4A可能是调控籽粒铜含量的重要基因位点, 且二者具有明显的聚合效应; 借助生物信息学分析和单倍型分析, 推测TraesCS1B03G1265400和TraesCS4A03G0093900基因可能是调控小麦籽粒铜含量的候选基因。本研究解析了小麦籽粒铜含量的遗传机制, 并为小麦品质改良育种中培育高籽粒铜含量种质资源提供重要的参考信息。

四跨膜蛋白(tetraspanin, TET)是一类保守的跨膜蛋白, 在细胞生物中普遍存在并具有重要功能。TET可以通过形成TET富集微域(tetraspanin enriched microdomain, TEM)的方式来执行功能。本课题组前期以甘蔗花叶病毒(sugarcane mosaic virus, SCMV)的6K2蛋白为诱饵, 从甘蔗栽培种(Saccharum spp. hybrid) cDNA酵母文库中分离并鉴定了1个与其互作的类TET蛋白(ScTSPAN18), 并鉴定了甘蔗品种新台糖22的TET家族基因。本研究通过双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)和荧光素酶互补(luciferase complementation assay, LCA)试验进一步验证SCMV-6K2与ScTSPAN18的互作关系。生物信息学分析表明, ScTSPAN18长度为251 aa, 有4个跨膜结构域, 但在结构上与典型的TET存在差异, 且酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)试验表明, ScTSPAN18蛋白不能自互作, 也不与典型的TET蛋白互作。系统进化树分析表明, 类TET蛋白在单子叶和双子叶植物之间, 以及单子叶C₃植物和C₄植物之间存在明显分化。亚细胞定位试验表明, ScTSPAN18定位于内质网中。实时荧光定量PCR分析发现, ScTSPAN18基因的表达具有明显的组织特异性, 在叶片和根中相对表达量较高; 在完成形态建成且处于旺盛工作状态的正1叶的相对表达量显著高于第3节间和第8节间; 接种SCMV后, ScTSPAN18表达量在侵染早期显著上调, 随后持续高表达, 在第14天下调至初始水平。

根据9个马铃薯品种弱光处理下生长指标及荧光参数指标的测定比较, 经主成分分析(principle component analysis, PCA)筛选出马铃薯品种“大西洋”为耐弱光品种。为研究马铃薯耐弱光品种“大西洋”在弱光逆境下响应的相关基因, 对10 μmol m^-2 s^-1光强下处理48 h的“大西洋”进行转录组学分析, 通过GO富集、KEGG通路分析及转录因子预测, 筛选出马铃薯光响应相关转录因子编码基因StPIF3, 并进行全长克隆。使用农杆菌介导法对烟草进行遗传转化, 自交获得T₁代转基因烟草株系。采用生物信息学、RT-qPCR、荧光参数测定对其功能及性质进行分析验证。生物信息学分析表明, StPIF3蛋白由716个氨基酸组成, 分子质量、等电点分别为76.77 kD、7.26, 为亲水性不稳定蛋白。StPIF3蛋白具有典型HLH结构域, 属于bHLH家族成员, 进化树显示StPIF3与烟草的亲缘关系最近。在50 μmol m^-2 s^-1光强下, 转基因烟草的F_v/F_m、q_P、ETR、ETRmax、SPAD均显著高于野生型烟草, F₀低于野生型烟草。综上所述, StPIF3过量表达会显著提高电子传递效率和光能利用效率, 进而提高植物光合性能与弱光耐性。

花生油的品质主要由其脂肪酸组分决定, 因此改良花生的脂肪酸组分已成为花生育种的关键目标之一。本研究以冀花甜1号和PI478819为亲本构建的RIL群体为材料, 采用BSA-seq与传统定位相结合的方法, 对2个环境中花生籽仁的总超长链脂肪酸(TVLCFAs)和7种脂肪酸组分进行QTL定位, 基于检测到的主效QTL, 开发了相应的KASP标记, 并在RIL群体中进行验证及评价。共定位到7个与TVLCFAs和7种脂肪酸组分相关的QTL, 其中3个QTLs (qA06.1、qA08.1和qA16.1)与TVLCFAs和山嵛酸含量共定位且在2个环境中被重复检测到, 表型变异解释率为7.10%~32.85%。此外, 在2个环境中均检测到与油酸、亚油酸和棕榈酸含量相关的qA08.1, 表型变异解释率为13.73%~29.33%。针对3个主效QTLs开发的分子标记Tif2.A06.115805462、Tif2.A08.45741511和Tif2.A16.148167815能有效鉴别TVLCFAs、花生酸和山嵛酸含量存在差异的材料, 且Tif2.A08.45741511还与油酸、亚油酸和棕榈酸含量密切相关。本研究为低TVLCFAs和高油酸分子育种提供了宝贵的遗传资源, 并有助于加快低TVLCFAs和高油酸等优质专用型花生的分子标记辅助选择育种。

豆科植物结瘤固氮是一个高度耗能的生物学过程。对豆科植物而言, 光信号不仅调控光合作用、形态建成和生长发育等过程, 还对其与根瘤菌互作中的结瘤和固氮过程起关键调控作用。LUX是夜间复合体的核心组分, 该蛋白能够在恒定光照和黑暗条件下保障多种信号的有序输出。与大豆等豆科植物不同, 花生主要通过裂缝入侵完成侵染, 关于AhLUX1在花生结瘤中的调控作用目前尚不清楚。本研究表明, AhLUX1能显著响应根瘤菌的侵染, 并主要在根尖、侧根原基、发育中的根瘤和成熟根瘤中表达。亚细胞定位结果表明, AhLUX1定位于细胞核中。功能研究表明, AhLUX1过表达(OE-AhLUX1)显著增加根瘤数, 沉默(RNAi-AhLUX1)或敲除(CR-AhLUX1)则显著抑制花生的根瘤数, 证明该基因是花生结瘤的正调控因子。为了初步解析AhLUX1调控花生结瘤的机理, 本研究进一步对AhLUX1过表达和沉默株系根中的结瘤标记基因进行检测。结果表明, AhLUX1可能通过调控结瘤关键基因的表达影响花生结瘤。本研究通过解析AhLUX1对花生结瘤的影响, 将光信号调控因子与地下结瘤固氮这2个生物学过程联系起来, 为通过调控光信号通路培育高效结瘤固氮的花生新品种提供了关键的基因资源。

白粉病是威胁世界小麦生产的主要病害之一, 精准鉴定品种资源的白粉病抗性, 并分析其抗病遗传基础对小麦抗病品种的选育和推广意义重大。本研究对326份山西小麦品种进行苗期和成株期白粉病抗性鉴定, 利用Pm2b、Pm4、Pm8和Pm21等11个生产上常用或抗性较好的抗病基因的分子标记进行检测, 并通过16K SNP芯片进行全基因组关联分析挖掘新的抗白粉病遗传位点。结果表明, 山西小麦白粉病抗性水平整体不高, 金丰3号、圣麦104和临麦5311等10个品种苗期对白粉病菌株E09表现出较好的抗性; 运黑28、尧麦30和运黑14207等29个品种表现出成株期抗性; 仅圣麦104、JT176、临麦5311和金丰3号4个品种在苗期和成株期均表现出较好的抗性。进一步对苗期免疫品种进行多菌株的抗谱分析, 发现金丰3号、圣麦104和JT176对大部分菌株表现出较好的抗性, 是抗白粉病育种的优异种质资源。标记分析表明, 山西小麦抗白粉病遗传基础狭窄, 携带抗病基因单一, 11个抗病基因中有Pm2b、Pm5e和Pm6等7个常用基因被检测到, 而Pm1a、Pm24、Pm60和Pm69基因未被检测到; 108个品种含有单个已知抗病基因, 其中, Pm8分布频率最高, 占14.11%; 对于多个抗病基因的聚合, 聚合频率较高的是Pm5e+Pm8和Pm6+Pm8组合, 仅1个品种聚合了4个不同的抗病基因。利用全基因组关联分析, 在1A、2A和2D等8条染色体上检测到15个稳定的遗传位点, 结合单元型与表型的关系进行分析, 发现在1A、2D、4B和6A染色体位点的单元型与表型显著关联, 2D、4B、7B和7D染色体上可能携带新的白粉病抗性位点。

侧生器官边界域(lateral organ boundaries domain, LBD)家族基因在植物多种生物学过程中发挥重要作用。前人研究表明, I类LBD基因参与调控植物开花时间, 然而陆地棉I类LBD基因是否具有类似功能尚不清楚。本研究在全基因组水平鉴定并分析陆地棉I类LBD家族成员; 通过单倍型分析筛选调控开花相关候选基因; 利用RNA-seq及RT-qPCR确定候选基因在不同组织和早晚花品种中的表达模式; 通过病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silencing, VIGS)验证目标基因的功能, 并对其进行育种演化分析及分子标记开发。结果显示, 在陆地棉中鉴定出102个I类GhLBDs基因, 这些基因不均匀分布在26条染色体上, 按照进化关系分为6个组别, 同一组别内的LBD成员具有相似的基序组成与排列模式。通过GhLBDs的单倍型与表达分析, 筛选出开花期相关候选基因GhLBD6。通过VIGS技术结合石蜡切片、荧光定量等, 发现抑制GhLBD6表达会导致植株花芽分化提前, 现蕾期和开花期分别显著提前6.57 d和6.86 d。另外, GhLBD6编码区存在2种单倍型: GhLBD6-Hap 1和GhLBD6-Hap 2。其中, GhLBD6-Hap 1为早花的优异等位变异, 在陆地棉育种过程中受到人工选择。最后开发了可用于区分GhLBD6两种单倍型的竞争性等位基因特异性PCR (kompetitive allele-specific PCR, KASP)分子标记。本研究结合正反向遗传学试验结果, 证明了GhLBD6参与陆地棉开花期调控, 为棉花早熟分子育种奠定了基础。

PUB蛋白(plant U-box protein)是一类E3泛素连接酶, 在植物自交不亲和、激素反应、防御和非生物胁迫反应等过程中发挥作用。本研究通过对甘蓝自花授粉(self-pollination, SP) 0~60 min的花柱转录组数据进行分析, 筛选到1个受SP诱导上调表达的PUB蛋白家族基因BoPUB3L。该基因的开放阅读框为2214 bp, 编码737个氨基酸, 理论等电点为6.04, 其相对分子质量为81.27 kD, 不含信号肽和跨膜域, 含有1个U-box结构域和5个ARM臂重复结构域, 定位于细胞核中。BoPUB3L启动子中含有光响应、脱落酸应答、生长素应答、赤霉素应答、与分生组织表达相关等多种顺式作用元件。BoPUB3L基因在甘蓝的不同组织中均有表达, 在花柱中的表达量最高, 在萼片、花瓣、花蕾中的表达量次之, 同GUS染色结果一致。该基因在自花授粉0~30 min持续上调表达, 在自花授粉15 min时差异达到最大, 是异花授粉时的15.65倍。酵母双杂交、pull down和BiFC试验结果表明, BoPUB3L蛋白与SRK胞内激酶域有相互作用。以上研究结果推测, BoPUB3L可能是一种参与甘蓝自交不亲和反应过程的新基因, 这对进一步了解甘蓝自交不亲和机制提供了新的研究视角。

α/β-水解酶蛋白6 (α/β-hydrolasedomain-containing 6, ABHD6)作为丝氨酸水解酶超家族的重要成员, 在调控植物生长发育及环境胁迫响应中发挥重要作用。然而, 目前仍缺乏对小麦(Triticum aestivum L.) ABHD6基因家族的系统性鉴定与分析。本研究综合利用系统进化、蛋白质序列分析、启动子顺式作用元件预测以及单倍型分析等方法, 在小麦基因组中共鉴定出18个TaABHD6家族成员。系统进化与结构分析表明, 小麦TaABHD6蛋白与水稻OsABHD6蛋白亲缘关系较近, 同一进化分支内的成员具有高度相似的保守结构域。启动子分析显示, TaABHD6基因家族启动子区富含多种参与植物生长发育调控的顺式作用元件。通过分析TaABHD6基因家族成员的基因组多态性及其与籽粒表型的关联, 鉴定出8个基因存在不同的单倍型。其中, 3个基因的不同单倍型与籽粒相关性状之间存在显著关联。TaABHD6-5基因的不同单倍型与粒重、粒长、粒宽和粒厚均显著关联。针对TaABHD6-5启动子区域-1045 bp处SNP (A/T)开发KASP分子标记, 在305份小麦种质中进行验证, 发现该功能标记可有效区分2种单倍型, 其中, TaABHD6-5-HapI单倍型品种268份, TaABHD6-5-HapII单倍型品种34份, 杂合子2份, 分型失败1份。籽粒表型数据关联分析表明, TaABHD6-5-HapI是增加粒重的优异单倍型。表达模式分析结果表明, TaABHD6-5在孕穗期的茎、穗以及籽粒发育初期表达较高, 且优异单倍型TaABHD6-5-HapI的表达量显著低于TaABHD6-5-HapII, 表明TaABHD6-5可能为粒重负调控因子。基因序列分析表明, TaABHD6-5受miR160靶向调控。本研究结果为阐明TaABHD6基因调控小麦籽粒发育的生物学功能及其优异单倍型的应用价值提供重要理论支撑。

为全面解析水稻幼苗根系响应盐胁迫的转录因子调控网络, 本研究以经3个不同浓度NaCl溶液(0、0.25%、0.50%)处理1周的水稻不育系华兴166S幼苗根系为研究对象, 开展了表型数据测定。通过转录组测序技术分析基因表达特征, 共检测到30,378个基因, 其中, 26,315个为显著差异表达基因。对差异基因的生物学代谢通路富集分析发现, 在3个NaCl处理浓度下, 差异基因均显著富集于次生代谢分支通路。基于差异基因谱, 本研究进一步筛选出326个差异表达转录因子, 构建了包含88个转录因子的核心互作网络。功能富集分析表明, 核心网络涉及植物激素信号转导、植物MAPK信号通路、植物昼夜节律等途径。此外, 荧光定量PCR鉴定发现, 盐胁迫后, WRKY转录因子家族中的10个基因在水稻根系中表现特异高表达。本研究基于3个不同浓度NaCl胁迫处理的转录组测序数据, 构建了水稻幼苗根系的基因表达谱与转录因子核心互作网络, 为探究水稻幼苗根系响应盐胁迫的分子调控机制提供了理论参考。

株高是影响大豆产量与抗倒伏能力的核心农艺性状, 对保障大豆高产稳产具有重要意义。对17,148份世界范围内的大豆种质资源进行全基因组关联分析, 共鉴定到139个与株高性状显著关联的区间, 其中候选基因Dt1对株高的贡献最大。在全基因组选择模型中, BayesA和rrBLUP模型优于其他模型, 基于前500~1000个SNP的预测模型在精度与成本效益间达到最优平衡。本研究鉴定的调控株高的关键基因位点, 为大豆株高的基因组选择提供了高效的预测模型, 也为大豆株高性状的分子设计育种提供了重要理论依据。

作物新品种选育的突破高度依赖种质资源的表型差异水平, 但当前谷子种质研究多存在样本代表性有限、单一环境评价表型、侧重数量性状指标等问题, 难以支撑高效的育种材料筛选。为解决上述问题, 本研究选取175份不同来源的谷子种质, 于2023年在河南洛阳、郑州两地系统调查21个表型性状, 结合相关性分析、主成分分析、逐步回归及聚类分析等方法开展综合评价, 旨在明确谷子种质表型变异规律、建立核心评价指标、筛选适配河南生态区的优异种质, 为夏谷育种提供精准材料支撑与理论依据。结果表明, 175份种质具有较高表型差异, 9个质量性状的表型差异指数为0.086~1.218, 12个数量性状的表型差异指数为5.098~5.160; 不同地区间4个数量性状变异系数差异显著, 其中, 株高变异幅度最小、码粒数次之, 千粒重变异幅度最大、穗粗次之。主成分分析显示, 累计贡献率达90%时共提取到14个主成分, 可解释绝大部分的表型变异; 隶属函数法计算的表型综合值(F值)平均为0.538, 其中豫谷2号的F值最高(1.078)、综合表现最优, 龙谷25的F值最低(0.079)。通过逐步回归建立以单穗粒数、单穗码数等11个表型性状为自变量的回归方程(R² = 0.971, P < 0.05), 可作为优异谷子种质鉴定的核心评价指标; 基于F值的聚类分析将175份种质划分为6个类群, 类群II的2份材料农艺性状优良、平均F值最高, 可作为种质创新与杂交育种的优选亲本。综上, 供试谷子种质遗传变异丰富, 可为夏谷种质改良与品种选育提供多样化材料支撑。

为探究蓖麻蜡质缺失突变体的分子调控机制及其相关代谢途径, 筛选与蜡质合成密切相关的关键基因和代谢物。本研究以蜡质缺失突变体SH8和野生型SHA1为试验材料, 进行转录组学和代谢组学分析。转录组分析显示, SH8与SHA1之间有610个差异表达基因, 其中, 303个基因表达上调, 307个基因表达下调。通过对差异表达基因的功能注释与通路富集分析, 筛选出12个与蜡质合成有关的差异表达基因, 涉及脂肪酸降解、脂肪酸延伸、角质、木栓和蜡质生物合成以及不饱和脂肪酸生物合成通路。进一步结合差异基因与差异代谢物之间的相关性分析, 筛选出CER1、KCS10、LACS1、CYP86A8和FAR3-like等与蜡质合成和代谢相关的关键基因。本研究结果为揭示蓖麻表皮蜡质合成的分子调控机制提供了理论依据, 也为后续蜡质合成关键基因的克隆及抗逆性蓖麻新品种的培育奠定了基础。

本研究以无人机高光谱和集成学习结合为切入点, 探索旱地饲用玉米叶片氮含量的最佳光谱估测集成学习模型, 为旱地饲用玉米高效优质生产瓶颈的突破提供参考方法。研究区域位于黄土高原陇中地区, 以饲用玉米为研究对象, 利用无人机搭载V185G一体式云台高光谱成像系统获取数据, 基于原始光谱、一阶导数和连续统去除变换光谱构建任意两波段光谱指数, 结合6种机器学习模型, 构建Voting和Stacking集成学习模型, 建立最优估测模型。结果表明, 变换光谱较原始波段光谱显著提高波段光谱指数与饲用玉米叶片氮含量的相关性。比较6种单一机器学习模型发现, RFR、KNN、XGBoost和GBDT模型在饲用玉米生长阶段表现出较高的精度, 测试集R²为0.7165~0.7713, RMSE为2.4265~2.8296。选用以上4种模型构建Voting和Stacking集成机器学习模型, 模型测试集R²均在0.7459以上, RMSE均在2.6358以下。对以上精度较高的单一机器学习模型进行集成, 发现以一阶导数变换光谱的Voting集成模型精度最高, R²为0.8152, RMSE为2.1253, 表现出更优的预测性能, 提高预测能力和稳定性。Voting-FDS集成模型可以在饲用玉米关键生育期对叶片氮含量进行快速估测, 为田间养分管理和高效优质生产提供理论参考。

东北地区是我国重要的玉米主产区, 长期不合理耕作方式与氮肥大量施用导致黑土地退化, 影响玉米可持续生产。以秸秆还田和少免耕为核心的保护性耕作技术是改善土壤质量和提高作物产量的关键措施之一, 而优化氮肥施用量对提高资源利用效率至关重要。为探索秸秆还田下的合理耕作方式与适宜氮肥施用量, 促进东北地区玉米产量与土壤质量协同提升, 本研究于2022—2024年在黑龙江省哈尔滨市闫家岗农场设置田间定位试验, 采用裂区设计, 主区为耕作方式, 包括翻耕(CT)、旋耕(RT)、条带耕作(ST)和免耕(NT); 副区为氮肥施用量, 为0 (N0)、135 (N1)、180 (N2)和225 kg hm^-2 (N3)。结果表明, 3年平均玉米籽粒产量表现为ST > CT > RT > NT, 4种耕作方式间无显著差异, 其中ST处理在2023年和2024年较NT分别增产14.5%和6.6%; 施氮显著提高产量(P < 0.001), N2和N3处理无显著差异且3年产量较N0高183.1%~217.2%; 耕作方式和氮肥施用量对玉米产量无显著互作效应。0~20 cm土层3年平均土壤容重为NT > ST > RT > CT, 且4种耕作方式间差异显著, 其中NT处理较CT处理高20.2%~31.4%。耕作方式和氮肥施用量对土壤团聚体粒径、平均重量直径和几何平均直径有显著影响(P < 0.05), NT处理0~20 cm土层0.250~2.000 mm粒径的团聚体含量显著增加23.7%~56.7%, 且平均重量直径和几何平均直径均为NT > RT > ST > CT, N2和N3处理0.250~2.000 mm粒径的团聚体含量增加9.2%~29.7%, < 0.053 mm粒径的团聚体含量降低30.3%~51.5%。相关性分析表明, 在秸秆还田下耕作方式、氮肥施用量与玉米产量呈显著正相关(P < 0.01), 且ST处理在施氮200.2 kg hm^-2可达到最高产量。综上所述, 秸秆还田下采用条带耕作结合180~225 kg hm^-2氮肥施用量可兼顾玉米高产与土壤团聚体改良, 可作为东北高寒地区适宜的保护性耕作管理措施。

低温胁迫是制约大豆生产的关键非生物逆境, 为探究外源激素对低温胁迫下大豆叶片叶绿素荧光参数及抗氧化酶系统的影响, 本试验以耐冷性差异较大的蒙豆16 (Mengdou 16)和黑河18 (Heihe 18)为试验材料, 在4℃低温胁迫下分别喷施最适浓度的脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)、褪黑素(MT)、油菜素内酯(BR)和茉莉酸(JA), 探究其对大豆各时期(2、4和6 d)形态形状、光合特性、渗透调节系统和抗氧化酶系统的影响。同时通过隶属函数分析法筛选出高效抗寒激素, 在此基础上采用响应面优化法探究激素最佳配比。结果表明, 大豆在低温胁迫下损伤严重, 蒙豆16的抗寒能力强于黑河18, 生理响应更为稳定。各外源激素处理均能缓解低温对大豆生长的抑制作用, ABA、SA和MT浓度分别为13.93、200.62和30.30 mg L^-1时效果最佳, 喷施外源激素对大豆株高、鲜重和叶面积均呈积极作用, 但2个品种的响应程度存在差异。蒙豆16中叶绿素总量的最大增幅为97.60%, 黑河18为108.28%; 2个品种的初始荧光(F₀)和非光化学猝灭系数(qN)下降, 蒙豆16的光化学猝灭系数(qP)和光合相对电子传递速率(ETR)上升, 黑河18的qP部分下降, F₀最大降幅分别可达34.38%和24.86%, 光合转化效率显著增强。各处理下丙二醛(MDA)含量均显著降低, 蒙豆16的最大降幅为66.50%, 黑河18为62.57%; 脯氨酸含量则有所上升, 最大增幅分别为24.47%和19.97%。此外, 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均显著增加, SOD与CAT活性在第4天达到最大升幅, POD则在第6天达到最大。综上, 施加不同外源激素可以通过调节光化学系统、抗氧化酶系统和渗透调节系统等途径来缓解低温对大豆造成的损伤, 也为大豆的低温种植提供了理论依据和实践经验。

随着高标准农田建设项目的推进, 许多旱地麦田可以实现在生育期进行一次灌溉。为了研究一次灌溉下耕作方式和氮肥用量对旱地小麦产量和品质的影响, 于2020—2022年在河南省洛阳市孟津区小浪底镇、伊川县鸦岭镇和洛宁县小界乡设置了一次灌溉生产条件下的二因素裂区试验。试验以耕作方式为主处理, 分别为旋耕(RT)、深松+旋耕(SS)和翻耕+旋耕(PT); 氮肥用量为副处理, 分别为0 (N0)、120 (N120)、180 (N180)和240 kg hm^-2 (N240), 测定了小麦籽粒产量、蛋白质及其组分含量、锌含量和主要加工品质指标。结果表明, 耕作方式和氮肥用量可显著影响小麦产量和品质, 且二者互作可显著影响产量、蛋白质产量以及除清蛋白外的蛋白质组分含量。与PT和RT相比, SS使小麦产量显著增加6.9%和12.6%, 蛋白质产量显著增加7.7%和14.5%。除2020—2021年度鸦岭点清蛋白、小界点球蛋白以及2021—2022年度鸦岭点粗蛋白、球蛋白和小界点醇溶蛋白外, 小麦蛋白质含量及其组分含量、加工品质以及籽粒锌含量均表现为显著上升, 其中, 清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量平均分别增加21.9%、19.0%、12.5%、8.0%和22.0%、19.6%、19.7%、15.0%, 面团形成时间、稳定时间、湿面筋含量、沉降值、延伸性和最大阻力平均分别增加18.6%、28.4%、8.2%、26.4%、10.1%、14.0%和19.5%、32.8%、9.1%、27.8%、10.3%、22.6%, 锌含量平均分别增加12.6%和23.2%。随着氮肥用量的增加, 3种耕作方式下的小麦产量和蛋白质产量、蛋白质组分含量、加工品质和籽粒锌含量均表现为先增加后稳定的趋势, N180和N240无显著差异, 二者多显著高于N120。除小浪底点的产量和2021—2022年度醇溶蛋白外, SSN180的小麦产量、品质、经济效益和产投比与SSN240相比均无显著差异, 但多显著高于其他处理。因此, 一次灌溉下深松+旋耕配施180 kg hm^-2氮肥的组合能在提高产量的同时兼顾品质和效益, 适宜在旱作区满足一次灌溉条件的旱地小麦生产中推广应用。

为明确测墒补灌节水条件下施氮量对小麦分蘖发生和成穗调控的生理机制, 于2020—2022年, 在测墒补灌条件下研究0、130、180和230 kg hm^-2四个氮肥施用量对济麦22分蘖发生期间分蘖节横截面积、主茎光合生产能力、分蘖成穗期间¹³C同化物在各茎蘖分配的调控效应, 分析氮肥施用量与分蘖发生和成穗的关系。结果表明, 相比于不施氮和施氮量为130 kg hm^-2, 施氮量为180 kg hm^-2显著提高了小麦分蘖节横截面积和反式玉米素(tZ)含量、降低了生长素(IAA)和脱落酸(ABA)含量, 提高了越冬期和返青期主茎顶部展开叶光合能力, 越冬期群体总茎蘖数两试验年度平均值比不施氮和施氮量为130 kg hm^-2分别提高了35.1%和14.3%; 拔节期群体总茎蘖数两试验年度平均值比不施氮和施氮量为130 kg hm^-2分别提高了80.6%和22.2%。当施氮量为180 kg hm^-2时, ¹³C同化物在I、II和III蘖的分配量显著高于不施氮处理, 籽粒产量两试验年度平均值与不施氮和施氮量为130 kg hm^-2相比分别提高47.9%和19.2%。当施氮量提高到230 kg hm^-2时, 上述各指标与施氮量为180 kg hm^-2无显著差异, 但氮肥偏生产力显著降低。相关性分析表明, 小麦分蘖节横截面积、反式玉米素含量和顶部展开叶净光合速率与群体总茎蘖数和群体穗数均呈极显著正相关, ¹³C同化物在各茎蘖的分配量与群体穗数呈极显著正相关。因此, 增加分蘖节横截面积和反式玉米素含量、提高叶片光合能力和¹³C同化物在各茎蘖的分配量是提高穗数和籽粒产量的重要生理基础。综上, 在本试验测墒补灌节水条件下, 施氮量为180 kg hm^-2提高了小麦分蘖节横截面积、反式玉米素含量和主茎顶部展开叶光合能力, 促进了光合同化物在I、II和III蘖的分配, 从而获得了较高的穗数和籽粒产量, 因此, 180 kg hm^-2是本试验条件下高产高效的适宜施氮量。

土壤盐碱化是全球农业生产面临的主要限制因素之一, 显著制约小麦产量并威胁粮食安全。植物根系分泌有机酸是应对非生物胁迫的重要生理策略。然而, 在盐碱复合胁迫下, 小麦根系有机酸分泌的动态特征及其背后的转录调控网络尚缺乏系统研究。本研究以耐盐碱小麦品种‘济麦60’为材料, 系统分析了其在盐碱复合胁迫不同时间点根系有机酸的代谢组与转录组变化特征, 并结合加权基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘关键调控模块。结果表明, 盐碱复合胁迫显著改变了根系有机酸的组成与含量, 在4个比较组中共鉴定到44种差异积累的有机酸, 其中12种持续上调, 4种持续下调。转录组分析显示, 随着胁迫时间的延长, 差异表达基因数量逐步增加, 与光合作用、有性生殖和卟啉代谢等相关的基因持续被激活, 而细胞壁组织、氧化磷酸化等过程则表现出时间阶段性响应。WGCNA分析进一步鉴定出MEblue、MEturquoise和MEyellow 3个与关键有机酸代谢显著相关的功能模块, 这些模块中的基因主要富集于能量代谢、氨基酸合成与氧化还原平衡等过程。本研究系统描绘了耐盐碱小麦品种‘济麦60’在盐碱复合胁迫下根系有机酸代谢与转录调控的动态图谱, 这不仅加深了对小麦耐盐碱生理机制的认识, 也为通过分子设计育种靶向改良根系功能与逆境适应性提供了重要的理论基础和基因资源。

为了探究叶面喷硒对浅紫色马铃薯绿原酸、总酚、类黄酮和花青素含量及花青素合成途径相关基因的影响, 明确适合马铃薯块茎花青素合成的外部硒浓度和喷施次数, 本研究以紫皮浅紫肉的“滇彩薯104”为材料, 利用亚硒酸钠进行叶面喷硒, 设置硒浓度水平为0 (喷蒸馏水, CK)、5 (Se1)和10 mg L^-1 (Se2), 2个喷施次数(2次和3次), 其中, 2次喷施分别于马铃薯块茎形成期和块茎膨大期喷施, 3次喷施分别在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和块茎成熟期喷施, 共5个处理, 对其绿原酸、总酚、类黄酮和花青素含量及花青素合成途径相关基因的表达进行分析。结果表明, 喷施2次Se1对于马铃薯花青素合成促进效果更好, 2次叶面喷施Se1使马铃薯薯皮中StF3'5'H、StCHS、StDFR、StANS和StMYB113等基因的表达水平显著上调9.11~10.11倍, 使马铃薯薯肉中StCHS、StDFR等基因的表达水平显著上调2.99~3.72倍; 3次叶面喷施Se2对于促进马铃薯块茎中绿原酸和总酚含量效果更好, 使其含量较CK显著上升30.12%和40.80%。同时, 硒处理能够显著增强花青素合成途径中多个结构基因与转录因子之间的表达相关性, 促进其协同调控网络的形成, 从而共同推动花青素的积累。

遮阴是影响玉米生长发育和产量形成的重要环境胁迫之一, 尤其在密植栽培或间作系统中, 玉米穗部受光照不足可能易导致显著减产。为明确遮阴对玉米幼穗发育的影响, 本研究于2023—2024年夏季在玉米穗期(拔节期至抽雄期)设置遮阴处理(S)和自然光照处理(CK), 系统测量穗部形态、穗部碳水化合物含量、激素水平及叶片的光合性能。结果显示, 遮阴显著降低夏玉米叶片的光合能力, 其中遮阴处理叶片在大喇叭口期(V12)、第15片完全展开叶期(V15)及抽雄期(VT)的蔗糖含量较CK分别下降65.0%、24.2%、23.0%, 并引起植株生物量相应降低39.5%、32.3%和41.9%。与对照(CK)相比, 遮阴导致叶片光合性能减弱, 碳水化合物合成能力下降, 进一步影响其在穗部的供应与利用, 表现为雌穗和雄穗中果糖、葡萄糖、蔗糖和淀粉含量显著降低。此外, 遮阴还显著改变发育中雌雄穗的脱落酸(ABA)、生长素(IAA)和细胞分裂素(CTK)含量, 最终导致穗发育进程延缓, 穗长和直径减少, 可育小花数量明显下降。总之, 穗期遮阴通过削弱玉米植株的同化物积累与幼穗碳水化合物代谢, 显著抑制幼穗的正常发育和形态建成, 致使穗粒数减少32.2%, 单株产量下降32.8%。本研究从生理机制层面揭示了遮阴胁迫影响玉米产量形成的过程, 为耐阴型玉米品种选育与栽培调控途径的优化提供了理论依据。

本研究旨在全基因组水平系统鉴定水稻SPX基因家族成员, 分析其进化特征与表达模式, 为阐明该家族在磷信号转导中的功能提供理论依据。利用生物信息学方法对水稻SPX基因家族进行全基因组鉴定, 分析其理化性质、系统进化关系、基因结构、保守基序、启动子顺式作用元件及共线性关系; 基于转录组数据和实时荧光定量PCR (RT-qPCR)技术解析其组织表达特性及磷胁迫应答模式。本研究共鉴定到6个水稻SPX基因, 分布于5条染色体上。系统进化分析表明, OsSPX1和OsSPX2以100%支持率聚类, OsSPX3与OsSPX5/OsSPX6形成稳定亚簇。共线性分析发现, 有2对片段复制基因(OsSPX1/OsSPX2和OsSPX5/OsSPX6), 且K_a/K_s值均小于1 (0.19~0.44), 表明该家族在进化过程中受强烈纯化选择。基因结构分析显示, OsSPX成员含2~3个外显子, 保守基序分布模式与系统进化关系高度一致。启动子分析发现了135个顺式作用元件, 主要包括激素响应、光响应和胁迫响应元件, 其中茉莉酸甲酯和脱落酸响应元件最为丰富。基于RT-qPCR在ShijinB品种的表达模式分析表明, OsSPX1至OsSPX6在根中均表现出显著表达优势, 具有普遍的根偏好性特征。此外, OsSPX3在花序中也显示出较高的表达水平, 而OsSPX1和OsSPX4在叶中的表达也较高。磷胁迫响应分析显示, OsSPX1、OsSPX2、OsSPX3、OsSPX5和OsSPX6在低磷条件下显著上调表达, 其中, OsSPX3表达量增长最为显著, 而OsSPX4表达不受磷浓度影响。水稻SPX基因家族通过片段复制扩张并受纯化选择作用, 成员在基因结构和基序组成上较为保守, 但在表达模式上呈现明显的组织特异性和磷胁迫应答分化。