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2023年 第49卷 第9期 刊出日期：2023-09-12

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作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

基于Adaptive Lasso的两阶段全基因组关联分析方法

杨文宇, 吴成秀, 肖英杰, 严建兵

作物学报. 2023, (9):  2321-2330.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23072

摘要 ( 1133 )   HTML ( 47 )   PDF (874KB) ( 5494 )  

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作为进行全基因组关联分析的主流方法, 混合线性模型类方法得到了广泛的应用。但是, 现有方法仍存在检测功效不高的问题。本文提出一种基于Adaptive Lasso的2阶段全基因组关联分析方法(two-stage Adaptive Lasso-based genome-wide association analysis, ALGWAS), 该方法在第1阶段通过变量选择方法Adaptive Lasso筛选出与目标性状相关联的单核苷酸多态性位点(single nucleotide polymorphism, SNP), 第2阶段将第1阶段筛选出的SNP作为协变量放入线性模型中进行全基因组扫描。在模拟实验中, ALGWAS方法与3种常用的全基因组关联分析方法fastGWA、GEMMA和EMMAX相比具有最高的检测功效, 同时具有较低的错误发现率(false discovery rate, FDR)。将以上4种方法应用到包含1341份材料的玉米CUBIC (Complete-diallel plus Unbalanced Breeding-like Inter-Cross)群体的全基因组关联分析中, ALGWAS方法可检测到与开花期相关基因ZmMADS69、ZmMADS15/31、ZmZCN8和ZmRAP2.7, 与株高相关基因ZmBRD1和ZmBR2, 与产量相关基因ZmUB2、ZmKRN2和ZmCLE7等, 而其他3种常用的全基因组关联分析方法检测功效较低。本研究提出了一种非混合线性模型类的全基因组关联分析方法, 对解析微效多基因决定的复杂遗传性状具有更高的检测效率, 为基因挖掘提供了新的途径。

玉米ZmC2s基因家族鉴定及ZmC2-15耐热功能分析

黄钰杰, 张啸天, 陈会丽, 王宏伟, 丁双成

作物学报. 2023, (9):  2331-2343.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23069

摘要 ( 1211 )   HTML ( 105 )   PDF (22439KB) ( 743 )  

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鉴定玉米ZmC2s基因家族成员, 分析其遗传变异与玉米耐热性的关联性, 为明确其在玉米耐热方面的功能和分子机制奠定基础。使用C2蛋白结构域PF00168, 利用hmmsearch从玉米全基因组中搜索ZmC2s基因家族成员, 分析其编码蛋白质等电点和分子量、系统进化和基因家族复制。使用候选基因关联分析的方法, 对ZmC2s基因自然变异位点与玉米苗期耐热性进行关联分析, 发现玉米ZmC2s基因家族重要的耐热候选基因。使用实时荧光定量PCR (RT-qPCR)的方法鉴定与玉米苗期耐热性最显著相关的ZmC2候选基因ZmC2-15在胁迫和激素处理下的基因相对表达水平, 在玉米原生质体瞬时表达系统中鉴定ZmC2-15-GFP的亚细胞表达部位, 以及获得过表达ZmC2-15的转基因拟南芥并分析其耐热性。从玉米参考基因组B73中共鉴定出95个玉米ZmC2s基因, 根据其物理坐标的先后顺序, 将95个玉米ZmC2s基因命名为ZmC2-1~ZmC2-95。其蛋白长度为130~2141, 等电点为4.1~10.8, 分子量为14.1~230.1。通过构建玉米、水稻和高粱基因组C2基因的进化树, 发现C2基因可以分为3个大的聚类分支, 每个聚类分支又可以细分为2个小的聚类分支。分析玉米、水稻和玉米、高粱的全基因组共线性数据, 发现了59个ZmC2s基因在水稻和高粱基因组均有一一对应的复制基因。ZmC2s基因家族关联分析表明ZmC2-15/60/91是重要的玉米耐热候选基因(P≤0.001, MLM), 其中ZmC2-15与玉米苗期耐热性最显著相关(P≤0.000,01, MLM), 且该基因的表达量在多种逆境胁迫处理下上调表达。亚细胞定位分析表明ZmC2-15表达定位于细胞质、核膜和内质网。过表达ZmC2-15的转基因拟南芥提高了植物耐热性。ZmC2-15可作为调控玉米耐热性的重要候选基因。

陆地棉漆酶基因家族成员表达模式分析

左春阳, 李亚玮, 李焱龙, 金双侠, 朱龙付, 张献龙, 闵玲

作物学报. 2023, (9):  2344-2361.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24246

摘要 ( 1073 )   HTML ( 53 )   PDF (11133KB) ( 345 )  

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漆酶是铜蓝氧化酶蛋白家族的一员, 在植物木质素合成和提高植株抵御胁迫能力等方面发挥着重要作用。本研究从陆地棉基因组中鉴定到104个漆酶基因(GhLAC)家族成员, 进行了系统进化树和组织表达图谱的构建, 并随机选取了20个基因进行荧光定量PCR分析, 验证了表达热图的结果。为进一步探索漆酶在棉花中担当的角色, 本研究采用启动子-GUS融合载体转化拟南芥, 通过转基因拟南芥不同发育过程不同组织GUS染色结果, 分析了陆地棉漆酶基因家族6个成员(GhLAC12A、GhLAC14A、GhLAC20A、GhLAC25D、GhLAC59D、GhLAC63D)的精细表达模式。为探究漆酶在逆境中发挥的作用, 对该6个漆酶基因进行了切割和刺洞2种创伤胁迫诱导表达分析, 并利用2个棉花品系‘84021’ (高温耐受型)和‘H05’ (高温敏感型)在常温和高温胁迫条件下不同时期的花药进行相应基因的荧光定量PCR分析。研究结果表明, 随机挑选的20个基因在根、茎、叶、花瓣、花药和柱头6个组织中差异表达, 大多数基因的表达与转录组结果一致。6个漆酶基因的启动子能够不同程度地驱动GUS基因在种子萌发时期、二叶期、四叶期表达; 创伤处理结果显示GhLAC12A、GhLAC14A的启动子受创伤诱导后驱动GUS蛋白在叶片中表达的能力显著提高, 暗示着这2个基因可能参与创伤胁迫响应。6个GhLACs基因在棉花耐高温品系‘84021’的四分体时期和花药开裂期高温胁迫后都有表达量显著下调的趋势, 推测GhLACs基因可能负调控陆地棉花药高温耐受性。本研究结果为进一步探索漆酶家族基因功能提供了参考。

水稻OsCDF1基因突变效应及其基因组变异分析

胡艳娟, 薛丹, 耿嫡, 朱末, 王天穹, 王晓雪

作物学报. 2023, (9):  2362-2372.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22062

摘要 ( 957 )   HTML ( 60 )   PDF (10411KB) ( 340 )  

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开花期(又叫抽穗期)影响水稻的产量、品质和地区适应性。在拟南芥中, Cycling DOF Factor 1 (CDF1)蛋白质是CONSTANS (CO)的转录抑制因子, 负向调节拟南芥的开花期。但是, 水稻中的同源蛋白OsCDF1的功能尚不完全清楚。为了揭示OsCDF1在水稻中的生物学功能及其对开花期的影响, 本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术设计定向敲除水稻OsCDF1基因的2个靶位点, 构建OsCDF1基因的敲除载体; 通过农杆菌介导的方法分别转化北方粳稻品种沈农9816, 创制OsCDF1基因的突变体; 分析沈农9816和oscdf1突变体在田间种植下的开花期和产量性状的差异。主要研究结果为: 创制了在第1个外显子的第16 bp处缺失5个碱基和在第2个外显子的338 bp处单碱基A插入的oscdf1纯合突变。序列比对分析表明, 这2种类型的突变均造成移码和蛋白翻译提前终止。在自然长日照条件下, oscdf1突变体的开花期比野生型沈农9816晚4 d以上, 其产量高于野生型。对OsCDF1单倍型和单倍型网络分析发现, OsCDF1在不同品种中进化出高度多样性。本研究成功利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除了水稻OsCDF1基因, 为进一步研究OsCDF1基因功能提供了理论参考, 也为水稻遗传改良提供了潜在的基因和种质资源。

盐胁迫对花生幼苗离子动态及耐盐基因表达的影响

徐扬, 张岱, 康涛, 温赛群, 张冠初, 丁红, 郭庆, 秦斐斐, 戴良香, 张智猛

作物学报. 2023, (9):  2373-2384.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24242

摘要 ( 1166 )   HTML ( 48 )   PDF (3201KB) ( 570 )  

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不同花生品种的耐盐能力各有差异, 本研究以耐盐花生品种花育25 (Huayu 25, HY25)和盐敏感品种花育20 (Huayu 20, HY20)为材料, 利用非损伤微测技术, 测定盐胁迫下花生幼苗根尖中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、NH₄⁺、NO₃^-、Cl^-的流速; 并同期检测了幼苗的生长性状、主要耐盐基因的表达及渗透调节物质(可溶性糖、脯氨酸)含量的变化, 以明确花生的耐盐能力与离子吸收、转运及抗逆调控的关系。结果表明: (1) 盐胁迫下Na⁺内流减弱, 外排速率增加, K⁺内流提高, 但是相对而言, HY25的Na⁺外排速率及K⁺内流速率均高于HY20, 表明HY25通过排Na⁺保K⁺提高耐盐性; (2) 盐胁迫促进Ca²⁺迅速内流, 并且耐盐品种比盐敏感品种Ca²⁺内流速率更高, 可能与耐盐有关; (3) 盐胁迫导致两品种NO₃^-外排, 但耐盐品种HY25的外排流速更低, 表明HY25可通过减缓NO₃^-的流失以抵御盐胁迫的危害; (4) 盐胁迫促使耐盐品种HY25 Cl^-外排, 但盐敏感品种Cl^-的内流速率提高, 表明HY25可通过加快Cl^-的外排减轻Cl^-的毒害; (5) 盐胁迫显著诱导耐盐品种HY25耐盐相关基因AhNHX1、AhHA1、AhSAMDC1、AhLeaD的表达, 可帮助其提高盐耐受性。综上, HY25的高耐盐能力与较强的离子稳态和较高的耐盐基因表达量密切相关。明确盐胁迫下花生根系的离子流动规律和抗逆机制, 将为改善盐碱地花生出苗、立苗、健苗及其调控技术的建立提供理论支撑。

甘蔗割手密种糖转运蛋白基因SsSWEET11的克隆与功能分析

杜翠翠, 吴明星, 张雅婷, 谢婉婕, 张积森, 王恒波

作物学报. 2023, (9):  2385-2397.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24232

摘要 ( 1073 )   HTML ( 40 )   PDF (3595KB) ( 246 )  

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SWEET蛋白通过调控植物体内糖分的运输、分配、转化和贮藏, 广泛参与植物生长发育及响应病原菌胁迫的生理生化过程。为揭示SWEET基因在甘蔗生长发育及其与赤条病菌互作中的生物学功能, 本研究基于甘蔗割手密种全长转录组文库和比较基因组学, 根据注释SsSWEET11基因序列设计特异引物, 利用RT-PCR技术从甘蔗割手密种cDNA文库中扩增该基因的全长序列, 运用多种生物信息工具分析其特征, 构建系统进化树; 采用不同组织和抗、感赤条病的甘蔗品种分析SsSWEET11的表达模式; 利用瞬时表达和亚细胞定位分析SsSWEET11的功能。结果表明, 从甘蔗割手密种克隆获得SsSWEET11基因(登录号为OP554214), 该基因全长927 bp, 编码308个氨基酸残基, 具有2个MtN3_saliva结构域和7次跨膜结构域。系统进化树分析显示, SsSWEET11属于SWEET蛋白家族第III亚家族成员, 与高粱SbSWEET11相似性高达97.41%。qRT-PCR分析表明, ShSWEET11基因在不同组织中组成型表达, 在蔗叶和根中表达量显著高于其他组织; 赤条病菌胁迫下, ScSWEET11基因在抗病品种ROC22和感病品种MT11-610中呈现完全不同的表达趋势, 与对照相比, 抗病品种中该基因的表达量显著下调, 而感病品种中, 在胁迫48 h和72 h后该基因的表达量显著上调, 分别为对照的5.90倍和5.43倍。亚细胞定位表明, SsSWEET11-GFP融合蛋白定位在质膜上。瞬时过表达SsSWEET11基因1 d后, 二氨基联苯胺(Diaminobenzidine, DAB)对本氏烟叶片进行染色, 叶片颜色没有变化, 再接种烟草青枯菌、茄病镰刀菌蓝色变种7 d后, 过表达植株叶片发病比对照组严重, 且过敏反应相关基因、茉莉酸和水杨酸代谢途径相关基因呈现上调表达, 而乙烯通路相关基因则没有响应, 表明SsSWEET11基因参与茉莉酸和水杨酸信号传导通路, 且病原菌侵染本氏烟草叶片能够诱发过敏反应。研究结果不仅为开发与甘蔗抗赤条病菌性状关联的分子标记提供积累, 也为深入解析赤条病侵染甘蔗的分子机制奠定一定的基础。

低温胁迫下组蛋白H3K18cr在水稻全基因组上的动态变化特征解析

刘凯, 陈积金, 刘帅, 陈旭, 赵新茹, 孙尚, 薛超, 龚志云

作物学报. 2023, (9):  2398-2411.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22059

摘要 ( 1132 )   HTML ( 23 )   PDF (4607KB) ( 243 )  

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组蛋白修饰在水稻响应非生物胁迫的过程中发挥着重要作用。巴豆酰化是一种新型的组蛋白修饰方式, 其在水稻受到低温逆境时如何变化目前很少有见报道。本研究对正常生长和低温处理的水稻日品种本晴幼苗进行RNA-seq和ChIP-seq高通量测序, 然后联合分析组蛋白H3赖氨酸18特异位点上巴豆酰化修饰(H3K18cr)在低温胁迫下对基因表达的调控特征。研究表明, 在基因组中H3K18cr主要富集在第1外显子和基因间区, 且与基因表达和基因长度呈现正相关。低温胁迫下, H3K18cr在水稻基因组上的分布区域没有变化, 但是蛋白免疫印记和ChIP-seq结果均表明整体修饰水平下降; 差异修饰分析发现低温胁迫后有899个和409个基因分别表现出修饰显著增加和减少。通过与RNA-seq关联分析显示共有199个基因H3K18cr修饰水平增高且表达水平上调, GO富集分析发现这些基因主要参与转录活性的调控等过程。进一步验证表明组蛋白H3K18cr通过调控OsDREB1A、OsEATB、OsAP2-39、OsNAC9等转录因子的表达来参与水稻低温胁迫的响应过程。相关研究结果为解析组蛋白巴豆酰化调控植物响应低温胁迫的表观遗传机制提供理论基础。

基于二代和三代转录组测序揭示甘蔗重要亲本对黑穗病菌侵染的响应机制

胡鑫, 罗正英, 李纯佳, 吴转娣, 李旭娟, 刘新龙

作物学报. 2023, (9):  2412-2432.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24228

摘要 ( 1364 )   HTML ( 26 )   PDF (1510KB) ( 687 )  

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黑穗病是甘蔗生产中的主要病害, 严重影响甘蔗产量。解析甘蔗重要亲本与黑穗病菌相互作用的分子机制及筛选抗病基因对抗黑穗病优良品种的培育具有重要意义。本研究选用我国甘蔗育种中的重要亲本新台糖ROC25 (抗黑穗病)及其姊妹系ROC22 (感黑穗病)为研究对象, 采用单分子实时测序技术(三代测序)和二代转录组测序技术分析和鉴定2个亲本感染黑穗病菌后的转录组谱及差异转录本。三代转录组测序分析共获得79,885条转录本序列, 其中含60,115条完整开放阅读框、3692个可变剪接事件、1799个LncRNA、29,139个SSR和7794个转录因子, 共有74,066个转录本得到注释, 占总数的92.72%。通过对二代测序数据分析, 在抗病亲本中筛选出9716个差异转录本, 在感病亲本中筛选出2033个差异转录本。差异转录本的GO和KEGG富集分析结果表明抗病亲本中共富集到的GO条目和KEGG通路均要多于感病亲本, 且植物MAPK信号通路、苯丙素生物合成、植物-病原互作、亚油酸代谢和蔗糖和淀粉代谢等代谢通路在抗感亲本中均被显著富集, 为抗感亲本对黑穗病的共同抗病途径。进一步, 对植物MAPK信号通路的分析表明, MAPK超家族基因成员在抗感亲本中呈现不同的表达方式, 在抗病亲本中具有更多差异表达的MEKK1和MKK4的转录本, 且MKK5、MPK10和MPK12基因仅在抗病品种中发生显著表达变化, 推测其可能与亲本的抗病表型关联。此外, 抗感亲本中众多WRKY、MYB、NAC和AP2/ERF-ERF等抗病相关转录因子响应了黑穗病菌胁迫, 且主要表现为上调表达。与感病亲本相比, 抗病亲本显示出更多的差异表达转录因子, 推测这些抗病亲本特有的转录因子可能对防御黑穗病菌具有积极作用。本研究完善了新台糖亲本基因组注释信息, 为解析新台糖优异亲本与黑穗病菌互作机制以及抗黑穗病基因资源的挖掘利用提供指导。

玉米转录因子ZmEREB211对非生物逆境胁迫的应答

艾蓉, 张春, 悦曼芳, 邹华文, 吴忠义

作物学报. 2023, (9):  2433-2445.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23071

摘要 ( 1022 )   HTML ( 31 )   PDF (9157KB) ( 456 )  

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AP2/ERF (APETALA2/ethylene-responsive factor)转录因子是植物中最大的转录因子家族之一, 在调控植物生长发育和响应逆境胁迫等方面起重要作用。探究玉米(Zea mays L.) AP2/ERF家族基因功能将为玉米新种质创制提供重要的基因资源。本研究克隆获得了ZmEREB211 (Gene ID: 103647485)基因, 利用生物信息学分析、实时荧光定量PCR等技术对该基因的基本特性、组织表达特性及响应逆境胁迫表达模式等进行了分析; 对转基因拟南芥株系进行了相应逆境胁迫处理和表型鉴定。结果显示: 该基因只包含1个外显子, cDNA全长为792 bp, 编码263个氨基酸; ZmEREB211蛋白分子量为27.9 kD, 理论等电点为6.01, 具有AP2家族所特有的保守结构域; ZmEREB211基因在玉米根系中的表达量最高, 且在幼根中的表达量高于成熟根中的表达量; 同时该基因在脱水、高盐、干旱和低温等处理条件下均有不同程度的诱导表达。在分别含有不同浓度梯度的NaCl、甘露醇(mannitol)和茉莉酸(jasmonic acid, JA)的1/2 MS培养基上, 转ZmEREB211基因拟南芥株系的根长显著长于野生型。在干旱和高盐处理下, 盆栽转基因拟南芥株系较野生型株系表现出更强的耐受性, 且苗期的绿叶数显著多于野生型, 过氧化物酶(POD)活性和叶绿素含量均显著高于野生型。研究表明ZmEREB211可能参与调控玉米根系生长发育, 对高盐、干旱、渗透等逆境胁迫及JA激素处理均能起到正向的调控作用。本研究为进一步解析ZmEREB211在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。

比较转录组分析花生种子休眠调控网络

王菲菲, 张胜忠, 胡晓辉, 崔凤高, 钟文, 赵立波, 张天雨, 郭进涛, 于豪谅, 苗华荣, 陈静

作物学报. 2023, (9):  2446-2461.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24186

摘要 ( 851 )   HTML ( 25 )   PDF (12071KB) ( 278 )  

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种子休眠性是花生重要且复杂的农艺性状, 对花生(Arachis hypogaea L.)的产量和品质影响巨大。为深入揭示花生种子休眠维持和解除的分子调控网络, 本研究以强休眠品种花育52号(HY52)和弱休眠突变株系M23、M67为试材, 种子吸胀处理(0 h、12 h、24 h)后测定其激素ABA和GA含量并进行转录组测序。吸胀12 h时M23和M67中GA含量显著高于HY52, ABA含量和ABA/GA比值则低于HY52。测序共得到31,373个差异表达基因(DEGs), 其中ABA和GA生物合成和信号转导相关的基因在种子休眠维持和解除过程中发生显著变化, 挖掘到50个ABA相关基因、8个GA相关基因、49个乙烯相关基因和13个生长素相关基因。此外, 还鉴定到许多参与碳水化合物和脂质代谢、氨基酸代谢途径相关的DEG, 挖掘到糖代谢相关基因5个、脂质代谢相关基因4个; 昼夜节律调控也可能参与花生种子休眠解除。这表明, 花生种子休眠维持和解除的调控是一个复杂网络, 植物激素平衡调控可能只是其中一个重要部分。

马铃薯StCYP85A3促进萌芽及根系伸长的功能解析

刘洁, 蔡诚诚, 刘石锋, 邓孟胜, 王雪枫, 温和, 李罗品, 严奉君, 王西瑶

作物学报. 2023, (9):  2462-2471.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24236

摘要 ( 654 )   HTML ( 10 )   PDF (4740KB) ( 203 )  

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油菜素内酯(BR)是一类植物甾醇类激素, 对植物生长发育及胁迫应答具有显著的调控作用, 马铃薯中StCYP85A3作为BR合成酶的编码基因, 功能仍待进一步探究。本研究从‘川芋10号’马铃薯中克隆出该基因, 生物信息学分析表明该蛋白具有催化BR合成的典型亲氧结合域, 属于CYP85As家族成员。通过组织表达分析发现该基因在块茎芽眼及根中表达量最高, 且芽眼中的表达量随着储藏时间的延长而增加, 在块茎芽眼休眠解除时表达迅速升高。同时发现外源BR可诱导马铃薯芽眼及根中StCYP85A3表达量升高, 从而显著促进了种薯萌芽及幼苗根的伸长。通过在拟南芥野生型及cyp85a2突变体中过表达StCYP85A3发现, 过表达株系种子萌发及根系伸长都早于野生型, 同时回补株系弥补了突变体种子萌发、植株根系生长迟缓的缺陷。此外, 外源BR对过表达株系种子萌发、根系伸长无显著促进作用, 但显著促进了野生型、突变体及回补株系种子萌发、根系伸长。上述马铃薯及拟南芥试验结果表明, StCYP85A3具有促进萌芽及根系伸长的功能。

甘蔗VAMP相关蛋白ScPVA12与甘蔗花叶病毒P3N-PIPO的互作研究

玉泉馨, 杨宗桃, 张海, 程光远, 周营栓, 焦文迪, 曾康, 罗廷绪, 黄国强, 张木清, 徐景升

作物学报. 2023, (9):  2472-2484.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24244

摘要 ( 816 )   HTML ( 12 )   PDF (5631KB) ( 181 )  

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植物囊泡膜蛋白相关蛋白PVA12 (plant vesicle-associated membrane protein (VAMP)-associated proteins homolog 12)属于VAP27家族蛋白, 在细胞中介导内质网囊泡运输以及膜融合。甘蔗(Saccharum spp. hybrid) PVA12应答甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus, SCMV)侵染尚未见报道。本研究从栽培种新台糖22号(ROC22)中克隆了PVA12基因, 命名为ScPVA12。该基因开放读码框(open reading frame, ORF)的长度为735 bp, 其编码长度为244 aa的蛋白。生物信息学分析表明, ScPVA12是一种不稳定的亲水性脂溶蛋白, C端具有跨膜结构域; 二级结构中无规则卷曲占比最高; 进化树分析表明, 该蛋白在单子叶和双子叶植物中存在明显分化。酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)和双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)试验表明, ScPVA12与SCMV-P3N-PIPO蛋白互作。亚细胞定位试验表明ScPVA12定位于内质网。共定位试验表明ScPVA12与SCMV-P3N-PIPO共定位于内质网。实时荧光定量PCR分析发现, ScPVA12基因在甘蔗各组织中均有表达, 在第8节间中的表达量最低, 在正七叶中的表达量最高; SCMV侵染对ScPVA12基因表达影响显著, 在SCMV胁迫下ScPVA12基因先下调表达, 后期恢复正常水平。

甘蔗ScbHLH13基因的RT-PCR克隆与功能分析

莫广玲, 余陈静, 梁艳兰, 周定港, 罗俊, 王莫, 阙友雄, 黄宁, 凌辉

作物学报. 2023, (9):  2485-2497.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24233

摘要 ( 968 )   HTML ( 40 )   PDF (3664KB) ( 382 )  

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bHLH转录因子是植物体内重要的调节因子, 对植物的生长发育、次生代谢以及花青素生物合成等方面具有调节作用。本研究以高粱bHLH13 (XM_002440799.2)为探针序列, 从甘蔗中通过RT-PCR克隆获得一个ScbHLH13基因, 并对其在不同胁迫响应转录组数据中进行表达模式分析, 同时对该基因及其所编码蛋白进行了理化性质预测以及系统进化、原生质体亚细胞定位和实时荧光定量PCR表达量分析。结果显示, ScbHLH13所编码蛋白包含586个氨基酸残基, 以无规则卷曲和α螺旋为主, 亲水且不稳定, 呈弱碱性; 具有典型核定位信号, 无跨膜结构; 其序列内包括bHLH-MYC、HLH 2个典型保守结构域, 属于bHLH超家族成员。在系统进化中ScbHLH13属于III (d+e)类组, 与高粱亲缘关系最近。在转录组数据中, ScbHLH13的表达在甘蔗品种ROC22上受低氮胁迫和黑穗病菌侵染抑制, 轻微受高粱花叶病毒侵染诱导; 而在Badila受低氮、在YC05-179受甘蔗黑穗病菌侵染诱导。亚细胞定位结果显示, 在烟草表皮细胞中瞬时表达ScbHLH13定位于细胞核和细胞膜, 在甘蔗原生质体瞬时表达ScbHLH13则定位于细胞核。qRT-PCR分析表明, ScbHLH13在甘蔗原生质体中过表达并不能诱导花青素合成代谢通路上主要基因的表达, 说明ScbHLH13与甘蔗中花青素合成相关下游基因表达调控相关性较低。本研究借助甘蔗原生质体瞬时表达系统上对ScbHLH13进行了初步的表达调控探究, 为进一步研究甘蔗功能基因研究以及bHLH基因家族的结构与功能研究奠定了一定的基础。

耕作栽培·生理生化

单粒花生蔗糖含量近红外预测模型的建立

胡美玲, 郅晨阳, 薛晓梦, 吴洁, 王瑾, 晏立英, 王欣, 陈玉宁, 康彦平, 王志慧, 淮东欣, 姜慧芳, 雷永, 廖伯寿

作物学报. 2023, (9):  2498-2504.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24241

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蔗糖含量是影响花生口感和风味的重要因素, 培育高蔗糖甜味品种已成为食用型花生遗传改良的重要目标。因此, 建立单粒花生蔗糖含量的近红外预测模型有助于加快甜花生品种选育进程。本研究选择128份遗传多样性丰富的代表性材料, 采集了近红外光谱, 利用高效液相色谱-折光指数检测器(HPLC-RID)测得蔗糖含量化学值, 并利用偏最小二乘法(PLS)建立了单粒花生蔗糖含量的数学预测模型, 其决定系数(R²)为0.913, 交叉验证根均方差(RMSECV)为0.750。另选用50粒花生种子对预测模型进行外部验证, 预测值和化学值的相关系数达0.92, 表明本研究建立的模型预测值准确可靠。本研究建立的单粒花生蔗糖含量预测模型可以应用于杂交早期世代育种材料蔗糖含量的选择, 也可以应用于高蔗糖材料纯度的筛选和鉴定, 为食用型花生品种选育和产业化应用提供技术支撑。

土壤增氮对棉铃对位叶Bt杀虫蛋白含量影响及氮代谢机制

李亦扬, 李远, 赵子胥, 张鼎顺, 杜嘉宁, 吴淑娟, 孙思琦, 陈媛, 张祥, 陈德华, 刘震宇

作物学报. 2023, (9):  2505-2516.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24217

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为探讨土壤增氮对Bt棉棉铃对位叶杀虫蛋白表达量影响程度及相关的氮代谢生理机制, 提高Bt棉花铃期抗虫性的农学调节提供理论和技术支撑。采用裂区设计, 以Bt棉常规品种泗抗1号(SK-1)、杂交品种泗抗3号(SK-3)为材料, 在常规施氮量300 kg hm^-2基础上, 设计施氮量分别增加25%、50%、75%、100%的处理, 研究土壤增氮对Bt棉棉铃对位叶杀虫蛋白表达量影响。结果表明, 2个类型品种棉铃对位叶中Bt杀虫蛋白含量均随增施氮量提高呈一直增加的特征, 与对照相比, 施氮量增加25%~100%, 棉铃对位叶Bt杀虫蛋白增加6.1%~96.9%。氮代谢生理机制进一步表明, 棉铃对位叶中可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量、谷氨酸丙酮酸转氨酶活性和谷氨酰胺合成酶活性的变化趋势与Bt蛋白含量表现一致, 而蛋白质分解关键酶(蛋白酶、肽酶)活性则随施氮量的增加呈下降趋势。叶面积指数(LAI)随增施氮量的提高而增大, 而产量则随土壤氮量的增加呈先升高后降低特征, 最适LAI和产量最大值均出现在常规施氮的1.25倍(375 kg hm^-2)。综上, 在常规施氮基础上适量增施氮肥有利于棉铃对位叶中Bt蛋白的合成、最适LAI的形成和产量的提高, 有利于实现Bt棉丰产性和抗虫性协同表达。

椰糠施用量对土壤理化性状和甘薯产量的影响

杨毅, 何志强, 林佳慧, 李洋, 陈飞, 吕长文, 唐道彬, 周全卢, 王季春

作物学报. 2023, (9):  2517-2527.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24212

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研究不同施用量的椰糠对土壤理化性状和甘薯产量的影响, 探索椰糠的施入量与土壤理化性状的相关关系, 为农田土壤肥力的提高与保持以及鲜食型甘薯高产优质栽培提供理论依据和实际生产指导。本试验于2020年和2021年, 采用随机区组试验设计, 研究了椰糠(干重)施用量0、20,250、40,500和60,750 kg hm^-2共4个处理对土壤及甘薯的影响。结果表明, 随着椰糠施用量的增加, 土壤容重逐渐降低, 而土壤孔隙度、土壤质量含水量、土壤有机质含量和土壤速效氮、磷、钾养分含量逐渐增加, 其中土壤速效钾含量增加最多, 碱解氮次之, 速效磷最少; 根际土壤细菌数量、真菌数量、放线菌数量都随椰糠施用量的增加而增加。增施椰糠能提高甘薯块根的单株结薯数, 增加200~ 400 g、100~200 g和50~100 g块根的数量, 提高甘薯的商品薯率; 甘薯块根产量随椰糠施用量增加先增后减, 以椰糠40,500 kg hm^-2施用量最高; 甘薯块根淀粉率随椰糠施用量的增加而递减。施加椰糠能有效的改善土壤结构和培肥地力, 有利于促进甘薯结薯和大薯的形成, 提高块根产量和增加商品薯率。

乙矮合剂对粒用高粱根系建构和产量的影响

房孟颖, 任粱, 卢霖, 董学瑞, 武志海, 闫鹏, 董志强

作物学报. 2023, (9):  2528-2538.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24243

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塑造良好的根系结构是发挥高粱高产潜力, 提高粒用高粱产量亟待解决的关键问题。为研究乙矮合剂(ECK)对高粱根系形态建构和产量的调控效用及其作用机制, 2020—2021年设置田间试验, 以中高秆型高粱品种辽杂19 (Liaoza 19, LZ19)和矮秆型品种辽杂37 (Liaoza 37, LZ37)为试验材料, 采用随机区组试验设计, 设置高粱五叶期叶面喷施0.75 L hm^-2的ECK处理, 对照喷施等量清水(CK)。结果表明, 高粱根系干重从开花期后呈逐渐下降趋势, 乙矮合剂(ECK)显著增加LZ19和LZ37灌浆期和成熟期根系干重, 根系干重分别较CK增加11.4%和19.7%、10.6%和9.9%。在灌浆期, ECK提高LZ19在灌浆期的细根和中根(根系直径<4 mm)根长和根表面积以及LZ37不同直径下的根长、根表面积和根体积; 在成熟期, ECK提高LZ19的根长、根表面积、根体积和根系平均直径以及LZ37的根长、根表面积和根体积, 并且2个品种的上述根系形态指标中粗根(根直径≥4 mm)的增幅最大。相比CK, ECK处理下2020年和2021年LZ19增产3.3%和13.4%; LZ37增产11.4%和9.8%。综上, ECK处理促进了高粱根系发育、延缓了根系衰老并显著提高了高粱单产, 可作为夏播区粒用高粱促根增产的重要栽培措施。

不同降水年型水分运筹对冬小麦产量及其构成的影响

张丽华, 张经廷, 董志强, 侯万彬, 翟立超, 姚艳荣, 吕丽华, 赵一安, 贾秀领

作物学报. 2023, (9):  2539-2551.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21062

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为明确不同降水条件下实现小麦产量及构成提高的灌水策略, 以冀麦585为试验材料, 于2010—2017年小麦季设置W0 (雨养)、W1 (拔节)、W2 (拔节、开花)、W3 (拔节、开花、灌浆)和W4 (越冬、拔节、开花、灌浆) 5种灌水处理, 分析了不同降水年型下降水、灌水与小麦产量及构成的关系。结果表明: (1) 不灌水条件下多数年份的小麦产量在6400~6800 kg hm^-2, 穗数与产量显著正相关(r=0.860^*); 增加灌水, 产量、穗粒数和千粒重增加, 但每增1水增产率显著下降(由13.8%下降到1.7%)。(2) 生育期总降水量及阶段降水量与产量无明显相关关系, 总降水量对千粒重的影响高于其他因素; W0和W1条件下, 总降水量对穗粒数的影响>穗数, 增加灌水后反之, 而该条件下穗粒数与拔节前降水呈显著正相关且W0下与2月1日至拔节前降水的相关性>播种到拔节前, 但随灌水增加其相关性降低; 除W4灌水与穗粒数和千粒重相关性>降水且相关显著以外, W1~W3条件下其相关性降水>灌水, 这表明灌水缓解降水不足对穗粒数的影响。(3) 前多后少年型(拔节前后降水88.2 mm + 29 mm)穗粒数和千粒重最高, 且3水产量最高, 但与2水无差异; 相对均衡年型(拔节前后降水<60 mm, 30~80 mm)的小麦产量及构成总体偏低但相对稳定, 灌水后穗粒数和千粒重增加, 但影响相对较小, 2~3水产量差异显著(后期降水<36 mm) (增产率为10.5%和22.9%); 前少后多年型(拔节前后降水<25 mm, 40~90 mm)增加灌水最高穗粒数增加1.5~7.1粒, 多水处理下千粒重差异较小, 4月无有效降雨时灌溉3水较2水产量显著增加13.4%。因此, 本区域小麦拔节前降水量低于60 mm时(尤其低于25 mm)灌溉拔节水对穗粒数增加作用明显; 相对均衡年型拔节后降水低于36 mm、前少后多年型4月份无明显有效降水年度灌溉3水, 其他年度灌水2次可实现有限灌水下的产量最大化。

淀粉特性及其表面结合蛋白与裸燕麦籽粒硬度的关系研究

南金生, 安江红, 柴明娜, 蒋屿潋, 朱志强, 杨燕, 韩冰

作物学报. 2023, (9):  2552-2561.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21064

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籽粒硬度可以反映麦类籽粒胚乳质地, 与其碾磨性能和食用加工品质密切相关。为了探究裸燕麦(Avena nuda L.)籽粒淀粉特性及其表面结合蛋白与籽粒硬度的关系。本文以5份软质和5份硬质裸燕麦种质为材料, 测定总淀粉、支链和直链淀粉含量, 观察淀粉粒特性和粒度, 对淀粉颗粒表面结合蛋白进行质谱鉴定。结果表明: 成熟籽粒中淀粉颗粒的形状有圆形、椭圆形和不规则形, 淀粉粒的数量、体积和表面积均呈现单峰分布; 淀粉粒大小可分为小(粒径<6 μm)、中(6~40 μm)和大淀粉粒(粒径>40 μm), 裸燕麦籽粒主要由小和中淀粉粒组成; 硬度不同的裸燕麦籽粒中淀粉的粒度分布不同, 软质裸燕麦小淀粉粒的数量和体积百分比高于硬质, 中、大淀粉粒的数量和体积百分比低于硬质; 软质裸燕麦小和中淀粉粒的表面积百分比高于硬质, 大淀粉粒表面积百分比低于硬质; 裸燕麦籽粒硬度与支链淀粉含量呈正相关。软质裸燕麦14 kD蛋白在淀粉颗粒表面的含量高于硬质裸燕麦, 该蛋白条带经HPLC/MS共鉴定到41种蛋白, 包括Vromindoline蛋白和燕麦α淀粉酶胰蛋白酶抑制剂等。综上所述, 裸燕麦籽粒淀粉含量、粒度分布和淀粉表面结合蛋白均与籽粒硬度相关, 支链淀粉含量越高, 小淀粉粒的数量、表面积和体积百分比越多, Vromindoline等蛋白含量越高, 裸燕麦籽粒越软, 为揭示裸燕麦籽粒硬度形成机制奠定了基础。

土壤微生物对长雄野生稻及其化感潜力后代抑草作用的影响

徐高峰, 申时才, 张付斗, 杨韶松, 金桂梅, 郑凤萍, 温丽娜, 张云, 吴冉迪

作物学报. 2023, (9):  2562-2571.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22047

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明确土壤微生物对化感作物田间抑草作用的影响及其机制, 对农田杂草绿色防控具有重要意义。长雄野生稻(Oryza longistaminata)是培育化感水稻的优良抗原, 然而目前尚不清楚土壤微生物对该野生稻及其后代化感抑草作用的影响。本试验以非化感亚洲栽培稻(RD23)作为参照, 通过温室盆栽试验对比研究了土壤微生物对长雄野生稻及其中化感潜力后代(RL169)的抑草效应, 并分析了与其共培稗草的根际土壤微生物群落结构特征和对稗草养分吸收与利用的影响。结果表明: 1) 土壤微生物显著增强了长雄野生稻及其化感后代(RL169)的抑草效应(P<0.05), 而对非化感亚洲栽培稻(RD23)则无明显影响; 方差分析表明, 土壤微生物、根系分泌物和不同化感潜力水稻互作(土壤微生物×根系分泌物×不同化感潜力水稻)对稗草的株高、根长和生物量具有显著影响(P<0.05)。2) 长雄野生稻及其化感后代(RL169)改变了稗草根际土壤微生物的群落结构, 降低了稗草根际土壤细菌的多样性水平和丰富度, 与其共培稗草的根际细菌在科、属和种水平的数量显著低于非化感亚洲栽培稻(RD23)处理组(P<0.05)。3) 长雄野生稻及其化感后代(RL169)显著降低了共培稗草对N、P和K营养元素的吸收与利用, 且在土壤微生物作用下, 长雄野生稻处理组稗草对N和P的吸收和中化感潜力水稻(RL169)处理组稗草对N的吸收显著降低; 方差分析也显示, 土壤微生物和不同化感潜力水稻极显著或显著影响稗草对N元素(P<0.01)或K元素(P<0.05)的吸收, 但对P元素的吸收却无显著影响; 另外, 稗草养分的利用仅受到不同化感潜力水稻的显著影响(P<0.05)。综上所述, 长雄野生稻及其化感后代(RL169)改变了稗草根际土壤细菌的群落结构, 降低了其对营养元素N、P和K的吸收和利用, 其化感抑草效应在土壤微生物的作用下被显著提高。本研究结果对进一步认清土壤微生物对水稻化感作用的影响以及对野生种质资源的开发利用均具有重要意义。

研究简报

复种绿肥在不同灌水水平下对小麦籽粒品质和产量的影响

张刁亮, 杨昭, 胡发龙, 殷文, 柴强, 樊志龙

作物学报. 2023, (9):  2572-2581.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21067

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探明麦后复种绿肥在不同灌水水平下对小麦籽粒品质和产量的影响, 对构建干旱灌区基于绿肥的小麦稳产丰产与优质生产模式具有重要的理论和实践支撑作用。本研究采用裂区试验设计, 主区设2种种植模式: 麦后复种绿肥(W-G)和麦后休闲(W); 副区设小麦生育期3个灌水水平: 低灌水(I1: 190 mm)、中灌水(I2: 240 mm)、高灌水(I3: 290 mm), 于2020年和2021年测定分析了小麦籽粒蛋白质含量、淀粉含量、容重等品质指标, 产量表现及土壤有机质含量变化。结果表明: 在同一灌水水平下, W-G较W小麦籽粒蛋白质含量增加了5.8%~26.5%、湿面筋含量增加了9.3%~26.4%、容重增加了0.4%~2.1%; 同一种植模式不同灌水水平之间, 小麦籽粒蛋白质含量随灌水水平的降低呈增加趋势, 而籽粒淀粉含量和湿面筋含量随灌水水平的降低呈减少趋势, I2小麦籽粒容重显著大于I1和I3; 各组合处理之间, 麦后复种绿肥中灌水水平(W-GI2)的小麦籽粒蛋白质含量与麦后复种绿肥低灌水水平(W-GI1)之间差异不显著, 均高于其他处理, 较麦后休闲高灌水水平(WI3)增加了15.1%~35.0%, W-GI2的小麦籽粒淀粉含量、湿面筋含量均与麦后复种绿肥高灌水水平(W-GI3)差异不显著。W-G较W籽粒产量增加了7.0%~13.2%; 小麦籽粒产量随灌水水平的降低呈减少趋势, 但W-GI2小麦籽粒产量与W-GI3差异不显著, 较WI3平均增加了6.0%。W-G较W使小麦播前土壤有机质含量增加了5.6%~31.5%, 但W-GI2土壤有机质含量在20~40 cm土层与W-GI3差异不显著, 较WI3平均增加了7.8%。总之, 麦后复种绿肥较麦后休闲处理能够显著增加麦田土壤有机质含量, 使小麦在中灌水条件下获得较高籽粒产量的同时, 改善籽粒蛋白质、淀粉、湿面筋含量等品质, 可作为干旱灌区限量灌溉条件下小麦持续稳产丰产与品质优化的推荐农艺措施。

378份甘薯引进种遗传多样性及群体结构分析

苏一钧, 赵路宽, 唐芬, 戴习彬, 孙亚伟, 周志林, 刘亚菊, 曹清河

作物学报. 2023, (9):  2582-2593.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24195

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甘薯起源于中南美洲, 国外引进种不仅能够提升我国资源总量而且将会极大改变甘薯遗传基础狭窄的育种瓶颈。本文利用30对Simple sequence repeat (SSR)引物通过高通量核酸片段分析仪对378份甘薯种质资源进行基因分型, 鉴定了国家甘薯种质资源试管苗库(徐州)中的引进种种质, 分析了引进种之间的亲缘关系, 为甘薯引进种的利用和种质创新提供理论依据。利用PROSize 3.0软件读取条带, 获得01数据库, 将01数据导入Darwin软件计算Jaccard遗传距离矩阵, 利用MEGA 10对遗传距离矩阵聚类分析, 并用iTOL进行注释, 利用Structure 2.3.4对甘薯种质进行群体结构分析。结果表明, 对378份引进种进行分析, 共扩增获得120个多态性位点, 平均每对引物4个多态性位点。遗传距离矩阵结果显示种质间遗传距离最大为0.6207, 遗传距离最小为0.0448, 平均遗传距离为0.4027。利用MEGA 10进行聚类, 在遗传距离为0.2960处划分为3个类群, 类群I包含29份种质、类群II包含104份种质、类群III包含245份种质; 群体结构分析表明在ΔK=2时值最大, 划分为2个组群, 聚类与群体结构分析结果类似。组群2中, 主要以2015年以后新引进种质为主(95.4%), 表明新引进种质丰富了甘薯引进种的遗传多样性, 拓宽了原有资源库中的群体结构。本文通过SSR引物对378份甘薯引进种种质进行遗传多样性和群体结构分析, 可为甘薯种质创新、遗传育种、优异基因挖掘利用提供参考。

木薯蛋白激酶MeSnRK2.12与转录因子MebHLH1的互作鉴定及其表达分析

郁雪婷, 李可, 李梦桃, 鲍茹雪, 陈新, 王文泉

作物学报. 2023, (9):  2594-2600.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24225

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蛋白激酶SnRK2s (Sucrose Non-fermenting Related Protein Kinase 2)是植物抗逆境机制中的关键组分。木薯是全球重要的食品和工业作物, 具有高淀粉累积和耐逆境的特点。迄今对木薯MeSnRK2家族成员参与逆境下淀粉合成调控的内在机制尚不清楚。本文围绕SnRK2家族受ABA微弱诱导的成员MeSnRK2.12展开研究, 先对其进行生物信息学分析后发现其启动子区分布逆境响应元件: 干旱胁迫MBS和ABA应答ABRE等顺式作用元件, 且其氨基酸序列与AtSnRK2.8和OsSAPK1/2高度同源。ABA和PEG6000处理木薯SC8植株后发现, MeSnRK2.12可以在2 h内快速响应ABA和PEG6000处理, 其转录活性在根中被抑制; 在茎中被诱导上调, 最高值分别为对照的15.0倍和8.0倍; 在叶中也呈现上调趋势, 但程度低于茎中。亚细胞定位试验结果显示MeSnRK2.12分布于细胞质和细胞核, 利用酵母双杂交和双分子荧光互补(BiFC)试验均验证了MeSnRK2.12和转录因子MebHLH1间存在互作, 且前期研究发现MebHLH1可以上调木薯蔗糖合酶基因MeSus1的转录活性, 而蔗糖合酶的活性与植物库强直接相关。因此, 推测MeSnRK2.12不仅在木薯应对逆境胁迫中发挥具有作用, 还可能参与ABA信号介导的淀粉合成调控, 有助于木薯在逆境条件下获得相对较高的淀粉产量。