捕光叶绿素a/b结合蛋白在植物光合进程及非生物胁迫响应中发挥着重要的作用。为了研究陆地棉GhLhcb2A1基因特征、表达特性以及在低温和干旱响应中的功能,以冀棉262叶片cDNA为模板进行PCR扩增,获得了GhLhcb2A1基因的CDS全长,通过生物信息学分析了基因及其编码蛋白的基本特征,利用qRT-PCR技术检测了基因的组织表达特性以及低温和干旱响应表达模式,采用病毒诱导的基因沉默技术验证了GhLhcb2A1基因在低温和干旱响应中的功能。研究结果表明,GhLhcb2A1基因CDS全长为798 bp,编码265个氨基酸。GhLhcb2A1在叶片中高表达,在低温和干旱处理的叶片和根中显著上调表达,并在低温和干旱处理3 h的叶片中达到最大值,分别是对照叶片中的17.42,30.03倍,在低温处理6 h和干旱处理12 h的根中达到最大值,分别是对照根中的11.65,65.04倍。亚细胞定位结果表明,GhLhcb2A1蛋白在细胞叶绿体中表达。GhLhcb2A1基因沉默植株与对照植株相比,低温和干旱处理造成的植株失水干枯等表型更严重,叶片积累的丙二醛含量显著升高,脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性则显著降低,说明GhLhcb2A1基因沉默植株对低温和干旱胁迫的抵抗力降低。以上研究表明,GhLhcb2A1基因在低温和干旱响应中发挥正调控的作用。

大豆P34蛋白主要存在于种子中,其上游启动子很可能具有调控下游基因在种子中高表达的特性。为进一步研究大豆P34蛋白基因的组织表达模式及其启动子的调控活性,通过qRT-PCR方法检测大豆P34蛋白基因在大豆不同组织中的表达情况;克隆大豆P34蛋白基因5'端上游序列(GmP34P),生物信息学分析其转录起始位点和顺式元件;构建表达载体,利用农杆菌介导的叶盘法转化烟草,检测转基因烟草中GUS的表达。结果表明,P34蛋白基因在大豆种子中的表达量极显著高于根、茎、叶和花的表达量;克隆获得GmP34P序列长度为1 380 bp,预测分析表明,该序列的转录起始位点为第1 342位上的碱基A,序列中含有多种与种子高表达相关的顺式作用元件,如RY element、Skn-1 motif、2S seed protbanapa等;获得含有GmP34P启动子驱动GUS基因的植物表达载体pCAM-GmP34P;通过潮霉素、PCR及RT-PCR筛选阳性转基因植株;对pCAM-GmP34P阳性转基因烟草植株,进行qRT-PCR检测,结果显示,相对于其他组织,GUS基因在转基因烟草种子中的表达量达到极显著差异;GUS组织化学染色结果显示,GmP34P启动子能够调控下游GUS基因在种子中高表达。

土壤氮循环酶活性可作为表征土壤肥力水平和氮素转化的重要指标。为明确长期施肥对南方双季稻区稻田根际土壤氮循环酶活性的影响,依托长期(37 a)定位施肥试验田,系统分析了4种施肥处理(不施肥(CK)、单施化肥(MF)、秸秆还田+化肥(RF)和30%有机肥+70%化肥(OM))根际土壤氮循环相关酶活性以及其与土壤化学性质的相关性。结果表明:OM和RF处理较MF和CK处理显著增加了根际土壤全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮和微生物量氮含量,提高了水稻产量。OM和RF处理根际土壤脲酶和亚硝酸还原酶活性均显著高于MF和CK处理;RF处理根际土壤羟胺还原酶活性最大,分别比CK、MF和OM处理增加了21.7%,13.0%,8.7%;OM处理根际土壤蛋白酶、固氮酶、硝酸还原酶和氧化亚氮还原酶活性最大,较MF处理分别显著增加了20.0%,26.1%,426.1%,26.7%;CK处理稻田根际土壤一氧化氮还原酶活性显著高于MF、RF和OM处理。相关性分析结果表明,根际土壤硝酸还原酶、固氮酶、氧化亚氮还原酶、脲酶、蛋白酶活性与土壤全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮、微生物量氮含量以及水稻产量之间均呈极显著正相关,而根际土壤一氧化氮还原酶与土壤全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮、微生物量氮含量和水稻产量之间均呈显著或极显著负相关,表明土壤化学特性、产量与根际土壤氮循环酶活性密切相关。冗余分析(RDA)表明,第一排序轴能解释根际土壤酶活性的93.34%,土壤硝态氮、全氮和有机碳含量是驱动根际土壤氮循环酶活性变化的关键因素。因此,长期采用有机物料(有机肥和秸秆)替代部分化肥通过改善土壤化学和生物学特性,促进土壤氮循环酶活性,达到培肥稻田土壤的效果。

研究施氮量对不同烟草品种上部叶生长发育及碳氮代谢的影响,为生产优质上部烟叶提供参考。采用双因素裂区试验,研究了不同施氮水平(37.5,75.0,112.5 kg/hm²)NC89、云烟87品种上部叶农艺性状、光合特性、叶片组织结构、碳氮代谢关键酶活性及化学成分等指标。随着施氮量的增加,两品种上部叶叶长、叶宽、叶面积、单叶干质量均显著增加,移栽后115 d,高氮处理的NC89和云烟87的叶面积分别比低氮处理显著提高了63.10%,68.43%。增加施氮量提高了NC89叶绿素含量,高氮处理的叶绿素含量比低氮处理高6.67%~37.50%;增加施氮量显著提高了云烟87的净光合速率,移栽后70,80 d尤为显著。移栽后85~115 d栅栏组织、海绵组织、叶片厚度均随施氮量增加而显著增大,低氮和中氮处理的栅栏组织、海绵组织厚度在移栽后95~115 d趋于稳定,而高氮处理仍分别提高了9.82%~14.08%和10.72%~13.72%。随着施氮量的增加,两品种叶片碳含量和C/N显著降低,氮含量显著增加;两品种转化酶、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、谷氨酸合成酶活性升高,高氮处理降低了云烟87淀粉酶活性,提高了NC89淀粉酶活性,移栽后115 d,高氮处理的云烟87比中氮处理显著降低了27.53%,高氮处理的NC89比低氮和中氮处理分别显著提高了33.86%,21.74%。云烟87谷氨酰胺合成酶活性随施氮量增加显著增加,NC89则无规律变化,差异不显著。增加施氮量降低了烤后叶片还原糖和总糖含量,提高了烟碱和总氮含量。同一施氮水平下,云烟87烟碱、总氮、钾含量高于NC89,还原糖、总糖含量(除低氮水平外)及糖碱比、氮碱比低于NC89。不同烟草品种上部叶对施氮量的响应不同,增加施氮量能够促进NC89上部叶片生长发育和碳代谢,降低糖碱比、氮碱比,提高化学成分协调性,但会造成云烟87氮代谢旺盛,难以适时向碳积累代谢转变,延缓叶片衰老,造成云烟87贪青晚熟。

为了明确氮肥减量后移对黄淮海平原麦-玉两熟体系生产力的调控效应,于2020年6月至2023年6月在山东省农业科学院济南济阳试验基地设置夏玉米、冬小麦周年氮肥试验,分析了传统农户处理(F₄₀₀,周年施氮400 kg/hm²)、周年减氮10%(FN)、周年减氮20%(FH)、周年减氮30%(FL)4种氮肥处理对麦-玉两熟体系籽粒产量、地上部氮素积累特性、氮肥利用效率、收获后0~200 cm 土层土壤硝态氮积累特性的影响,为进一步优化黄淮海平原施氮制度提供依据。结果表明,氮肥后移提高了氮肥减量条件下夏玉米、冬小麦和周年总产,与F₄₀₀和FN处理相比,FL处理3 a均值分别显著提高9.2%~18.1%,13.5%~20.5%,11.1%~19.1%。氮肥后移量改善了麦-玉两熟体系各生育阶段地上部植株氮素积累强度,促进了地上部植株氮素的积累,3 a均值夏玉米季吐丝和成熟期植株氮素积累量FL较F₄₀₀、FN、FH分别显著提高5.7%~12.3%,5.0%~12.8%,籽粒氮素积累量显著提高8.2%~17.2%;冬小麦季,拔节、开花和成熟期FL与FH处理连续3 a地上部氮素积累量显著高于F₄₀₀和FN处理,3 a均值分别提高23.4%~28.1%,20.7%~26.3%,12.6%~20.8%,籽粒氮素积累量FL较F₄₀₀、FN和FH处理分别显著提高16.4%,15.0%和5.8%。优化施氮制度能够改善麦-玉两熟体系氮肥利用效率,其中,夏玉米和冬小麦氮肥吸收效率3 a均值FL较F₄₀₀、FN、FH处理分别显著提高4.8%~57.7%,32.0%~72.4%;氮肥偏生产力夏玉米FL较F₄₀₀和FN处理分别显著提高68.8%,40.4%,冬小麦季FL较F₄₀₀、FN和FH显著提高38.4%~71.8%。4种施氮处理下夏玉米、冬小麦收获后0~40 cm土层均具有较高的土壤硝态氮富集,其中夏玉米3 a均值分别占0~200 cm土层总积累量的40.0%,38.9%,44.9%,42.5%,冬小麦分别占37.3%,36.9%,46.7%,38.3%;随着种植年限的增加,夏玉米和冬小麦收获后传统农户处理(F₄₀₀)和周年减氮10%(FN)处理0~200 cm土层土壤硝态氮较试验起始时均出现了累积效应,而FL和FH施氮处理下实现了土壤硝态氮残留的相对平衡。可见,周年减氮 30%处理下通过增加氮肥后移量,改善了植株氮素积累特性,实现了夏玉米、冬小麦籽粒产量和氮素利用效率的协同提高,是实现黄淮海平原麦-玉两熟体系籽粒高产、氮肥高效和环境友好的较优施氮制度。

明确不同施氮水平对内蒙古中西部地区玉米田土壤有机氮组分及氮素利用效率的影响,为农田土壤氮素科学管理和现代农业高效可持续发展提供参考。共设置6个施氮水平,分别为N0(0 kg/hm²)、N8(120 kg/hm²)、N12(180 kg/hm²)、N16(240 kg/hm²)、N20(300 kg/hm²)、N24(360 kg/hm²),分析在玉米田播前和收获后不同土层下各施氮水平对土壤全氮、颗粒有机氮、轻组有机氮和重组有机氮含量动态变化规律以及玉米产量、氮素利用效率的影响。结果表明,随土层加深同一施氮水平下,土壤全氮、颗粒有机氮、轻组有机氮和重组有机氮含量呈下降趋势。同一土层下播前土壤全氮含量随施氮水平升高呈上升趋势;收获后N16、N20和N24处理土壤全氮含量显著高于N0、N8和N12处理。播前0~10 cm,10~20 cm,20~40 cm土层N16处理土壤颗粒有机氮含量均最高,分别为0.14,0.13,0.09 g/kg;收获后10~20 cm,20~40 cm,40~60 cm土层最高,分别为0.19,0.10,0.09 g/kg。N16处理土壤轻组有机氮含量增加量最高,为37.27%;N24处理土壤重组有机氮含量增加量最高,为7.35%,其次是N16处理,为6.84%。N16处理玉米生物产量最高,为31 443.50 kg/hm²;玉米经济产量最高,为18 526.47 kg/hm²;氮素利用效率指标随着氮肥施用水平升高而降低,N16处理下氮收获指数最高,为79.20%。综上,240 kg/hm²为内蒙古中西部地区较适宜的氮肥施用水平,在该水平下土壤氮素管理和作物产量较佳。

为了深入探究lncRNA TCONS_00143126在E.coli型奶牛乳腺炎中的表达模式及其生物学功能,采用奶牛乳腺上皮细胞的cDNA为模板,运用PCR克隆及测序技术来确认lncRNA TCONS_00143126的存在,并进行lncRNA的亚细胞定位分析、预测可能靶向的miRNA及靶基因,并通过KEGG通路富集分析探讨其在奶牛乳腺炎中的潜在作用机制。此外,采用LPS诱导bMECs以构建奶牛乳腺炎体外模型,并通过RT-qPCR技术检测lncRNA TCONS_00143126在LPS诱导bMECs 6,12,24 h的表达情况。结果表明,lncRNA TCONS_00143126是真实存在的,在LPS诱导的bMECs中的表达量显著上调,且主要分布于细胞核中。靶基因预测及KEGG富集分析结果显示,lncRNA TCONS_00143126可能通过靶向的miRNA(bta-miR-133a、bta-miR-193a-5p和bta-miR-375等)和靶基因(IFNE、SLC2A10、MEX3B)来调节JAK-STAT、mTOR和MAPK等炎症信号通路,进而在奶牛乳腺上皮细胞炎症中发挥作用。

茴香胺5(ANO5)是一种定位于肌膜和肌浆网的多通道膜蛋白,主要在肌膜修复和磷脂争夺中起作用,ANO5基因突变会导致颌骨发育不全以及各种肌肉疾病。为了探讨绵羊ANO5基因的单核苷酸多态性与脂肪沉积性状的关联性,选择健康且系谱清晰的1 005只湖羊公羔群体为研究对象,采用PCR扩增技术和KASPar分型技术对试验群体ANO5基因位点多态性进行检测,并与脂肪沉积性状进行关联分析,并利用qPCR分析ANO5基因在不同组织中的表达水平。结果表明,绵羊ANO5基因在湖羊多种组织中广泛表达,与其他组织相比,ANO5基因在心脏组织中的表达量最高。在绵羊ANO5基因第10内含子中检测到了g.58010 C>T多态位点的3种基因型CC、CT和TT。描述性统计结果表明,肾周脂肪质量与其他脂肪质量的差异最大,变异程度最高。相关分析结果表明,脂肪沉积相关性状与生长性状、饲料效率性状均呈正相关。关联分析结果表明,该多态位点与湖羊肾周脂肪质量及其相关性状呈显著关联。其中,CC基因型个体的肾周脂肪质量及其相对质量均显著低于TT基因型个体。综上所述,绵羊ANO5基因g.58010 C>T突变位点可作为湖羊肾周脂肪沉积性状的候选分子标记。

作为植物抵御多种逆境胁迫的重要调节因子,植物热激转录因子(Hsf)家族基因数目多,结构、特性和功能复杂多样。植物Hsf不仅通过直接转录调控热激蛋白和相关基因的表达,参与对多种逆境胁迫的响应和适应过程,还介导植物诸多生命活动过程。自20世纪80年代酵母Hsf被首先克隆以来,多个物种的Hsf家族被识别和研究,模式植物番茄和拟南芥Hsf研究比较早且相对深入,研究主要集中在HsfA族,B族研究较少,C族报道更少。随着全球气候变化,极端高温事件频发,已严重威胁小麦、玉米等粮食作物的产量和品质,深入研究作物耐热性机制从而挖掘功能基因、通过生物技术方法改良作物的耐热性,是抵抗高温逆境的关键。大田作物中Hsf家族数目大小不等,基因组复杂,研究起步晚。为此,植物生理与分子生物学研究室从2009年开始对作物Hsf家族基因进行研究,依据最新的基因组信息,确定了家族基因数目及核酸和蛋白质结构特性、明确了家族基因的时空表达特性及其对多种非生物逆境的响应规律。克隆获得多个基因并借助遗传转化和基因编辑技术创制转基因材料和突变体,对其耐热性以及抗逆性调控功能多层面进行了鉴定,并对下游调控机制进行了深入解析。研究不仅丰富了大田作物耐热性调控理论基础,也为作物耐热性研究和生物育种提供优异新种质。目前,关于Hsf的研究主要集中在功能鉴定和对下游基因的转录调控方面,其上游哪些组分通过何种方式介导Hsf参与耐热性调控方面的研究还缺乏证据,机制尚不清楚。基于本研究室多年来对小麦、玉米Hsf家族的研究结果,结合他人的相关研究报道,详述了近年来植物Hsf在抗逆性响应和适应过程中调控功能、机制及其主要研究进展,以期为深入阐明Hsf家族的作用及其调控网络提供理论依据,为耐热生物育种挖掘强效的基因资源和备选位点。

对多毛番茄全基因组的Dicer-like(DCL)、Argonaute(AGO)和RNA依赖性RNA聚合酶(RDR)基因家族进行生物信息学和表达模式分析,为深入研究DCL、AGO和RDR基因家族在多毛番茄响应非生物胁迫和病毒感染过程中的功能提供参考。以拟南芥DCL、AGO和RDR基因为参考序列,利用本地Perl语言和Pfam、SMART等软件检索多毛番茄LA1777基因组并确定多毛番茄DCL、AGO和RDR基因家族成员。通过ExPASy、GSDS 2.0、MEGA、Tbtools、SWISS-MODEL等工具对多毛番茄DCL、AGO和RDR家族基因进行生物信息学分析。根据非生物胁迫、番茄褪绿病毒(ToCV)处理和实时荧光定量PCR技术分析该类基因的表达模式。从多毛番茄中鉴定得到7个ShDCL、15个ShAGO和6个ShRDR基因,分别分布在第5,7,6条染色体上,其编码的蛋白与其他植物DCL、AGO和RDR结构相似,均含有该家族特有的保守结构域。系统发育分析表明,这些基因被分为4个亚组,与普通番茄之间具有较高的结构和功能相似性。ShDCL2a、ShDCL2c、ShDCL3、ShDCL4、ShAGO1b、ShAGO3、ShAGO4b、ShAGO5、ShAGO7、ShAGO10a、ShAGO10b、ShRDR1、ShRDR2、ShRDR3a、ShRDR6a和ShRDR6b在多种非生物胁迫和ToCV感染后显著上调表达,推测这些基因在非生物胁迫和病毒侵染过程中发挥着重要作用。

为探讨西瓜钙依赖蛋白激酶(CDPK)在嫁接以及非生物胁迫环境下的功能,利用RT-PCR技术从西瓜嫁接苗中克隆了ClCDPK(Cla97C01G019720)基因,对其进行了生物信息学分析。进一步根据ClCDPK序列设计带有Kpn Ⅰ和Sal Ⅰ酶切位点的特异引物,进行扩增,双酶切后与pCAMBIA1300连接,成功构建目标基因的表达载体pCAMBIA1300-35S-ClCDPK。利用 RT-qPCR 技术,测定ClCDPK在自根苗(ZG)与嫁接苗(JJ)分别遭受盐、干旱胁迫后的基因表达量。结果表明,ClCDPK基因ORF为1 647 bp,编码548个氨基酸。其蛋白存在STKc_CAMK和FRQ1功能结构域,为亲水性蛋白,亚细胞定位预测该蛋白位于细胞核,对ClCDPK与其他6种植物的CDPK进行进化树分析发现,其与葫芦科甜瓜、南瓜的CDPK亲缘关系较近,蛋白序列同源比对超过92.64%,具有较高的同源性。RT-qPCR表达结果显示,ClCDPK在嫁接苗表达量显著高于自根苗,随着胁迫时间的持续,嫁接苗和自根苗的ClCDPK表达量先升后降,并且同一胁迫处理下,嫁接苗的ClCDPK表达量高于自根苗。试验表明,ClCDPK正响应盐和干旱胁迫,并且嫁接苗抵御胁迫的能力高于自根苗。推测ClCDPK是西瓜响应嫁接的关键因子之一,从而提高了西瓜嫁接苗的抗盐抗旱能力。

为研究不同冬播期下强冬性/春性甘蓝型油菜萌动种子和花期不遇的问题,以甘肃农业大学提供的2个强冬性甘蓝型油菜和2个春性甘蓝型油菜为材料,于2022年10月至2023年8月在甘肃农业大学试验田进行试验。于2022年10月11日进行冬性油菜秋播,于2022年12月10日开始每隔20 d进行冬性/春性油菜冬播,于2023年2月8日结束冬播。记录开花期,对各冬播播期下冬性/春性油菜萌动种子每隔20 d进行取样,测定其生理生化并对其春化基因(FLC、VRN2、FRI、FT)的表达特性进行分析。结果显示,冬播时冬性/春性甘蓝型油菜花期相差22~34 d;秋播(10月上旬)冬性油菜与春播(3月上旬)春性油菜花期相差4~7 d;秋播(10月11日)冬性油菜与冬播(12月10日、12月30日、1月19日、2月8日)的春性油菜开花时间接近,且花期重叠时间长达15~20 d。随着播期的推迟,冬播油菜萌动种子中FLC、FRI、FT基因相对表达量下调;VRN2基因相对表达量在春化前期下调,春化后期上调。萌动种子中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性,可溶性蛋白(SP)、赤霉素(GA3)、水杨酸(SA)含量在春化前期上升,春化后期下降;随着春化时间增加,油菜萌动种子丙二醛(MDA)、脱落酸(ABA)含量呈上升趋势。