粒质量与粒形是决定水稻产量的关键因素,挖掘相关QTL(基因)对解析籽粒形成机制及指导高产育种具有重要意义。以籼稻昌恢891和粳稻02428构建的BILs群体为材料,利用高密度分子标记遗传图谱,对2个环境下的千粒质量、粒长、粒宽、粒厚和长宽比进行QTL定位研究。结合亲本开花后第5,10,15天的籽粒转录组数据,对QTL区间内的候选基因进行分析。频数分布表明,BILs群体粒质量与粒形呈现数量性状特征,适于QTL定位。在2个环境下,共检测到37个粒质量和粒形相关的QTL,包括海南三亚18个、江西南昌12个,以及两地共同检测到7个。全部QTL分布于水稻第1~5,7,8,11和12号染色体上,其中千粒质量相关7个、粒长相关5个、粒宽相关7个、长宽比相关11个、粒厚相关7个。分析表明,这些QTL的LOD值为2.79~43.10,贡献率为1.36%~46.12%。结合昌恢891和02428开花后第5,10,15天籽粒中差异表达的基因,在37个QTL中共获得28个候选基因,其中,LOC_Os11g10480和LOC_Os11g10100作为重点候选基因,将进行后续深入研究。

香稻种质资源的筛选和香味基因的快速鉴定与利用对香稻遗传育种具有重要意义。为了明确黑龙江省香稻材料的香味类型,提高香稻品种的育种效率,通过对黑龙江省审定推广的180个香稻品种的Badh2基因进行了测序,测序结果共分为2种突变类型,第一种类型为第7外显子8 bp缺失和3处碱基替换(Badh2-E7型),包含177个品种;第二种类型为第2外显子7 bp缺失(Badh2-E2型),仅包含3个品种。针对这2个突变类型设计了2个特异性KASP分子标记,通过180份香稻品种鉴定,分型结果与测序结果一致,同时分别利用五优稻4号(Badh2-E7型香稻)/唯农101(普通粳稻)、松科粳134(Badh2-E2型香稻)/东富114(普通粳稻)杂交构建的2个F₂群体进行了香味基因筛选鉴定,鉴定结果吻合率为100%,验证了KASP分子标记的准确性。进一步利用KASP标记对实验室自行创制、收集的620份粳稻亲本进行了鉴定,共筛选出248份Badh2-E7型香稻材料,同时对现有的1 220份以E7型香稻为亲本的F₇材料进行了分型检测,其中293份材料为香型、906份材料为非香型、21份材料为杂合型;随机抽取香和非香各5份材料进行测序验证,结果验证该KASP分子标记分型正确。为利用分子标记辅助选择方法培育寒地香稻新品种提供了新标记和新材料。

为了分析酸性土壤对海南绿橙生长代谢和光合作用的影响,并探究其在酸胁迫下的抗氧化调控机制,通过盆栽试验,研究海南绿橙在酸胁迫下的生理代谢变化、抗氧化反应以及关键抗氧化酶调控基因的表达特征。结果表明,强酸性土壤环境下,植株的株高增长量、叶面积与绿橙植株的鲜质量显著下降,其中以pH值 3.5处理的影响最为严重;弱酸性(pH值 6.5)的土壤能够促进植株的生长,表现为各生长指标量的正增长。强酸处理严重影响了绿橙叶片的光合作用和正常的生长代谢,表现为蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)值的下降。pH值3.5酸胁迫24 h后,超氧化物歧化酶(SOD)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性分别提升6.60,5.90倍;pH值 3.5处理下,叶片丙二醛(MDA)含量较0 h增加6.47倍,显著高于pH值 6.5处理。主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)表明,酶活性变化与生理生化指标呈显著负相关(R²=0.82);基因表达分析显示,pH值3.5酸胁迫后24,48 h,CsSOD与CsPAL表达量分别达峰值,较0 h分别增加2.33,2.64倍,72 h内持续上调。强酸性土壤通过降低光合色素含量及代谢效率抑制绿橙生长发育;SOD与PAL为响应酸胁迫的关键抗氧化酶,CsSOD和CsPAL基因通过动态调控酶活性抵御酸胁迫。

为明确强筋小麦产量、品质协同提高的适宜播期和播量,以强筋小麦品种科兴3302为试验材料,分别设置2个播期(10月18日(S1)和10月28日(S2))和5个密度(基本苗分别为180×10⁴株/hm²(D180)、225×10⁴株/hm²(D225)、270×10⁴株/hm²(D270)、315×10⁴ 株/hm²(D315)、375×10⁴株/hm²(D375)),于2021—2023年进行大田试验,研究播期和种植密度对小麦植株生理指标、产量及品质的影响。结果表明,小麦叶片叶绿素相对含量(SPAD)随种植密度增加总体呈降低趋势,且多数生育时期在低密度处理下达最大值,随播期推迟,叶片叶绿素相对含量呈上升趋势,表现为S1播期低于S2播期。随着种植密度的增加,归一化植被指数(NDVI)总体呈上升趋势,相较于 S1 播期,S2 播期的 NDVI 值显著降低。穗数与籽粒产量随播期推迟呈下降趋势,随种植密度增加呈上升趋势,其中以 D375 处理下产量最高。随播期推迟,蛋白质含量和湿面筋含量总体呈略微下降趋势,但所有处理的籽粒蛋白质含量均在13.5%以上。小麦籽粒总淀粉含量在S1播期总体随密度增加而降低,在S2播期随密度增加而升高。此外,峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和稀懈值在2个播期下总体上均随密度增加而上升。面团稳定时间、吸水率等参数在不同播期和密度处理下没有明显的变化规律,但均达到强筋小麦标准。综上,在播期S1下,科兴3302种植密度在315×10⁴~375×10⁴株/hm²可实现优质高产。

为探明长期施肥对双季晚稻产量形成的影响及其生理调控机制,基于进贤红壤稻田化肥长期定位试验(1981年设),选取不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK)、两倍氮磷钾肥(HNPK)、有机无机配施(NPKM)4个典型处理,比较了长期施肥后第42年双季晚稻产量、干物质积累、叶绿素动态特征、齐穗期和灌浆期叶片基因表达差异。结果表明,长期施肥下晚稻产量表现为NPKM>HNPK>NPK>CK,其中HNPK和NPKM处理显著高于NPK处理,增幅分别为29.63%,57.18%。与NPK处理相比,NPKM和HNPK处理显著改善晚稻产量构成,有效穗、穗粒数和着粒密度分别增加了16.98%~46.42%,8.68%~15.26%,3.69%~7.37%。在干物质积累方面,与NPK相比,NPKM和HNPK均显著提高了晚稻各时期干物质质量,同时促进了齐穗期至成熟期茎叶干物质向穗的转运。NPKM和HNPK处理各时期叶绿素含量均显著高于CK和NPK处理,其中NPKM处理延缓了灌浆期至成熟期叶绿素的衰减;相关分析表明,长期施肥下晚稻产量与分蘖期至齐穗期干物质积累量(△DM1)和灌浆期至成熟期干物质积累量(△DM3)呈极显著正相关,与灌浆期至成熟期叶片叶绿素减少量(△S3)呈极显著负相关。叶片转录组分析结果表明,长期施肥显著影响晚稻齐穗期、灌浆期叶片基因表达,差异表达基因主要富集于光合作用、碳代谢、氮代谢、信号转导及逆境相关的代谢途径。综上所述,长期施肥调控双季晚稻基因表达,有机无机配施改善了产量构成,促进了早期干物质积累,增强了灌浆期至成熟期茎叶干物质向穗的转运,同时,提高了晚稻各时期叶片叶绿素含量,并延缓了灌浆期后叶片的衰老,对水稻增产起到强源(提高光合生产力)、扩库(增加干物质储存容量)和畅流(促进同化物转运)的作用。

为探究秸秆隔层对盐碱地改良过程中土壤呼吸及有机碳化学结构稳定性的影响,于山东省东营市农高区盐碱地改良试验示范基地设置隔层处理S(35 cm土层处增设5 cm秸秆隔层)和对照处理CK(不设秸秆隔层)2组试验种植苜蓿。通过监测不同处理的土壤呼吸特征,并结合剖面土层土壤pH值、电导率(EC)、有机碳组分含量和化学结构特征进行综合讨论。结果表明:与CK相比,S处理显著提高了苜蓿生长期的土壤呼吸速率,增幅最高可达79.84%;S处理较CK降低了秸秆隔层(35~40 cm)及其上部(0~35 cm)土层的EC,阻导盐分上行;S处理使40~50 cm土层土壤有机碳(SOC)显著增加、颗粒有机碳(POC)和可溶性有机碳(DOC)含量极显著提升,较CK分别提升了16.67%,208.07%,83.41%。40~50 cm土层是土壤有机碳转化的关键土层,对40~50 cm土层土壤有机碳分子结构进行表征发现,S处理较CK降低了DOC中碳的不饱和度(30.60%)和芳香度(4.84%)的加权平均值,降低了DOC中不稳定态碳的占比;S处理增加了POC中烷基碳(10.32百分点)和烷氧碳(8.39百分点)的相对含量,降低了羧基碳(14.24百分点)的相对含量,使POC结构稳定性增强;然而,S处理降低了SOC的烷基碳(3.14百分点)和芳香碳(3.38百分点)占比,增加了烷氧碳(5.17百分点)和羧基碳(1.56百分点)占比,难降解碳比例下降和易降解碳比例上升,使SOC的结构稳定性降低。由相关性分析可知,土壤呼吸的显著增加与关键土层POC和SOC含量分别呈极显著和显著正相关关系,而SOC化学组成中的烷氧碳(易降解碳组分)的增加,使有机碳稳定性降低,是导致土壤呼吸升高的主要原因。综上,增设秸秆隔层在短期内显著提高了土壤呼吸,这与关键土层有机碳化学结构稳定性的降低密切相关,在未来“碳中和”策略下应考虑隔层材料的筛选研究及其长期效应。

苏云金芽孢杆菌(Bt)能够产生多种杀虫蛋白,是重要的生防资源。为了发掘对鳞翅目害虫高毒力的Bt菌株,缓解害虫抗性压力并扩大资源储备,以河北地区土壤样品中分离的109株Bt菌株为研究对象,通过油镜观察伴孢晶体形状,利用40对通用引物(包括cry、cyt、vip 3种基因型)PCR鉴定所有菌株的基因型。以小菜蛾、斜纹夜蛾等5种鳞翅目害虫为靶标,筛选高杀虫活性菌株,并利用SDS-PAGE分析其晶体蛋白。结果表明,伴孢晶体形状主要是圆球形(90株),少部分为菱形(19株)。杀虫蛋白基因型检出率为93.6%,主要包括29种不同的cry基因型、1种cyt基因型以及3种vip基因型,91株具有至少2种杀虫蛋白基因型的组合,其中26株含有6种以上,多为cry+vip型。室内生测发现19株对小菜蛾等多种鳞翅目害虫的高毒力菌株,主要表达130,65 ku的蛋白,包含杀鳞翅目的cry1类、cry2类、cry15类等基因型,与PCR鉴定结果一致。获得了对鳞翅目害虫广谱、高毒力的Bt菌株,并初步明确了其杀虫基因,对新型Bt产品的开发具有重要意义。

为了探究牦牛Ras相关核蛋白基因(RAN)的结构及生物学功能,解析该基因如何调控牦牛体内细胞增殖和参与蛋白质的合成,以桑桑牦牛肾脏组织cDNA为模板使用RT-PCR技术克隆桑桑牦牛RAN基因CDS区序列,使用多种软件及在线工具对其进行生物信息学分析,并使用qPCR技术检测RAN基因在桑桑牦牛7个组织中的表达情况。结果表明,桑桑牦牛RAN基因CDS区全长651 bp,编码216个氨基酸;通过同源性比对,发现桑桑牦牛与野牦牛和瘤牛之间的亲缘关系最近,相似度达99.2%,与鸡的最远,为86.6%;RAN蛋白分析预测结果显示,该蛋白分子质量24.423 11 ku,理论等电点为7.01,其原子总数为3 449,分子组成为C₁₁₀₉H₁₇₂₅N₂₉₅O₃₁₃S₇。RAN蛋白不存在跨膜结构且无N-糖基化潜在位点,其存在36个磷酸化位点。预测其亲、疏水性及计算不稳定系数,发现该蛋白为稳定型亲水性蛋白。根据亚细胞定位发现,该蛋白存在于牦牛细胞中的高尔基体、线粒体、细胞核和细胞质中;通过预测RAN蛋白结构发现,其高级结构以α-螺旋为主,不包含β-转角。蛋白互作网络结果显示,桑桑牦牛RAN蛋白与RAN结合蛋白1(RANBP1)、RAN结合蛋白2(RANBP2)、RANGTPase激活蛋白1(RANGAP1)等蛋白存在互作关系,其相互间也存在互作关系。RT-qPCR结果显示,桑桑牦牛睾丸组织中RAN基因表达量显著高于其他组织,而在肌肉组织中未检测到表达。综上成功克隆了RAN基因CDS区,并完成其生物信息学分析,同时还研究了该基因在桑桑牦牛组织中的表达情况,发现其在生殖系统的发育、细胞增殖、疾病的预防与控制和参与蛋白质合成等方面发挥重要作用。

为探索副猪格拉瑟菌Lon基因的生物学功能及其对该菌致病力的影响,利用重叠 PCR法扩增得到包含Lon基因上下游同源臂及卡那霉素抗性基因筛选标记的融合基因片段,构建包含该基因片段的重组自杀质粒pToPo-LR-Kana;采用自然转化法将 pToPo-LR-Kana转化至亲本菌株ZJ1208中,通过卡那霉素抗性筛选、PCR和测序鉴定Lon基因缺失菌株ZJ1208-ΔLon;通过生长速率测定、透射电镜观察、抗应激试验、紫外抗性试验、血清抗性试验、生物膜试验、荚膜多糖含量测定以及小鼠毒力试验等对比了野毒株ZJ1208与基因缺失株ZJ1208-ΔLon之间的差异。结果显示,成功获得了Lon基因缺失株 ZJ1208-ΔLon,该基因缺失株菌体明显变长,但与 ZJ1208野毒株生长速度和外膜囊泡数量相似;ZJ1208-ΔLon对渗透压应激、氧化应激及热应激耐受能力明显下降,且对紫外线的抗逆性明显下降;和亲本菌株 ZJ1208相比,ZJ1208-ΔLon的生物膜形成能力相似,荚膜多糖含量升高,但血清抗性显著降低,对小鼠的致死能力显著降低。这表明Lon基因在调节副猪格拉瑟菌多种关键生物功能方面起着极为关键的作用,为进一步解析 Lon基因在副猪格拉瑟菌中的生物学功能提供新的信息。

OFP是一类植物特有的转录因子,在调控植物器官形态建成和响应非生物胁迫等过程发挥重要作用。为了研究大豆OFP转录因子家族成员特征及其在干旱胁迫和盐胁迫中的作用,运用生物信息学方法对大豆OFP家族成员进行鉴定和分析。结果表明:在大豆中共鉴定到41个GmOFP基因,命名为GmOFP-1~GmOFP-41;这些基因不均匀地分布在大豆19条染色体上,编码152~414个氨基酸;亚细胞定位预测大豆OFP蛋白主要定位在细胞核、叶绿体、线粒体中;在大豆OFP蛋白中共鉴定到10个保守基序,其中保守基序1和2存在于所有OFP成员中;系统发育分析将大豆和拟南芥OFP蛋白分为5个亚家族Class Ⅰ~Class Ⅴ,其中大豆OFP家族基因主要分布在Class Ⅰ和Class Ⅲ中;共线性分析发现,大豆基因组OFP成员中有75对基因存在共线性关系,4对基因存在串联重复,仅有2个基因GmOFP-2和GmOFP-39没有共线性关系,表明基因片段复制是导致大豆OFP家族成员增多的主要原因。通过qRT-PCR方法分析了GmOFP基因家族成员在干旱胁迫和盐胁迫处理下的表达模式,结果表明:与对照相比,41个GmOFP基因中有16个GmOFP成员在干旱处理后基因表达水平表现出显著差异,其中GmOFP-15、GmOFP-17、GmOFP-32显著上调表达,GmOFP-4、GmOFP-5、GmOFP-6、GmOFP-9、GmOFP-12、GmOFP-21、GmOFP-23、GmOFP-25、GmOFP-26、GmOFP-27、GmOFP-38、GmOFP-39、GmOFP-40显著下调表达;有8个GmOFP成员在盐处理后基因表达水平表现出显著差异,其中GmOFP-7、GmOFP-14、GmOFP-31、GmOFP-32、GmOFP-36、GmOFP-40显著上调表达,GmOFP-1、GmOFP-15显著下调表达。综上所述,大豆OFP基因家族在应对干旱胁迫和盐胁迫中可能具有重要功能。

为解析花生荚果响应水分胁迫的分子机制,利用盆栽试验并结合转录组学分析,以正常供水处理为对照,系统探究了花针期阶段性干旱和渍涝胁迫对花生产量、品质及基因表达的影响。结果表明,干旱和渍涝胁迫均显著降低花生荚果产量(降幅分别为26.43%和77.69%)及籽仁粗脂肪含量(降幅分别为9.46, 6.71百分点)。转录组分析进一步表明,干旱胁迫组与对照组、渍涝胁迫组与对照组分别鉴定出1 525,1 382个差异表达基因,且两类差异表达基因均以表达下调为主,其中,干旱胁迫抑制了花生荚果中与脂质和脂肪酸代谢相关的6个关键代谢过程,其中88.38%的基因表达呈下调趋势,揭示了脂质代谢紊乱可能是干旱导致花生产量和品质下降的主要原因。渍涝胁迫则主要通过下调催化活性、跨膜运输、氧化还原及次生代谢物的生物合成等相关基因的表达,干扰荚果的代谢与防御功能。此外,KEGG富集分析结果显示,代谢途径和次生代谢物生物合成通路在2种水分胁迫下均受到显著影响。关键基因qRT-PCR验证结果与RNA-seq数据一致,证实了转录组结果的可靠性。综上,从转录组层面阐明了花生荚果响应水分胁迫的分子基础,明确脂质代谢紊乱是干旱胁迫导致花生产量下降、品质变劣的主要原因,而花生主要通过调控荚果中氧化还原及代谢相关通路基因的表达,以应对渍涝胁迫带来的不利影响。

为了探究北方寒旱区白菜型油菜与甘蓝型油菜的越冬率、产量差异,各农艺性状与平均产量之间的相关关系与抗寒优势性状,以45个甘蓝型油菜与22个白菜型油菜品种为研究对象,统计分析了甘蓝型油菜与白菜型油菜的越冬率、平均产量与各农艺性状,挑选并统计了产量水平相近的甘蓝型油菜与白菜型油菜在不同密度种植条件下的产量,比对了甘蓝型油菜与白菜型油菜苗期根系性状的差异。结果表明:67个油菜品种中,白菜型油菜的越冬率平均水平(97.59%)显著高于甘蓝型油菜(65.87%),甘蓝型油菜的产量潜力要高于白菜型油菜。对于能够稳定越冬的白菜型油菜,增加播种密度虽然显著提高了有效株数,但是不能提高产量;而对于甘蓝型油菜,其较低的越冬率限制了有效株数的提高,从而限制了平均产量。目前具有高越冬率的甘蓝型油菜品种越冬后表现出更高分枝部位与结角密度,更少二次分枝数、总分枝数与单株有效角果数的农艺性状。甘蓝型油菜与白菜型油菜根系性状之间的对比显示,膨大的根系、短下胚轴及生长点位于地面以下,是白菜型油菜强抗寒性的优势性状。培育具有白菜型油菜根系性状特点、生长点位于地面以下的耐密甘蓝型油菜,是提高甘蓝型油菜越冬率,促进油菜产量提升,确保油料供给的重要育种方向。