为解析小麦低温胁迫应答机制并挖掘优异抗寒基因资源,通过转录组测序揭示小麦低温响应的关键调控网络,并对候选基因TaGGCT18-6A进行功能验证。结果表明,4 ℃冷处理诱导小麦幼苗分别产生10 893个(6 h处理)和18 784个(24 h处理)差异表达基因,KEGG富集分析显示,差异基因显著富集于MAPK信号转导及谷胱甘肽代谢等通路。基于谷胱甘肽代谢途径关键基因筛选,克隆获得γ-谷氨酰环转移酶基因TaGGCT18-6A。该基因全长1 772 bp,编码218个氨基酸,其编码蛋白具有典型的GGCT-like超家族结构域及核心结构域ChaC。启动子顺式作用元件分析表明,该基因含低温响应元件(LTR)及脱水响应元件(DRE)等胁迫相关元件;表达模式分析发现,TaGGCT18-6A在4 ℃冷处理下呈持续上调趋势。转基因水稻功能验证表明,过表达株系在-4 ℃低温冻害胁迫下相较野生型对照,OE#1、OE#2和OE#3存活率与生物量显著提高,OE#1和OE#2的株高显著提高,OE#1、OE#2和OE#3相对电导率显著降低。经4 ℃冷处理后,过表达株系渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖)积累量较对照显著增加,丙二醛含量降低;SOD、POD和CAT活性显著上升。以上研究表明,TaGGCT18-6A通过调控谷胱甘肽代谢增强抗氧化能力,进而提高植物低温耐受性,为小麦抗寒分子育种提供理论依据和优异基因资源。

为了明晰甘蓝型油菜油脂积累的调控网络,选育高含油量油菜品种。以4个油菜自交系材料开花后25,35,45 d的种子转录组数据为样本,基于转录组和关联分析结合挖掘影响含油量的候选基因。转录组分析检测到1 530个基因在3个不同时期都存在差异表达,其中包括986个上调表达基因和544个下调表达基因。对这些差异表达基因进行GO富集分析,检测到83个油脂合成基因,79个油脂降解基因,21个油脂转运基因和80个转录因子。对差异表达转录因子进一步分析,检测到BnTT8、BnGL2、BnNAC082等基因。结合50份重测序甘蓝型油菜在2 a 3个不同区域的含油量表型,利用全基因组关联分析(GWAS)检测到BnNAC082-A03基因外显子区域的4个SNP与含油量显著关联,并检测到该基因区域存在2个单体型等位基因且BnNAC082-A03_Hap1对应材料的含油量显著高于BnNAC082-A03_Hap2对应材料。利用分析获得的转录组数据构建共表达网络,在子网络中检测到BnNAC082-A03与BnTT8-A09和BnGL2-C06直接相连,形成了影响种子油脂积累的潜在分子调控网络。

为解决西辽河平原盐碱地耕层较浅、犁底层上移、土壤盐碱化等问题,于2020—2021年在内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼中旗花吐古拉镇开展田间试验。设置2种耕作方式(传统旋耕与粉垄耕作)、2个灌溉定额(2 100,2 700 m³/hm²)以及覆膜与浅埋措施,共6组试验处理,分别为2 100 m³/hm²灌溉定额+传统旋耕+浅埋(CK×NM)、2 100 m³/hm²灌溉定额+传统旋耕+覆膜(CK×DM)、2 100 m³/hm²灌溉定额+粉垄耕作+浅埋(FA×NM)、2 100 m³/hm²灌溉定额+粉垄耕作+覆膜(FA×DM)、2 700 m³/hm²灌溉定额+粉垄耕作+浅埋(FB×NM)、2 700 m³/hm²灌溉定额+粉垄耕作+覆膜(FB×DM)。分析不同灌溉定额下粉垄耕作与覆膜处理对0~40 cm土层土壤性质结构、盐碱含量和玉米产量的影响。结果表明,相较于CK×NM处理,在0~40 cm土层,粉垄耕作+覆膜处理的土壤容重降低8.4%~22.9%、土壤总孔隙度提高4.9~14.8百分点、土壤三相比R值降低34.6%~88.2%,其中,FB×DM处理的土壤容重、总孔隙度、三相比R值分别显著降低20.0%,-13.1百分点和88.2%;20~40 cm土层播种后土壤含水量提高5.5~12.1百分点,7.5~17.5 cm土层的土壤硬度提高33.4%~397.5%,其中,FB×DM处理的土壤含水量、硬度分别显著提高12.1百分点,214.3%;FB×DM处理CO₂通量显著提高496.4%。相较于CK×NM处理,粉垄耕作+覆膜处理降低0~40 cm土层土壤pH值、总碱度、电导率和全盐量,降低幅度分别为0.7%~10.9%,2.5%~67.5%,24.3%~68.7%和10.3%~81.0%。其中,FB×DM处理的土壤pH值、总碱度、电导率和全盐量分别显著降低10.9%,48.2%,59.2%和80.0%。玉米出苗率、穗鲜质量和产量较CK×NM处理分别提高13.2~20.1百分点,52.5%~68.2%和22.4%~45.5%,其中,FB×DM处理的出苗率、穗鲜质量和产量分别显著提高20.1百分点,68.2%和45.5%。综合改良效果和玉米产量考虑,认为2 700 m³/hm²灌溉定额下粉垄耕作+覆膜处理(FB×DM)为西辽河平原盐碱地较为适宜的耕作模式。

为探究播期推迟对小麦生长发育、籽粒产量和品质性状的影响,采用豫农907(YN907)和豫农922(YN922)2个高产优质小麦新品种,设置10月22日(S1,常规播期)、10月31日(S2,迟播9 d)和11月9日(S3,迟播18 d)3个播期,研究迟播对小麦物候期、籽粒产量和面粉品质性状的影响,分析迟播条件下温度特征与小麦产量及品质性状的关系。结果表明,与常规播期相比,YN907和YN922两年度全生育期随播期推迟而缩短,冬前积温、抽穗前日均温及有效积温随播期推迟递减,而抽穗后日均温及有效积温递增,全生育期有效积温呈下降趋势。YN907和YN922在S3处理下两年度全生育期有效积温较S1处理分别降低243.95,222.10 ℃·d(2022—2023),136.30,189.40 ℃·d(2023—2024);产量及构成要素随迟播呈下降趋势,产量降幅达6.45%~17.26%;与常规播期相比,迟播条件下湿面筋含量、蛋白质含量有所提升。气候变暖和农业经营规模化背景下小麦生产中可以利用调整播期以适应温度变化和生产经营模式变革,小麦新品种豫农907和豫农922在10月22日播种产量水平最高,播期推迟至10月31日能维持较高产量水平同时提高籽粒蛋白质含量,播期继续推迟,籽粒蛋白质含量显著提高但会造成产量显著降低。

为研究不同施氮量对水稻产量、吸氮量、土壤肥力情况的影响,以水稻品种富源4号为试材,在2021—2023年研究不同施氮水平对引黄灌区水稻产量和氮肥利用效率及土壤耕层肥力的影响。施氮360 kg/hm²处理较其他处理产量有显著增加,平均产量9.4 t/hm²,较不施氮处理增加182.94%,较施氮210,240 kg/hm²产量增加40.72%,26.34%。从产量构成因子来看,产量增加主要是穗粒数及有效穗数增加,过量施氮会造成千粒质量降低。对3 a结果进行平均,氮肥利用率以施氮240 kg/hm²处理最高达26.93%,氮肥偏生产力随着施氮量增加而降低。各处理有机质以施氮210 kg/hm²处理平均值最高为18.60 g/kg。各施氮处理较不施氮处理土壤全氮含量增加7.61%~15.67%,随着试验年份增加,施氮360 kg/hm²处理土壤全氮含量降低。施氮360 kg/hm²处理土壤全磷含量逐渐降低,其他施氮处理维持在0.85 g/kg左右。施氮处理随着施氮量增加,全钾含量逐渐降低,施氮360 kg/hm²处理较施氮120,210,240 kg/hm²处理分别降低23.74%,22.16%,8.85%。 土壤速效磷随试验年限呈上升趋势,各处理间随时间变化幅度增加,随着施氮量增加呈先升高后降低趋势,施氮240 kg/hm²处理在2023年较其他处理土壤速效磷显著增加。各处理土壤速效钾随试验年限变化不明显。综合考虑作物产量、氮肥利用率和土壤肥力,施氮240 kg/hm²可平衡环境和生产要求。

为探明有机肥部分替代化肥对青东黄土高原土壤碳氮磷生态化学计量特征的影响,利用2022年建立的有机肥部分替代化肥马铃薯(青薯9号)连作田间定位试验,研究了有机肥部分替代化肥对青东黄土高原马铃薯农田土壤生态化学计量特征的影响,试验共设置不施肥(CK)、100%化肥(T1)、30%有机肥+70%化肥(T2)、50%有机肥+50%化肥(T3)、70%有机肥+30%化肥(T4)5个处理,测定土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷含量及土壤-微生物量生态化学计量学特征。结果表明,相比2022年,2023年各施肥处理的土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷含量均表现为增加趋势,而不施肥处理则呈降低趋势。不同土层间,各指标含量均随土层深度增加而逐渐降低。不同处理间,按各指标含量高低排序均为T3>T4>T2>T1>CK。在0~30 cm土层,T3处理下土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷含量比CK平均分别提高6.88%,17.65%,17.88%,84.71%,77.01%,65.67%,80.07%,54.91%。而各土层的土壤C∶N和C∶P均为CK处理最高。在4种施肥处理中,土壤C∶N、微生物量C∶N和C∶P均表现为T3处理最低;除2023年0~10 cm土层外,各土层土壤C∶P也表现为T3最低,而T1处理微生物量N∶P在所有施肥处理中最低。随土层加深土壤C∶N和C∶P呈升高趋势。相关性分析表明,有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷相互之间均呈极显著正相关关系。综上,有机肥替代化肥不仅能够提高土壤养分和土壤微生物量含量,还能使土壤生态化学计量学特征产生改变,且以50%有机肥+50%化肥配施处理效果最好。

探究马铃薯基因StEXLB1a的表达模式和功能,为后续马铃薯病害的抗性研究提供理论依据。在东北农业大学植物资源与分子生物学实验室前期研究基础上,以马铃薯大西洋品种为材料,克隆了StEXLB1a基因并对其进行了生物信息学、表达模式和抗病功能初步分析。结果表明:StEXLB1a基因cDNA全长序列768 bp,编码255个氨基酸,注释显示其属于扩展蛋白家族基因。亚细胞定位显示,该蛋白定位于细胞壁上。在马铃薯不同组织中,StEXLB1a基因在叶中表达量最高,根和地上茎其次,在花和块茎中最低。在激素(吲哚乙酸、赤霉素、脱落酸)、逆境(高温、低温、盐、干旱)和真菌病害干腐病(燕麦镰孢菌)、细菌病害软腐病(胡萝卜软腐欧文氏菌)及青枯病(茄科雷尔氏菌)等多种胁迫处理下,StEXLB1a基因的表达量在各个处理中均有显著变化。获得过表达转基因马铃薯植株后,接种干腐病致病菌燕麦镰孢菌,转基因比野生型植株叶片受到病菌的侵染严重。过表达植株中的活性氧清除系统相关酶活性发生显著变化,POD、SOD活性受到抑制,MDA含量高于野生型植株,植株受损程度加重。分析结果表明,过表达StEXLB1a的转基因马铃薯植株相较野生型对干腐病的抗病性下降。

过氧化氢酶(CAT)在植物抵抗外界生物胁迫中发挥着重要作用。为了探究StCAT1与StCAT3基因在马铃薯抗早疫病菌侵染过程中的作用,通过RT-PCR方法克隆得到了StCAT1与StCAT3的cDNA,测序结果表明,这2个基因的全长均为1 479 bp,均编码493个氨基酸。通过构建系统发育树发现,StCAT1与番茄的SlCAT1有高度同源性,StCAT3与番茄SlCAT3还有彭氏番茄的SpCAT3有高度同源性。茄链格孢侵染马铃薯6 d后,StCAT1显著上调约3.9倍,StCAT3显著上调约8.7倍。进一步构建了StCAT1与StCAT3共沉默载体,利用VIGS技术对StCAT1与StCAT3进行瞬时共沉默,利用qRT-PCR筛选获得了StCAT1与StCAT3有效共沉默马铃薯株系VIGS-3。对马铃薯沉默株系接种早疫病菌,沉默株系的叶片病斑面积显著大于对照组,其与对照组相比增大42%,表明StCAT1与StCAT3共沉默后可降低马铃薯植株的早疫病抗性。同时,利用DAB染色法测定了共沉默株系叶片的H₂O₂水平,发现沉默株系的H₂O₂含量显著高于对照组,共沉默株系叶片的DAB染色强度是对照组的3.8倍。上述结果表明,StCAT1与StCAT3可通过调节H₂O₂水平介导马铃薯对早疫病的抗性,为揭示StCAT1与StCAT3在马铃薯抗早疫病中的分子调控机制奠定理论基础。

为探讨STAT3基因单核苷酸多态性与绵羊泌乳性状的关联性,选择414只泌乳期奶绵羊为试验对象,用RT-qPCR技术检测STAT3基因在乳腺等7个组织中的表达,用Sanger测序技术检测STAT3基因单核苷酸多态性,用五引物扩增受阻突变体系(PARMS)技术对其进行分型,并分析该基因核苷酸序列变异对绵羊泌乳性状的影响。RT-qPCR结果发现,STAT3基因在肺脏中表达量最高,肝脏和乳腺组织次之,脾脏中最低。在绵羊STAT3基因中共鉴定到c.22+537 C/T、c.22+658 C/T、c.318+126 C/G、c.417+360 G/A和c.417+395 T/C 5个新的SNPs,每个SNPs位点均检测到3种基因型。相关性分析发现,c.318+126 C/G位点处的CC型个体的乳脂率高于GG型个体,c.22+537 C/T位点处的CC型、c.22+658 C/T位点处的CC型、c.417+360 G/A位点处的GG型以及c.417+395 T/C位点处的TT型个体均具有较高的乳脂率和干物质含量。单倍型组合H1H7对乳脂率、干物质含量以及灰分含量有显著正效应,H1H2个体的日均泌乳量比H1H7提高了0.266 kg。综上,筛选到5个STAT3基因的核苷酸变异位点,可为奶绵羊泌乳性状的分子选种提供理论依据。

IQM基因家族是Ca²⁺不依赖型钙调素结合蛋白中的重要成员,在植物生长发育以及多种胁迫反应中发挥着重要作用。为了研究玉米IQM基因家族的特征及潜在功能,采用生物信息学的方法在玉米全基因组中鉴定IQM基因,并对其蛋白性质、系统进化关系、基因结构、染色体位置、基因复制、顺式作用元件、组织特异性表达和多种胁迫下表达模式进行研究。结果表明,在玉米全基因组中共鉴定出11个ZmIQMs基因,根据其在染色体上的位置,将其命名为ZmIQM1~ZmIQM11。ZmIQMs基因分为3个亚家族,亚家族内部基因结构具有相似性,片段复制在玉米IQM基因家族扩增和进化中发挥主要作用。顺式作用元件分析发现,ZmIQMs基因启动子区含有多个与激素和胁迫响应相关的元件。对ZmIQMs基因的表达模式进行研究,发现ZmIQMs基因在不同组织中的表达模式不同,在不同非生物和生物胁迫下,多个ZmIQMs基因表达量发生变化。qRT-PCR结果显示,在干旱胁迫下,ZmIQM3、ZmIQM4和ZmIQM10上调表达;ZmIQM3、ZmIQM4、ZmIQM5、ZmIQM10和ZmIQM11响应小斑病病原菌的侵染。以上结果表明,ZmIQMs基因在胁迫响应中发挥着重要作用。

泛素化途径是植物响应干旱胁迫的关键信号途径之一。为明确E3泛素连接酶TaSINA101基因响应干旱胁迫的生物学功能,以小麦抗旱优异品种晋麦47为材料,克隆TaSINA61、TaSINA101和TaSINA105基因,利用生物信息学手段分析其序列特征,通过qRT-PCR检测3个基因在PEG-6000、NaCl、低温和ABA处理下小麦根和叶中表达量的变化。通过转基因水稻异源表达TaSINA101,分析TaSINA101响应干旱胁迫过程中的生物学功能。结果表明,TaSINA61、TaSINA101、TaSINA105基因均包含1个内含子和2个外显子,编码的蛋白质均由282个氨基酸组成,启动子区主要包含生长发育调控元件、激素响应元件和逆境胁迫响应元件。qRT-PCR表达分析显示,这3个基因在根和叶中均受干旱胁迫等各种非生物胁迫诱导表达。干旱胁迫处理TaSINA101转基因水稻的表型分析发现,转基因水稻株系OE-1、OE-2和OE-3叶片的鲜质量及干质量、最大根长、根系平均直径和叶片相对含水量各项指标均显著低于野生型,而转基因水稻株系OE-1、OE-2叶片相对电导率则显著高于野生型。因此,TaSINA101负调控水稻的干旱胁迫耐受性,为深入解析小麦TaSINA101基因的生物学功能提供了依据。

为改善新疆吐鲁番极端高温天气下甜瓜生长、产量和品质,探究喷施调环酸钙(PCa)对高温胁迫下甜瓜生理生长的影响,以蒸馏水(CK)和浓度为20( PCa1),50( PCa2),100( PCa3),150 mg/L( PCa4)的PCa喷施甜瓜叶片,通过对甜瓜光合作用、活性氧含量、抗氧化酶、抗氧化物质、蔓长、茎粗、产量和品质等指标的综合分析,寻找适合该地区高温胁迫下甜瓜叶面喷施PCa的最佳浓度。结果表明,随着PCa浓度增大,甜瓜各时期叶绿素a、叶绿素b、$\mathrm{O}_{2}^{-}$、H₂O₂和茎粗逐渐升高,较CK增幅分别为9.25%~36.29%,4.25%~49.92%,21.45%~334.55%,5.36%~109.41%,2.33%~20.69%;而MDA逐渐降低,较CK降幅为7.37%~48.83%,喷施PCa提高高温胁迫下甜瓜光合作用和活性氧,降低高温对甜瓜生物膜的损害。PCa1、PCa2、PCa3处理较CK提高高温胁迫下甜瓜可溶性蛋白、可溶性糖、PRO、SOD、POD、AsA、GSH、产量、果实可溶性固形物和果实可溶性糖含量,且3个处理各指标综合比较以PCa2处理较好,喷施适宜浓度的PCa显著提高高温胁迫下甜瓜渗透调节物质、抗氧化酶、抗氧化物质及产量品质,提高了甜瓜耐热能力并实现甜瓜增产提质;PCa4处理虽提高甜瓜产量,但却降低了果实可溶性固形物和果实可溶性糖含量,高浓度PCa延迟了甜瓜生长,影响收获时甜瓜品质。因此,生产中PCa2处理是实现高温胁迫下甜瓜耐热增产提质的最佳处理,建议该地区喷施PCa的最适浓度为50 mg/L。