高通量组学技术的快速发展使生命科学进入大数据时代。科学家们从基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等多组学数据中剥茧抽丝, 逐步揭示生物体内复杂而巧妙的调控网络。近日, 华中农业大学李林课题组联合杨芳课题组和严建兵课题组构建了玉米(Zea mays)首个多组学整合网络。该网络包括3万个玉米基因在三维基因组水平、转录水平、翻译水平和蛋白质互作水平的调控关系, 由280万个网络连接组成, 构成1 412个调控模块。利用该整合网络, 研究团队预测并证实了5个调控玉米分蘖、侧生器官发育和籽粒皱缩的新基因。进一步结合机器学习方法, 他们预测出2 651个影响玉米开花期的候选基因, 鉴定到8条可能参与玉米开花期的调控通路, 并利用基因编辑技术和EMS突变体证实了20个候选基因的生物学功能。此外, 通过对整合调控网络的进化分析, 他们发现玉米两套亚基因组在转录组、翻译组和蛋白互作组水平上存在渐进式的功能分化。这套集合多组学数据构建的整合网络图谱是玉米功能基因组学研究的重大进展, 为玉米重要性状新基因克隆、分子调控通路解析和玉米基因组进化分析提供了新工具, 是解锁玉米功能基因组学的一把新钥匙。

该文系统综述了我国杂粮种质资源保存、鉴定评价、创新利用、基因资源挖掘研究现状, 以及基础研究存在的问题和挑战, 并提出杂粮研究的重点和发展方向。

糜子(Panicum miliaceum)生育期短、水分利用率高、耐盐碱、耐虫害, 是种植业结构调整中的重要作物。糜子富含淀粉、蛋白质、必需氨基酸、不饱和脂肪酸、维生素(烟酸、B族维生素和叶酸等)、矿物质(磷、钙、锌和铁)、膳食纤维和酚类物质等, 是麸质过敏人群的理想食物(无谷蛋白食物)。此外, 糜子还具有降血糖、消炎及预防心脑血管疾病等功效。因此, 作为环境友好型和营养保健型谷物, 糜子可成为未来我国应对隐性饥饿的智慧食物。该文从糜子外观、营养和加工品质的角度, 总结糜子品质研究进展, 旨在为糜子品质研究及加工利用提供参考。

株型是影响谷类作物产量的重要性状, 株型改良对提高作物产量具有重要意义。独脚金内酯(strigolactones, SLs)作为一种最新被鉴定的植物激素, 其通过抑制腋芽的伸长调控分枝/分蘖的形成。β-胡萝卜素异构酶(D27s)是SLs合成途径的关键酶, 通过对谷子(Setaria italica) β-胡萝卜素异构酶典型结构域Pfam:DUF4033进行分析, 鉴定到3个谷子D27s基因家族成员(Seita.8G168400、Seita.6G088800和Seita.3G050900)。蛋白质特性分析显示, 谷子D27s蛋白由271-277个氨基酸残基组成, 分子量为30.1-30.4 kDa, 等电点为5.85-9.31, 不稳定系数介于38.48-74.47之间, 且均定位于叶绿体; 系统进化分析发现, 谷子D27s家族成员位于3个不同进化分支; 顺式作用元件预测显示, SiD27-1 (Seita.8G168400)可能参与调控生物节律、生长素介导的生长发育以及干旱和低温等胁迫应答过程。基因表达分析显示, SiD27-1在谷子多分蘖材料中表达下调, 在低磷胁迫处理下, D27s基因均能产生不同程度的响应, 并且SiD27-1的响应较其它成员更快速。单倍型分析结果表明, SiD27-1的H001单倍型为优异单倍型, 对谷子的株高、抽穗期和产量改良具有重要应用价值。综上, 推测SiD27-1极可能在SLs合成中发挥关键作用并对谷子株型产生影响。研究结果为深入揭示D27s对谷子分蘖形成的调控机制奠定了基础, 也为谷子株型分子设计育种提供了优异的等位变异位点。

普通菜豆镰孢菌枯萎病是严重制约菜豆(Phaseolus vulgaris)产量的主要病害之一。采用下胚轴双孔注射法对601份普通菜豆种质资源进行枯萎病抗性鉴定, 共筛选出4份高抗材料。在此基础上, 基于分布在全基因组上的3 765 456个单核苷酸多态性(SNP)标记, 进行全基因组关联分析, 以P<1×10^-5为阈值。结果检测到57个显著关联的SNP位点, 分布于1、2、6、8和11号染色体上; 共获得8个显著关联区域, 其中位于1号染色体上的区域1包含SNP最多(48个), 最显著SNP P值为2.18E-07。在8个显著关联区域中, 共检测到186个基因, 其中157个基因有注释信息, 编码过氧化物酶、抗病蛋白、转录因子和蛋白激酶等。结合KEGG富集分析和序列同源性比对, 鉴定出9个候选基因可能与抗性相关。

提高糜子(Panicum miliaceum)镉耐受性与低积累能力对镉污染地区糜子的安全生产具有重要意义。该研究以镉耐受和镉敏感糜子品种为材料, 通过苗期水培和全生育期盆栽试验, 分析不同形态硒和四价碲对镉胁迫下糜子生长、根系形态、镉吸收转运和籽粒矿质营养含量的影响。结果表明, 外源添加硒和碲能缓解镉毒害, 其中有机硒缓解效果较好。与单独镉处理相比, 硒和碲能够促进根系直径增加并抑制镉吸收, 最高可使根系镉含量降低33%。此外, 硒和碲能够增加细胞壁和液泡中镉的占比, 提高镉耐受性。叶面喷施硒提高了糜子籽粒中锌、锰和钼等矿质营养元素含量。无机四价硒能更有效地抑制镉从营养器官向籽粒的转运, 在5 mg·kg^-1镉处理下, 可使镉敏感和镉耐受品种籽粒镉含量分别降低11.3%和20.3%。综上, 外源添加硒能够显著提高糜子镉耐受性并减少籽粒镉积累。研究结果可为镉污染地区糜子的安全生产提供参考。

普通菜豆(Phaseolus vulgaris)具有丰富的营养价值, 菜豆象(Acanthoscelides obtectus)是危害菜豆的主要害虫, 利用抗虫种质资源防治菜豆象是最安全且经济有效的方法。该研究利用改良的室内人工接虫方法, 对625份普通菜豆种质资源进行2次菜豆象抗性重复鉴定, 筛选出2份抗性稳定且种子受害率均在10%以下的高抗种质。利用种子受害率和蛀孔总数的表型数据, 基于3 767 432个SNP标记进行全基因组关联分析, 鉴定出15个与种子受害率相关的显著关联遗传位点, 8个与蛀孔总数相关的显著关联位点, 解释了4.54%-5.56%的表型变异。在候选位点筛选出包括编码蛋白酶抑制剂、凝集素和过氧化物酶等在内的20个与抗虫防御相关的候选基因。

全基施肥方式会造成作物全生育期内营养供应失衡, 导致生育后期缺氮早衰。为探究聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂(PAC)保障谷子(Setaria italica)花后氮素供应和调控叶片抗氧化特性的机制, 建立全基施肥背景下东北春谷防衰增产的生产技术, 于2020-2021年在中国农业科学院作物科学研究所公主岭试验站开展大田试验, 以谷子品种张杂谷13号和华优谷9号为材料, 设置常规氮素(CN)和PAC配合氮素(PN) 6个氮素水平(0、75、112.5、150、225和337.5 kg·hm^-2)播种前进行全基施肥处理。结果表明, 与常规氮肥处理相比, 相同施氮量下, PAC处理后, 两品种谷子花期和灌浆中期0-20 cm和20-40 cm土层土壤硝态氮和铵态氮含量升高, 花后叶面积显著增大, 叶面积降幅减小; 花后0-40天旗叶超氧化物歧化酶、过氧化物酶及过氧化氢酶活性升高, 丙二醛含量降低。因此, PAC有效保障了谷子生育中、后期土壤氮素的供应, 提高了叶片抗氧化能力, 延缓了叶片衰老进程, 进而提高产量。2020年和2021年Z13的增产幅度分别为11.24%-21.55%和8.65%- 14.22%, H9的增产幅度分别为5.53%-15.75%和10.43%-16.17%。上述调控效应在低氮和中氮水平(75、112.5和150 kg·hm^-2)下更为显著。综上, PAC配合氮肥全基施可作为一项防衰增产的栽培技术应用于我国东北春谷区。

普通菜豆(Phaseolus vulgaris)是重要的食用豆作物, 然而其极易受盐胁迫危害, 导致产量下降。褪黑素能提高植物耐盐能力。为探明外源褪黑素调控普通菜豆耐盐能力的机制, 以普通菜豆品种奶花芸豆(GZ-YD014)为实验材料, 设置水(W, 对照)、盐胁迫(S)和盐胁迫+100 µmol∙L^-1褪黑素(M+S) 3个处理。结果发现, 盐胁迫抑制了普通菜豆胚根的生长, 使其长度、表面积、体积以及直径显著降低, 外源褪黑素可缓解盐胁迫对普通菜豆胚根生长的抑制。外施褪黑素显著降低盐胁迫下活性氧积累和丙二醛(MDA)含量, 提高保护酶(过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶以及抗坏血酸过氧化物酶)活性, 增加渗透调节物质(可溶性糖和可溶性蛋白)以及生长素(IAA)、赤霉素(GA)和玉米素(ZT)的含量, 降低脱落酸(ABA)含量。通过转录组分析挖掘出217个差异表达基因(DEGs), DEGs在GO富集中显著(P-value<0.05)富集到核酸相关条目上, 在KEGG富集中显著(P-value<0.05)富集到核酸损伤修复(包括碱基切除修复、错配修复以及核苷酸切除修复)通路。qRT-PCR以及RAPD分析结果表明, 核酸损伤修复通路为外源褪黑素调控普通菜豆耐盐能力的一种机制。该研究揭示了外源褪黑素对普通菜豆芽期耐盐能力的调控机制, 可为褪黑素应用于盐胁迫下普通菜豆增产提供理论依据。

为探究燕麦(Avena sativa)-绿豆(Phaseolus radiatus)间作效应及氮素转移特性, 在不施氮肥的大田试验条件下, 设置3种种植模式(燕麦单作、绿豆单作和燕麦-绿豆间作), 采用传统挖根法和¹⁵N同位素标记法进行研究。结果表明, 间作系统中燕麦侵袭力强于绿豆, 绿豆生长受到抑制。整个生育期, 间作燕麦地上部干物质积累量比单作增加14.9%-33.1%, 2年成熟期间作燕麦的氮素积累量比单作分别提高53.1%和44.8%; 间作减少了开花结荚期绿豆氮素积累量和根瘤重量, 降低了绿豆的固氮效率, 绿豆的固氮效率2年平均降低23.7%, 生物固氮量平均减少11.66%。间作绿豆向燕麦的氮素转移率2年平均值达31.7%, 氮素转移量为212.16 kg∙hm^-2。燕麦-绿豆间作降低了开花结荚期绿豆的根瘤固氮酶活性和固氮效率, 但绿豆体内氮素转移增加了燕麦对氮素的吸收利用, 实现了地上部与地下部生长的相互调节和促进, 优化了农田生态系统的氮素管理。

豌豆(Pisum sativum)是我国重要的豆类经济作物, 病害对豌豆生产造成重大经济损失。通过形态学观察、分子鉴定以及致病性测定, 最终确定引起豌豆茎基腐病的3种病原菌分别为尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、芸苔链格孢菌(Alternaria brassicae)和格氏镰刀菌(F. grosmichelii), 优势菌株为尖孢镰刀菌, 分离率为53.6%。室内毒力测定结果表明, 5种供试杀菌剂对3种病原菌的菌丝生长均有抑制作用, 其中咯菌腈和戊唑醇的抑菌效果最好。研究结果为豌豆茎基腐病的防治提供了科学依据。

核因子Y (NF-Y)是由NF-YA、NF-YB和NF-YC三个亚基组成的一类真核细胞转录因子, 主要参与植物生长发育调控和非生物胁迫信号传递。该研究利用生物信息学方法解析了大麦(Hordeum vulgare) NF-YC基因家族功能。首先, 基于大麦基因组数据库鉴定出11个HvNF-YC成员, 分布在除第2号染色体以外的其余6条染色体上, 内含子0-5个。系统进化分析显示, 大麦、拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa) NF-YC基因家族成员可分为5个亚家族。基因复制分析显示, 6个HvNF-YC基因存在片段复制, 3个HvNF-YC基因存在串联复制。启动子顺式作用元件分析显示, 大多数HvNF-YC基因启动子含有与非生物胁迫及激素响应相关的顺式作用元件。对HvNF-YC家族成员在不同组织不同时期的表达模式分析表明, 不同成员的时空表达存在明显差异, 其中HvNF-YC9和HvNF-YC11可能在籽粒发育初期发挥重要作用。通过分析耐盐型和盐敏感型大麦品种根和叶中HvNF-YC表达量变化, 发现HvNF-YC3、HvNF-YC6和HvNF-YC10主要在盐胁迫初期的根中行使功能, HvNF-YC9主要在长期盐胁迫处理后期的根中起作用。综上所述, 推测HvNF-YC9、10、11三个基因可作为后续探究大麦NF-YC参与耐盐作用机制的候选基因。该研究结果为进一步解析HvNF-YC在大麦中的耐盐调控功能奠定了基础。

利用绿豆(Vigna radiata)品种苏绿16-10和潍绿11杂交构建的F₂和F₃群体发掘调控绿豆产量相关性状的遗传位点。同时对绿豆产量相关性状进行表型鉴定和相关性分析, 并利用构建的遗传连锁图谱进行QTL定位。结果表明, 单株产量与单株荚数、单荚粒数、百粒重和分枝数均呈正相关。单株产量与单株荚数的相关性最高, 这2个性状在F₂和F₃群体中的相关系数分别为0.950和0.914。在F₂群体中, 共检测到8个与产量性状相关的QTL位点, 其中与单株荚数、单荚粒数和单株产量相关的QTL位点各1个, 分别解释11.09% (qNPP3)、17.93% (qNSP3)和14.18% (qYP3)的表型变异; 2个与分枝数相关的QTL位点qBMS3和qBMS11, 分别解释18.51%和7.06%的表型变异; 3个与百粒重相关的QTL位点qHSW3、qHSW7和qHSW10, 分别解释5.33%、46.07%和4.24%的表型变异。在F₃群体中, qNSP3和qHSW7再次被检测到, 表明这2个QTLs有较好的遗传稳定性。同时, 开发了1个与百粒重主效QTL qHSW7紧密连锁的InDel标记R7-13.4, 并利用自然群体对该分子标记辅助筛选的有效性进行了验证。研究结果可为绿豆产量相关性状基因的定位、克隆及分子标记辅助育种提供参考。

为快速鉴定糜子(Panicum miliaceum)资源, 建立分子标记检测平台, 以272份山西糜子核心种质为研究材料, 利用85对简单重复序列(SSR)引物, 应用ID Analysis 4.0软件, 构建DNA分子身份证。结果表明, 对85对SSR引物进行筛选, 发现20对引物组合(RYW67、RYW53、RYW37、RYW65、RYW62、RYW77、RYW5、RYW49、RYW84、RYW19、RYW11、RYW40、RYW54、RYW28、RYW31、RYW7、RYW16、RYW8、RYW9和RYW18)可区分272份材料。共检测到等位变异(Na) 60个, 平均每个位点检出3个; Shannon多样性指数(I)为0.957 8 (RYW16)-1.096 7 (RYW5), 平均值为1.055 2; 多态性信息含量(PIC)为0.604 4 (RYW77)-0.753 0 (RYW37), 平均值为0.692 1。利用20对引物构建山西糜子核心种质的字符串、条形码和二维码DNA分子身份证, 可为种质身份标识和溯源提供实践路径。