TCP蛋白家族是植物特有的一类转录因子家族, 在植物生长发育及响应胁迫过程中发挥着重要作用。为了解岩白菜(Bergenia purpurascens) BpTCP基因家族的功能, 本研究基于转录组测序数据, 利用生物信息学方法对岩白菜BpTCP基因家族进行了系统鉴定与分析。研究共鉴定出16个BpTCP基因, 可分为2大类, 所有BpTCP基因均含有保守的TCP结构域, 相同进化枝的BpTCP蛋白所含基序类型相似。表达模式分析表明, 不同BpTCP基因在不同组织中的表达水平存在差异。在低温胁迫条件下, BpTCP10、BpTCP1和BpTCP12的表达出现显著变化。BpTCP基因家族表达水平与次级代谢物含量的相关性分析显示, 部分BpTCP基因的表达与黄酮类、酚类等多种代谢物的含量之间存在显著相关性。本研究为进一步探究BpTCP基因在岩白菜生长发育、低温胁迫响应及次生代谢合成途径中的生物学功能奠定了基础。

14-3-3蛋白广泛参与植物生长发育、代谢和非生物逆境信号转导过程。该研究克隆了小麦(Triticum aestivum) 14-3-3蛋白TaGRF3-D基因, TaGRF3-D基因编码261个氨基酸残基, 在单子叶植物中高度保守, 其与乌拉尔图小麦(T. urartu)的TuGF14d和大麦(Hordeum vulgare)的HvGF14a氨基酸序列完全相同; TaGRF3-D启动子区含有脱落酸等激素响应元件和多个非生物胁迫响应元件。亚细胞定位结果显示, TaGRF3-D蛋白主要定位于细胞膜与细胞核。对过表达TaGRF3-D基因的拟南芥(Arabidopsis thaliana)转基因株系ABA敏感性及干旱胁迫耐受性分析发现, TaGRF3-D过表达拟南芥在PEG和ABA处理下根长显著大于野生型, 干旱胁迫后存活率显著高于野生型。进一步利用酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)实验对TaGRF3-D蛋白与小麦AREBs/ABFs (ABA-responsive element binding proteins/ABA-responsive element binding factors)蛋白进行互作分析, 结果表明TaGRF3-D蛋白与TaABF3-B、TaABF4-A、TaABF15-D、TaABF16-B、TaABF17-D和 TaABF18-B存在相互作用; 而与TaABF1-D、TaABF2-A和TabABF19-A不互作。综上表明, TaABF3-D可能通过与TaABFs蛋白互作响应ABA信号, 从而提高转基因植株对干旱胁迫的耐受性。研究结果为小麦TaGRF3-D基因逆境胁迫响应功能研究奠定了基础。

为建立万寿菊(Tagetes erecta)花冠高效瞬时转化体系并探究花器官对称性形成关键调控基因TeCYC2c的启动子活性, 将CaMV35S启动子与GUS基因的融合表达载体瞬时转化万寿菊花冠, 探究菌株类型、菌液浓度、侵染时间和共培养时间对GUS基因瞬时转化效率的影响。结果显示, GV3101菌株的侵染效率最高; 菌液浓度OD₆₀₀=1.0时转化效率最高; 侵染时间对瞬时转化效率无显著影响; 共培养1天为最佳培养时间。基于建立的万寿菊花冠瞬时转化体系, 对TeCYC2c基因的启动子活性进行探究。克隆了TeCYC2c基因上游1 735 bp序列, 并通过PlantCARE预测的元件分布位置及数量构建了4个启动子缺失表达载体, 以GUS基因为报告基因, 瞬时转化万寿菊花冠进行不同长度启动子活性研究。结果显示, 启动子核心区域位于ATG上游-650 - -1 bp, 推测该区域内的光响应元件正调控下游基因的表达, 而pTeCYC2c (-1 735)和pTeCYC2c (-1 406)所特有的植物激素响应和逆境响应元件可能具有抑制启动子驱动下游基因表达的功能。结合万寿菊花冠瞬时转化体系的建立和TeCYC2c启动子活性分析, 可为进一步快速解析花发育相关基因的功能奠定技术基础。

黄缨菊(Xanthopappus subacaulis)是菊科(Asteraceae)黄缨菊属(Xanthopappus)多年生高原特有单属种药用植物, 具有重要的经济、生态和药用价值。为确定适合黄缨菊全基因组测序的技术策略, 利用流式细胞术和基因组Survey分析评估黄缨菊基因组大小、杂合率、重复序列比例、GC含量和长末端重复反转录转座子(long terminal repeat retrotransposons, LTR-RTs)等信息。结果表明: (1) 以长裂太行菊(Opisthopappus longilobus)和番茄(Solanum lycopersicum)为参考物种, 采用流式细胞术预估黄缨菊为二倍体, 基因组大小分别为1.94 G和1.75 G, DNA-C值为0.99 pg; (2) 高通量测序得到约100.3 G的Clean reads, 其Q20均大于97.1%, Q30均高于90.8%, AT和GC碱基含量无明显分离, GC含量为38.5%, 测序质量良好; (3) K核苷酸序列分析(K-mer analysis, K-mer)显示黄缨菊基因组大小为2 198.50 Mb, 杂合度为0.69%, 重复序列占比为80.15%, 属于微杂合、高重复序列的复杂基因组; (4) LTR-RTs鉴定表明Copia家族数量最多, 占全基因组的30.72%, Gypsy家族和Unknown分别占全基因组的33.66%和16.54%, 插入时间始于约3 Mya, 在1 Mya内产生大量扩增。综上, 研究结果表明LTR的大量插入是导致黄缨菊基因组复杂化的重要原因之一; 测序数据和研究结果可为黄缨菊高质量基因组遗传图谱构建和关键功能基因挖掘提供重要参考。

分蘖高于主茎是影响高粱(Sorghum bicolor)品种整齐度和机械化生产的重要因素之一, 内源激素及其互作效应在植物株高建成过程中发挥关键调控作用。为探索内源激素对高粱主茎和分蘖株高差异的影响, 以主茎和分蘖高度一致的高粱品系K35-Y5以及分蘖高于主茎的高粱品系1383为材料, 测定了4个时期(主茎孕穗期、分蘖孕穗期、主茎开花期和分蘖开花期)主茎与分蘖的株高性状和内源激素含量, 并分析了二者的变化特征及其相关性。不同时期主茎与分蘖株高差异变化分析发现, 在前3个时期K35-Y5的主茎均高于分蘖, 至分蘖开花期时主茎与分蘖株高基本一致; 在主茎孕穗期, 1383的主茎高于分蘖, 分蘖孕穗期时主茎与分蘖株高基本一致, 后2个时期则分蘖高于主茎。不同时期内源激素含量变化特征分析发现, GA₃含量在主茎和分蘖中的变化趋势与株高基本一致; ABA含量在K35-Y5主茎和分蘖间变化趋势基本一致, 主茎开花期时1383的分蘖明显高于主茎。IAA、ICA、tZR、IPA、Dx和JA含量随着生育时期总体呈下降趋势; ACC、SA、JA和H₂JA无明显变化规律。相关性分析表明, 分蘖和主茎的株高差异在分蘖孕穗期、主茎开花期和分蘖开花期, 与GA₃相对含量呈显著正相关; 且在主茎开花期和分蘖开花期, 与GA₃/ABA相对比值呈显著正相关。综上所述, 在分蘖孕穗期、主茎开花期和分蘖开花期, GA₃相对含量与主茎和分蘖株高差异密切相关。通过GA₃处理和石蜡切片, 我们发现外施GA₃影响细胞的伸长, 可实现对株高整齐一致株型的改良, 对于选育适宜机械化生产的高粱品种具有重要意义。

根内皮层分化的质外体屏障在植物抗逆和养分吸收过程中均发挥重要作用, 其中木栓层发育为近年的研究热点。以烟草(Nicotiana tabacum)栽培品种中烟100为材料, 通过0.1-4.0 mmol∙L^-1钾浓度梯度水培实验, 探讨供钾水平对根内皮层木栓化发育的影响及其生理和分子机制。结果表明, 低钾胁迫(0.1 mmol∙L^-1)显著增强内皮层木栓化: 完全木栓化区域绝对长度由对照的0-2 cm延长至4-6 cm, 相对占比从0-15.0%提升至33.2%-44.3%, 表明木栓化是烟草响应低钾胁迫的关键形态适应机制之一。表型分析显示, 低钾胁迫下植株根系伸长但生物量下降, 地上部与根系钾离子含量及积累量均减少, 木质部伤流液流量及钾离子运输效率降低。内源激素含量检测发现, 低钾胁迫提高根系内源脱落酸含量, 并降低乙烯和茉莉酸甲酯含量, 形成特异性激素调控网络。转录组数据进一步佐证木栓化发育的分子基础, 木栓质合成与转运相关基因(如CYP86、GPAT和ABCG)及其上游正调控基因MYB36/41/92/93显著上调表达。综上, 该研究阐明了低钾胁迫下烟草通过脱落酸介导的激素信号调控木栓化发育程序, 为解析作物钾胁迫适应机制提供了全新视角。

阐明谷子(Setaria italica var. germanica)杂种优势的生理机制是提高谷子杂交种产量的重要基础。2023-2024年, 以3个高产谷子杂交种长杂谷466、长杂谷2922和长杂谷333及其亲本为供试材料, 测定杂交种及其亲本的产量性状及生理指标, 对杂交种的产量优势及其影响因子进行系统分析, 初步解析了杂种优势的生理机制。结果表明, 在整个生育期内, 3个杂交种的叶绿素含量均高于双亲, 其中长杂谷466在拔节期的叶绿素含量最高, 达13.86 mg∙g^-1 FW。在苗期和拔节期, 3个杂交种的根系活力均显著高于双亲, 其中长杂谷466在苗期的根系活力最高, 为1.76 mg∙g^-1∙h^-1, 分别为其父母本的7.8倍和5.5倍; 长杂谷2922在苗期的根系活力较父母本分别高0.38和0.66 mg∙g^-1∙h^-1; 而长杂谷333在拔节期优势更为显著, 较父母本分别高0.31和0.62 mg∙g^-1∙h^-1。在产量形成性状方面, 与双亲相比, 杂交种的灌浆速率和颖花数均显著提高, 长杂谷466在花后19天灌浆速率达最大值, 为1.58 g∙d^-1 per panicle; 长杂谷466和长杂谷333颖花数极显著高于其亲本, 长杂谷2922颖花数显著增加。此外, 杂交种根系的氮素积累量和氮素转运效率也表现出一定的优势, 其中长杂谷2922根系氮素积累优势最大且氮素转运效率(近56%)最高, 显著高于其父本M22。综上表明, 长杂谷系列杂交种通过提高光合能力、养分吸收利用效率、籽粒灌浆速率和颖花数实现产量增加。

由于人工驯化与现代育种操作, 普通小麦(Triticum aestivum)的遗传多样性日渐狭窄, 更容易受到病虫害威胁。通过远缘杂交将野生近缘种的抗病基因导入小麦, 有助于拓宽小麦的遗传基础, 为培育抗病品种提供新抗原。十倍体长穗偃麦草(Thinopyrum ponticum)是小麦遗传改良中应用最广泛的近缘物种之一, 对小麦锈病等多种病害表现出良好的抗性。利用远缘杂交和染色体工程, 创制了1份小麦-长穗偃麦草种质材料WTS135, 对叶锈菌(Puccinia triticina)生理小种THTT表现出免疫。系谱分析表明, 其叶锈病抗性来源于长穗偃麦草外源染色体。基因组原位杂交(GISH)-荧光原位杂交分析显示, 1对十倍体长穗偃麦草染色体替换了小麦7D染色体。液相芯片分析表明, 外源染色体属于第7部分同源群, 其近着丝粒区的信号密度及丰度明显较低, 与GISH分析结果互相佐证, 因此推测WTS135是1个7St (7D)的二体异代换系。分子标记检测显示, WTS135携带的抗病基因与已知的长穗偃麦草第7部分同源群抗叶锈病基因Lr19和Lr29不同, 推测有可能为1个抗叶锈病新基因。借助Specific-locus amplified fragment sequencing技术, 开发了10个长穗偃麦草特异引物, 用于快速追踪WTS135中的外源染色质。表型调查显示, WTS135的产量与轮回亲本济麦22无显著差异, 可直接用于小麦的抗病育种。

由大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)引起的黄萎病是棉花(Gossypium hirsutum)生产中最主要的威胁之一, 其可导致棉花大幅减产和纤维品质严重下降。前期对接种大丽轮枝菌的拟南芥(Arabidopsis thaliana)进行转录组分析, 表明DIR1类蛋白基因AT3G53980.2受病原菌强烈诱导表达。该研究发现, 棉花脂质转移蛋白编码基因GhDIR1 (Gh_A09G180700.1)与AT3G53980.2表现出高度的同源性。生物信息学分析表明, GhDIR1开放阅读框(ORF)为351 bp, 编码116个氨基酸残基。亚细胞定位结果显示GhDIR1定位于细胞膜。分析GhDIR1在大丽轮枝菌V991侵染后的表达模式, 发现其能快速响应大丽轮枝菌侵染。利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术下调该基因表达后, 棉花对黄萎病菌的抗性显著降低。野生型和GhDIR1沉默植株转录组测序结果表明, 差异表达基因主要在类黄酮生物合成、倍半萜和三萜生物合成以及α-亚麻酸代谢3个途径富集; 同时, 荧光定量PCR结果表明, 3个途径中的6个关键基因(GhCHS、GhDFR、GhCAD、GhSEQ、GhLOX和GhAOC)在GhDIR1沉默植株中均下调表达, 与转录组数据一致。推测GhDIR1可能通过介导类黄酮和萜类化合物的合成途径, 并调节茉莉酸(JA)等植物激素的次级代谢来激活相关信号通路, 进而影响植株抗病性。综上, GhDIR1作为棉花抗黄萎病的正向调控因子, 通过参与多种激素和抗病信号网络调控植物的免疫反应。

水稻(Oryza sativa)白叶枯病是危害全球水稻生产的三大主要病害之一, 严重影响水稻的产量和品质。抗性基因的挖掘与利用是防治白叶枯病最有效的途径之一。为挖掘水稻白叶枯病抗性相关的数量性状位点(QTL), 以籼稻华占、粳稻热研2号及其构建的120个重组自交系(RILs)群体为实验材料, 在水稻分蘖盛期接种4种不同的白叶枯病致病小种并评价抗性表型。基于前期构建的高密度遗传图谱进行QTL定位, 共检测到19个QTLs, 其中最大LOD值为5.49。对检测到的QTL区间内候选基因进行筛选, 并利用qRT-PCR进行基因表达水平分析, 发现LOC_Os02g13270、LOC_Os02g13410、LOC_Os02g13420、LOC_Os02g13430和LOC_Os01g12130在双亲间的表达量差异显著, 且在接种白叶枯病菌后受诱导表达, 推测其为调控白叶枯病抗性的重点候选基因。研究结果为白叶枯病抗性相关基因的精细定位和克隆奠定了基础, 对于培育广谱抗病水稻品种有重要意义。

叶色突变体是研究光形态发生、叶绿体发育、叶绿素代谢和光合作用机制等多种生理过程的理想材料。该研究从黄瓜(Cucumis sativus) XYYH-2-1-1株系自交后代中获得1个新的黄化致死突变体ycl (yellow cotyledon lethal)。该突变体自幼苗出土后子叶一直呈黄化状态, 约2周后枯萎死亡, 其生长抑制表型为非光依赖型。与野生型相比, ycl突变体的Chl a和Chl b含量趋于零, 叶绿素生物合成途径中Mg²⁺螯合过程受阻。显微和超微结构分析发现, ycl叶片组织紊乱、叶绿体发育受阻。ycl的抗氧化酶活性及丙二醛含量显著升高, 说明其受到氧化胁迫, 且抗氧化能力强。ycl净光合速率极显著降低, 胞间CO₂浓度上升, 推测ycl光合速率降低源于气孔导度降低、叶绿素含量减少和叶绿体发育受阻。转录组学分析表明, ycl与其野生型间存在337个差异表达基因, 光合作用、类黄酮生物合成、叶绿素代谢和活性氧代谢是导致ycl黄化致死表型形成的关键途径。通过BSA-Seq分析, ycl突变基因初步定位于3号染色体的1.48-1.9 Mb区间, 内含41个候选基因。对ycl突变体的研究为阐明黄瓜叶绿体发育的分子机制提供了参考。

植物根系在生长发育过程中响应各种非生物胁迫, 包括干旱、重金属、盐、冷、热以及生理性缺素等, 其中土壤结构特别是土壤紧实度会影响根系的生长与形态, 进而影响作物产量。高尔基体通过囊泡分泌参与根系的生长以及响应非生物胁迫。然而, 高尔基体如何参与根系响应土壤紧实度的机制还不清楚。前期研究发现拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtFTCD-L定位在高尔基体反面(trans Golgi network, TGN)上, 参与囊泡的分选和/或分泌, 调节根冠外周细胞中的黏液成分。在前期研究的基础上, 模拟土壤高紧实度生长条件, 观察稳定表达PINs-GFP的纯合体拟南芥植株表型, 通过观察生长素相关荧光信号, 发现AtFTCD-L突变体根尖以及根尖细胞在纵向上短于野生型等材料, 而在横向上宽于野生型等材料, 并且细胞形态明显异常。通过对PINs相关材料进行荧光信号收集, 发现突变体植株中PIN7低表达或不表达。综上表明, AtFTCD-L在拟南芥植株根系中通过调节PIN7的分布或表达来响应土壤紧实度。研究结果为揭示植物根系响应土壤紧实度胁迫的适应机制提供了理论指导。