由稻黄单胞菌稻生致病变种(Xanthomonas oryzae pv. oryzicola, Xoc)引起的细菌性条斑病(BLS)是水稻(Oryza sativa)生产上的重要病害, 近年来其发病呈快速上升趋势, 特别是在我国南方(包括江苏、浙江、福建和广东等地)稻区危害严重。种植抗病品种是防治BLS最理想的措施, 但目前生产上严重缺乏可用于育种的优异抗病基因资源。通过人工接种鉴定筛选水稻种质资源, 挖掘到2份高抗BLS材料(M1和D1)。多菌株系接种结果表明, M1具有非小种特异性广谱抗病(RNS BSR)特征。经遗传群体分析表明, 栽培稻M1携带单个显性抗BLS新基因Xo-3。通过混池测序和关联分析, 将Xo-3基因初步定位在2号染色体上的一段候选区域内。抗BLS种质资源的挖掘及其抗性遗传基础的解析, 将有助于理解水稻-Xoc互作机理, 从而培育抗BLS水稻新品种和制定科学的防治BLS策略。

叶片直立是决定作物株型、光合效率和产量的重要农艺性状之一。细胞分裂素(CTK)是调控农作物株型、抗逆和产量的重要激素, 但其在水稻(Oryza sativa)叶片直立生长中的作用仍不清晰。该文报道了水稻细胞分裂素氧化酶/脱氢酶9 (OsCKX9)影响叶枕发育并正调控叶夹角。组织学切片显示, osckx9突变体叶夹角的变化是由于叶枕近轴端和远轴端细胞的不对称分裂所致。qRT-PCR检测表明, OsCKX9在叶枕中的表达量较高。激素处理表明, OsCKX9能被tZ、iP、cZ、6-BA和eBL等诱导表达。激素测定显示, osckx9突变体的叶枕处积累了大量的CTK, 且其对eBL的敏感度显著低于野生型。综上, OsCKX9正调控水稻叶夹角, 该研究为解析水稻叶夹角的遗传基础和培育理想株型提供了基因资源。

为深入探究miRNA参与调控香鳞毛蕨(Dryopteris fragrans)生长发育的分子机理, 依据实验室前期建立的miRNA数据库, 筛选出与非生物胁迫相关的差异表达dfr-miR160a前体(dfr-pri-mir160a), 预测其靶基因为DfARF10, 并通过本氏烟草(Nicotiana benthamiana)瞬时共转化GUS以及双荧光素酶(LUC)系统验证dfr-miR160a和DfARF10的靶向关系。结果显示, 共注射dfr-pri-mir160a和DfARF10的本氏烟草叶片中GUS活性和LUC活性明显降低; qRT-PCR分析显示, dfr-miR160a及其靶基因DfARF10在香鳞毛蕨的根、配子体、叶柄、叶片和孢子囊中均有表达, 在叶片中表达量最高, 在根中表达量最低; 通过qRT-PCR分析干旱、盐(NaCl)、高温和低温胁迫对dfr-miR160a及其靶基因DfARF10表达的影响。结果表明, 在干旱和高温处理下, dfr-miR160a的表达均上调, 但在NaCl处理下, dfr-miR160a的表达下调; 低温处理下, dfr-miR160a的表达在0-1小时下调, 在3-48小时上调。在NaCl、高温以及低温处理下DfARF10表达均上调; 但在干旱处理下, DfARF10表达下调, 与dfr-miR160a呈现相反的表达趋势。综上, dfr-miR160a靶向DfARF10基因且二者均能响应非生物胁迫。研究结果为从分子层面揭示香鳞毛蕨非生物胁迫抗性机制提供了新的科学依据。

光敏色素(PHY)作为植物体内重要的红光(R)和远红光(FR)受体, 在调节植物花期、提高作物产量以及调控植物抗逆性方面均具有重要作用。鉴定棉花PHY基因, 探究其驯化和改良的遗传调控网络, 发掘棉花光敏色素关键基因, 为早熟棉花品种的从头驯化和育种提供新见解。以5个拟南芥(Arabidopsis thaliana)光敏色素基因作为种子序列, 利用生物信息学方法, 对不同棉种中的PHY基因进行全基因组系统鉴定。系统发育分析表明, 锦葵科植物中的PHY基因包括PHYA、PHYB、PHYC与PHYE四个亚家族。PHY基因在陆地棉(Gossypium hirsutum)不同群体间的驯化选择分析结果表明, PHY基因的驯化过程可分为早期驯化和后期遗传改良2个阶段。对陆地棉野生种和栽培品种在长、短日照下的转录组分析显示, GhPHYA1Dt和GhPHYB1Dt在长、短日照下的表达差异显著; 在长日照处理14小时后, 栽培品种GhPHYC1At和GHPHYE1At的表达量显著低于野生种。研究结果为进一步揭示棉花PHY基因的驯化选择和功能机制奠定了基础, 为棉花早熟新品种选育和从头驯化提供了理论依据。

为探究钾营养介导下的油菜(Brassica napus)叶片生长对叶际微生物群落的影响, 利用田间试验, 设置0、30和180 kg K₂O∙hm^-2 3个钾肥用量, 分别定义为K0 (钾缺乏)、K30 (钾不足)和K180 (钾充足) 3个钾营养水平。在苗期, 分别选取典型叶片测定其表型参数, 并利用16S-RNA基因高通量测序测定油菜叶际微生物群落组成。结果表明, 不同钾肥用量显著影响油菜叶片的钾含量, 与K0相比, K30和K180处理钾含量分别提高66.7%和158.3%。不同钾营养状况下, 油菜叶片结构和组分存在明显差异, 叶片钾含量与叶面积及叶片可溶性糖、蔗糖、果糖和淀粉的含量呈显著正相关, 而与叶片气孔密度呈显著负相关。钾肥施用显著影响油菜叶际微生物的多样性, 与K0处理相比, 施钾处理叶际微生物群落多样性指数显著升高, 而K30和K180处理间无明显差异, 但在群落的β多样性中, K30处理表现出更大的离散性。缺钾增加了油菜叶际变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度, 使得黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)细菌显著富集。施用钾肥后细菌共现网络变简单, 但促进了高丰度物种与其它物种的相互作用。通过联合分析油菜叶表型性状与叶际细菌群落, 发现叶片糖组分(可溶性糖、蔗糖、果糖和淀粉)、干物质重以及叶面积是影响叶际细菌群落以及优势物种的关键因素。综上表明, 施钾影响油菜叶片的物质组成, 调控油菜叶际微生物群落结构, 充足的钾营造的叶片微生物组“稳态”可能是钾营养增强作物生物胁迫抗性的潜在途径。

生漆是一种重要的天然涂料, 具有耐热、耐腐蚀和抗酸等优良特性, 已广泛应用于各领域。揭示漆树(Toxicodendron vernicifluum)生长过程中生漆代谢物的变化规律是充分挖掘其应用潜力的关键。利用广泛靶向代谢组学技术, 通过主成分分析、正交偏最小二乘法判别分析和聚类热图分析等方法, 对不同发育阶段(基于割漆时间)漆树的韧皮部汁液进行分析, 探讨不同时期漆树生漆中代谢物的差异和变化规律。结果显示, 在不同时期生漆中共鉴定出529种代谢物, 包括黄酮类、酚酸类、生物碱、鞣质、糖和醇类及脂质等13类。多元统计分析表明, 第II、III、IV和V期生漆的代谢特征相似, 且与第I期存在较大差异。对不同发育时期生漆代谢物进行比较分析, 鉴定出92种共同差异代谢物, 其中黄酮类化合物主要积累于第I期生漆中, 而氨基酸及其衍生物、糖和醇类在后期生漆中含量较高。研究结果为全面了解不同时期漆树生漆的代谢特征提供了依据, 对漆树资源的开发利用具有重要意义。

土壤缺钾严重降低了我国马铃薯(Solanum tuberosum)的产量。而不同品种马铃薯对低钾的响应差异较大。因此, 采用耐低钾马铃薯品种可通过提高钾素利用效率减少钾肥施用量, 成为我国农业可持续发展和绿色发展的重要途径。该研究对30个马铃薯品种在正常钾处理(202.5 kg∙hm^-2 K₂O)和低钾处理(0 kg∙hm^-2 K₂O)下的17个指标进行测定, 并对9个代表性指标, 包括叶面积指数、根冠比、茎叶干质量、根干质量、单株产量、单株大薯产量、单株小薯产量、块茎干质量和块茎钾积累量进行后续分析。结果表明, 在低钾条件下, 各项指标均有不同程度的下降。主成分分析表明, 这9个指标可转换为4个独立的综合指标, 累计贡献率达87.1%。根据综合评价值(D值)和聚类分析, 将30个品种分为6类, 其中第1类为高度耐低钾品种, 包括Lucinda、Favorita、Kexin1、Xisen6、Xingjia2、Helan15和Chuanyin2, 第2类为中度耐低钾品种, 包括Longshu20、Dingshu3、Jizhang12(W)、Jiuen1、Longshu19和Jizhang12(Y)。此外还建立了耐低钾性评价回归模型Y= -0.595+0.247X₅+0.155X₄+0.138X₃+0.167X₈+0.088X₁+0.081X₆+0.097X₉+0.053X₂ (R²=0.999, P=0.000), 利用回归方程对30个品种的估计精度均在90%以上。在低钾条件下, 可利用单株产量、根干质量、茎叶干质量、块茎干质量、叶面积指数、单株大薯产量、块茎钾积累量和根冠比快速鉴定耐低钾马铃薯品种。

植物表皮在调节光合作用、呼吸作用、热量散失和水分利用等方面发挥重要作用。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)等双子叶植物中, 气孔发育机理研究取得显著进展, 报道了3个非常重要的bHLH正调控转录因子(SPCH、MUTE和FAMA), 它们在气孔系细胞分裂与分化的不同阶段特异表达, 分别与转录因子SCRM/ICE1和SCRM2/ICE2形成异二聚体, 共同调控气孔细胞系在3个分裂阶段的细胞形态转换和变化, 最终发育形成气孔复合体。然而, 在单子叶植物尤其是禾本科植物玉米(Zea mays)中, 调控表皮形态建成的基因研究较少。该文利用反向遗传学手段分离到2个单基因隐性遗传突变体Zmice1-1 (inducer of cbf expression1-1)和Zmice2-1, 与对照B73相比, Zmice2-1植株矮小, 叶片黄化, 育性降低, 叶片气孔密度和气孔指数极显著降低, 打破了1个气孔间隔1个表皮长细胞的排列模式; Zmice1-1从五叶一心期开始叶片逐渐发黄, 后期全部黄化, 生长停滞, 纯合不育, 其叶片气孔密度与对照无显著差异。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得不同位点的等位突变体, 表型鉴定发现Zmice2-2具有气孔异常表型, 并且与Zmice2-1的气孔表型类似, 表明ZmICE2参与调控气孔发育。B73和Zmice2-1的转录组分析表明, ZmICE2主要通过影响细胞分裂和分化来调控气孔发育, 参与玉米表皮形态建成。研究结果有助于进一步完善玉米表皮形态建成机制, 并为提高农作物的抗逆性和产量性状的遗传改良提供了有益的基因资源。

水稻(Oryza sativa)倒伏是制约其生产的主要因素之一, 而茎秆的机械强度影响水稻抗倒伏能力, 且与茎秆细胞壁相关组分含量密切相关。通过调控水稻茎秆细胞壁相关组分含量提高水稻抗倒伏能力, 是提高水稻产量与品质的有效途径。该研究用籼稻品种华占(O. sativa subsp. indica cv. ‘HZ’)和粳稻品种热研2号(O. sativa subsp. japonica cv. ‘Nekken2’)杂交获得F₁代, 经连续多代自交得到120个重组自交系(RILs)群体, 并以此构建遗传连锁图谱。基于构建的高密度遗传图谱, 对水稻茎秆细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素含量相关QTLs进行定位, 结果共检测到4个与纤维素含量相关的QTLs、12个与半纤维素含量相关的QTLs和8个与木质素含量相关的QTLs。对检测到的QTLs区间进行候选基因分析, 共筛选到13个候选基因。利用qRT-PCR检测候选基因的表达水平, 结果表明除LOC_Os02g58590和LOC_Os12g41720外, 其余候选基因的表达量在双亲间均存在显著差异。研究结果为挖掘调控水稻茎秆机械强度的基因, 进而筛选和培育抗倒伏能力强的水稻品种奠定了重要基础。

万寿菊(Tagetes erecta)是菊科万寿菊属重要的观赏花卉, 其舌状花花冠边缘的类型有平滑(smooth)、波浪(undulate)及不同程度的缺刻(incision)等。以第1轮小花花冠筒边缘五裂且雄蕊发育正常的万寿菊突变体JH和舌状花花冠边缘平滑且雄蕊败育的万寿菊自交系S5为亲本构建F₂代分离群体。遗传分析表明, JH突变性状由显性单基因控制, 将其命名为Telf。组织学和细胞学观察发现JH第1轮小花为舌状花管瓣化, 其花冠筒顶部具有5个裂片, 中下部融合呈管状, 且花药和花粉粒发育恢复正常。利用BSR-seq和比较基因组学方法, 将控制舌状花花冠裂片形成的基因Telf定位于37003-SCAR标记和34032-CAPS标记之间, 2个标记距Telf的遗传距离分别为3.684 cM和3.517 cM。该研究为后续精细定位目的基因Telf奠定了基础, 也为万寿菊分子标记开发提供了新方法。

PLATZ转录因子家族是一类植物特异性锌依赖DNA结合蛋白, 在植物生长发育和抗逆过程中发挥不可或缺的作用。然而, 对于谷子(Setaria italica) PLATZ家族基因尚未进行系统研究。在谷子基因组中鉴定出17个PLATZ基因并对其进行系统命名。通过系统发育分析将SiPLATZ基因划分为5个亚家族, 同一亚家族成员具有相似的基因结构和保守基序。顺式作用元件分析表明, SiPLATZ基因可能在籽粒胚乳发育和多种抗逆反应中发挥作用。K_a/K_s分析表明, 重复基因受到纯化选择。SiPLATZ基因在不同组织和发育阶段的表达存在显著差异, 主要包括在根、叶和茎中高表达, 以及在穗和籽粒中高表达两类, 这体现出SiPLATZ基因生理功能的复杂性, 其可能参与调节籽粒生长和多种抗逆反应。此外, 结合WGCNA分析构建的共表达网络, 发现SiPLATZ6、SiPLATZ8、SiPLATZ9和SiPLATZ11可能是谷子产量遗传改良和功能基因研究的候选基因。研究结果为深入揭示PLATZ转录因子在谷子生长发育中的生物学功能奠定了基础。

龙脑是艾(Artemisia argyi)叶中最重要的药效成分之一, 具有抗菌、消炎及镇痛等药理活性。其生物合成和代谢受多种酶的影响, 其中龙脑脱氢酶是将龙脑氧化为樟脑的关键酶之一。利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术测定了35份艾种质叶片中龙脑和樟脑的含量。结果表明, 不同品种艾叶片中龙脑和樟脑含量差异较大, 在部分种质中樟脑含量甚至超过了龙脑, 说明大量的龙脑被氧化为樟脑后严重降低了艾叶中龙脑的含量。基于全长转录组和同源性比较分析, 在艾叶中克隆到1个艾龙脑脱氢酶编码基因AArBDH1。AArBDH1基因含有2个外显子和1个内含子, 编码包含289个氨基酸残基的蛋白。qRT-PCR分析表明, 在艾不同组织和不同发育时期的叶片中AArBDH1呈差异表达, 在茎和30天叶龄的叶片中高表达。以龙脑为底物、NAD⁺为辅酶的酶促反应表明, AArBDH1能催化龙脑脱氢生成樟脑。该研究为进一步揭示艾叶片中龙脑积累的调控和改进机制提供了理论依据和基因资源。

铝(Al)是酸性土壤常见的金属污染物之一。为探明外源有机酸对铝胁迫下菊芋(Helianthus tuberosus)生理特征及根系DNA损伤的影响, 以耐铝品种徐州菊芋和铝敏感品种资阳菊芋为材料, 设置0、350和700 µmol∙L^-1铝处理, 同时分别施加0、30、60和90 µmol∙L^-1复合有机酸, 探究外源有机酸对铝胁迫下各时期(7、14和21天)菊芋生理响应和DNA损伤的影响。结果表明, 铝胁迫抑制菊芋根伸长与根系活力, 严重损害菊芋的光合机构与抗氧化系统, 随着铝浓度的增加, DNA拖尾程度升高, DNA受损加剧。而施加复合有机酸能有效缓解铝胁迫造成的损伤。施加60 µmol∙L^-1有机酸可增强抗氧化酶活性, 提高最大光化学效率并促进根尖有机酸分泌, 其中柠檬酸分泌量分别比对照高2倍(徐州菊芋)及0.75倍(资阳菊芋), 根尖铝含量降低, 根系活力增强, 徐州菊芋和资阳菊芋DNA尾距较单独铝处理组下降51.53%和35.10%, 显著缓解DNA拖尾现象, 较大程度修复了DNA断裂。综上, 铝胁迫对菊芋造成的损害严重且较难缓解, 60 µmol∙L^-1有机酸能增强低铝胁迫下菊芋生理响应, 降低DNA受损程度, 提高菊芋的抗逆性, 且在铝敏感品种资阳菊芋中缓解效果更好。该研究揭示了外源复合有机酸对铝胁迫下菊芋生理响应系统的调控作用, 可为菊芋等经济作物在南方酸铝地区的种植与生产提供理论依据。