华北农学报

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• 基于QTL定位与组学分析挖掘水稻粒质量及粒形候选基因

  钟奇, Mvuyeni Nyasulu, 曹国梁, 边建民

  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。

• 寒地粳稻种质资源香味基因Badh2变异分析及其KASP标记开发与应用

  刘长林, 辛威, 吴梦, 王敬国, 刘化龙, 杨洛淼, 徐善斌, 邹德堂, 郑洪亮

  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。

• 基于CRISPR/Cas9技术的水稻OsASL1.1基因突变体创制及干旱胁迫下的表型分析

  胡鑫, 陈聪, 端木凡青, 李颖, 董全师, 杜长青

  为研究OsASL1.1基因的表达特性及在干旱胁迫响应中的作用,分析OsASL1.1蛋白的亚细胞定位和OsASL1.1基因启动子区顺式作用元件,并利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析OsASL1.1基因在脱落酸(ABA)、甘露醇、聚乙二醇6000(PEG6000)下的表达模式,同时以Kitaake为背景采用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建Cas9-OsASL1.1突变体,分析突变体的突变类型,并对突变体进行ABA敏感性和抗旱性分析。结果表明,OsASL1.1蛋白主要在质体中表达。OsASL1.1基因启动子区含有低温响应、植物激素(ABA、生长素)响应等顺式作用元件,其中,ABA响应顺式作用元件(ABRE)有5个。OsASL1.1基因受ABA、甘露醇、PEG6000诱导表达。获得了Cas9-6和Cas9-12两个纯合的突变类型,Cas9-6有17 bp的插入,导致翻译提前终止;Cas9-12有12 bp的缺失,导致缺失4个氨基酸。ABA处理下,Cas9-OsASL1.1突变体和野生型的主根伸长都受到了抑制,但Cas9-OsASL1.1突变体受到的抑制程度低于野生型。150 mmol/L甘露醇处理下,Cas9-6和Cas9-12突变体的存活率均显著低于野生型,以Cas9-6的存活率最低。综上,Cas9-OsASL1.1突变体对ABA的敏感性降低,对干旱的抗性降低,即OsASL1.1 基因功能丧失降低了水稻对ABA的敏感性和抗旱性。

• 利用BSA-seq技术挖掘油菜耐铝毒基因

  张美薇, 陈明, 韩德鹏, 李亚贞, 肖小军, 熊文, 黄天宝, 程业伟, 张晨, 周莺, 郑伟

  近年来,我国南方地区农田土壤酸化现象日益严重,导致土壤中铝离子活性增强,对作物生长产生明显毒害作用,为挖掘油菜耐铝毒相关性状基因位点,以耐铝毒品种R248与铝毒敏感品种S120杂交得到的F2群体为试验材料,通过表型鉴定构建铝毒耐受性极端混池,并采用BSA-seq法进行QTL定位分析。表型鉴定结果表明,F2群体的铝毒耐受性呈连续性正态分布;通过基因组测序、变异位点筛选及性状关联研究,在A07、C02、C03和C08 4条染色体上鉴定出4个显著影响铝毒耐受性的遗传区域,区间总长度为0.73 Mb,含98个基因;根据富集分析结果和基因注释信息,预测BnaA07g35600D、BnaA07g35660D、BnaA07g35700D、BnaA07g35710D和BnaC03g39670D参与油菜耐铝毒激素的合成与运输;BnaC03g39840D参与细胞壁果胶甲酯酶合成;BnaC03g39750D和BnaC08g20580D为含MYB结构的转录因子;BnaC03g39850D和BnaC03g39980D参与氨基酸代谢,这些基因与油菜铝毒耐受性的相关性较大,为后续开展耐铝毒相关基因的分离鉴定及其分子机制解析提供了重要依据。

• 茄科作物高效双碱基编辑新工具的开发与应用

  田鹏, 李亚栋, 张敬敬, 田哲娟, 康忱, 高秀瑞, 李冰, 刘伟, 武彦荣, 吴志明

  旨在开发一款高效适配茄科作物的双碱基编辑工具,以突破现有碱基编辑系统在茄科作物中适配性差、编辑效率低等问题。研究将核酸酶功能部分丧失的 Cas9 缺口酶(nCas9)与高效腺嘌呤脱氨酶 ABE8e、优化型胞嘧啶脱氨酶 sdd7-mini 及尿嘧啶糖基化抑制剂 UGI 等元件进行融合,依据茄科作物的启动子偏好性和密码子使用频率进行系统性优化,最终构建双碱基编辑器 TPDBE-S。在番茄和茄子原生质体瞬时转化试验中,该编辑器表现出极高的编辑效率。在本氏烟草稳定转化体系中,通过靶向 PDS 基因验证,5 个阳性转基因家系中有 4 个出现明显白化表型,证实其稳定编辑能力。该编辑器的编辑窗口与 ABE8e和 sdd7-mini的特性高度一致,且对茄科作物密码子偏好性和启动子活性的优化显著提升了编辑效率与适配性。TPDBE-S 的构建采用模块化设计,基于 tRNA 自切割机制的多靶点表达盒可通过一步基因合成实现快速组装,成本低且操作简便。该工具填补了茄科作物专用双碱基编辑空白。

• 控制玉米叶片数的QTL定位及基因功能注释

  薛春雷, 张旭婷, 张海龙, 付增娟, 刘亚楠, 吴海燕, 张子玉, 张赛楠, 余忠浩, 吴慧, 韩平安, 马岩, 王永行, 孙峰成

  为明确玉米总叶片数与穗上叶片数的遗传特性,揭示其对玉米产量潜力、生物量积累及抗倒伏性的调控作用,开展控制玉米叶片数的 QTL 定位及基因挖掘的试验。利用SLAF-seq 技术对昌7-2和PHB1M及其138份F2∶3家系进行高通量测序,结合60 000(E1),120 000(E2)株/hm2 2个种植密度处理下的叶片数表型数据进行QTL定位,并对定位结果进行基因挖掘。结果表明,分布在8号染色体上的2个总叶片数QTL为主效QTL,贡献率分别为 16.96%和23.08%,加性效应值为负值;3个穗上叶片数的QTL分布在2号和4号染色体,加性效应值为正值,分布在4号染色体的2个QTL为主效QTL,贡献率分别为10.18%和14.75%;总叶片数和穗上叶片数的QTL分布在不同染色体区域,可能受到相对独立的遗传调控。基因功能分析发现,筛选到的基因参与碳水化合物代谢和植物激素信号转导途径等,同时筛选到部分转录因子。本研究结果为进一步揭示玉米叶片数的遗传基础提供更丰富的理论支持,为分子标记辅助育种提供靶点。

• 马铃薯钼辅因子硫化酶基因(LOS5)克隆及功能分析

  王英琪, 李景伟, 于卓, 赵晋邦, 袁清华, 刘博, 姜超

  为探究马铃薯钼辅因子硫化酶基因(LOS5)的结构和功能,以紫彩3号马铃薯为试验材料,采用PCR技术克隆获得马铃薯StLOS5基因,并对其进行生物信息学分析、亚细胞定位、酵母逆境表型观察以及干旱胁迫下表达模式分析。结果表明,马铃薯StLOS5基因CDS区全长2 460 bp,编码819个氨基酸,分子质量为91.50 ku,理论等电点为6.78,亲水系数为-0.268,属于亲水性蛋白。系统进化分析显示,马铃薯StLOS5蛋白与番茄LOS5同源性最高,可能具有相似的功能。在其启动子区域检测到多个与非生物胁迫相关的顺式作用元件。亚细胞定位显示,StLOS5主要定位于细胞核。酵母逆境表型观察试验结果显示,StLOS5具有提高渗透胁迫耐受性的能力。荧光定量PCR分析结果表明,StLOS5的表达具有组织特异性,且在叶片中含量较高,并在干旱胁迫下能够快速响应,8%聚乙二醇处理12 h后叶片表达量达到峰值。以上结果表明,StLOS5在马铃薯响应干旱胁迫过程中具有一定作用。

• 大蒜水通道蛋白基因AsPIP1;1和AsTIP2;1的克隆、鉴定及其对盐胁迫的响应

  吴嘉萁, 许玉洁, 陈洋洋, 任旭琴, 周瑾, 熊爱生, 王广龙

  水通道蛋白(AQPs)主要负责水分子的跨膜运输,参与植物生长发育和响应环境胁迫等过程。旨在从大蒜中克隆编码质膜内在蛋白(PIP)和液泡膜内在蛋白(TIP)的基因AsPIP1;1和AsTIP2;1,分析其序列特征,并探究它们在盐胁迫条件下的表达模式,以评估其在大蒜耐盐性中的潜在功能。利用RT-PCR技术从大蒜中克隆了AsPIP1;1和AsTIP2;1基因,利用生物信息学方法对克隆基因的开放阅读框、编码氨基酸序列及保守结构域等进行分析,并通过荧光定量PCR检测AsPIP1;1和AsTIP2;1基因在不同组织和盐胁迫条件下的表达特性。结果发现,AsPIP1;1和AsTIP2;1基因的开放阅读框分别为867,747 bp,编码288,248个氨基酸,具有NPA保守基序。AsPIP1;1和AsTIP2;1在大蒜叶片和根部高表达,盐胁迫环境能强烈诱导这2个基因转录水平的改变。且AsPIP1;1和AsTIP2;1可能与其他AQPs蛋白、细胞壁相关蛋白、转运蛋白相互作用,以适应盐胁迫环境。这些结果表明,AsPIP1;1和AsTIP2;1基因可能参与大蒜植株响应盐胁迫的过程。

• 向日葵苗期耐盐性状的全基因组关联分析

  吴佳俊, 李玉骁, 张欣融, 朱梓榕, 谭美莲, 汪磊, 王玲, 汪魏, 张玉雪

  向日葵是我国重要的油料作物,具有较强的耐盐性,但主产区盐渍化加重制约了向日葵的生产。为揭示向日葵苗期耐盐相关性状的耐盐机制,挖掘与向日葵苗期耐盐性显著相关的SNP位点及候选基因,以124份向日葵种质资源为材料,在250 mmol/L NaCl胁迫条件下,对株高、叶面积、地上部分鲜质量、地下部分鲜质量、SPAD值5个性状进行全基因组关联分析及耐盐位点/基因的挖掘。结果表明:在盐胁迫14 d时,苗期相对株高、相对叶面积、相对地上部分鲜质量、相对地下部分鲜质量和相对SPAD值5个性状指标均发生了显著变异,呈正态分布,影响最明显的为相对地下部分鲜质量和相对叶面积(变异系数46.57%以上);利用全基因组关联分析获得18个显著关联的SNP位点,其中Chr35448-18789497在多个耐盐相关性状中均被检测到;在上下游各80 kb进行基因搜索,筛选到45个相关候选基因;通过对关联位点区间进行扫描和基因注释分析,发掘出4个可能与向日葵苗期耐盐性状相关的候选基因。通过对向日葵进行苗期耐盐性状的全基因组关联分析,获得了与苗期耐盐性状显著关联的SNP位点,发掘出耐盐性相关的候选基因,为后续开展耐盐基因的验证奠定了基础。

• 大豆生长、光合及产量品质对叶面肥施用次数和时期的响应

  张向前, 王鹏举, 胡子全, 尚云秋, 赵竹, 陈欢, 杜世州, 乔玉强

  为充分发挥叶面肥在提升大豆产量方面的效应,研究了叶面肥喷施次数和时期对大豆生长、光合、产量及品质的影响。结果表明,F1(始花期喷施)相比F2(始荚期喷施)和F3(始粒期喷施)有利于提高单株鲜叶质量、单株干叶质量、根鲜质量、根干质量、根鲜质量生长速率、根干质量生长速率和群体干物质积累速率,喷施2次叶面肥F4(始花期+始荚期)、F5(始花期+始粒期)、F6(始荚期+始粒期)在改善上述指标方面优于喷施1次叶面肥处理F1、F2和F3。喷施1次叶面肥以F2最利于增加叶绿素含量和光合速率,而冠层光合有效辐射以F1最高;喷施2次叶面肥的叶绿素含量、光合速率和冠层光合有效辐射以F4最高,其中F4鼓粒期叶绿素含量和冠层光合有效辐射分别比F1、F2和F3显著增加了8.22%,7.08%,9.89%和9.25%,13.36%,16.78%。喷施2次叶面肥相比喷施1次可显著提高大豆群体干物质量,喷施1次和2次叶面肥相比CK产量增幅分别为82.34~327.86 kg/hm2,318.91~463.98 kg/hm2。喷施2次相比喷施1次叶面肥虽有利于提高大豆籽粒蛋白质含量,但效果不显著,始花期+始荚期喷施叶面肥最利于提高蛋白质含量。综合来看,喷施1次叶面肥以始花期喷施最利于改善大豆生长、光合特性和产量,而始荚期喷施最利于改善蛋白质含量,喷施2次叶面肥以始花期+始荚期喷施效果最好。