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[硕士论文] 张婷
控制工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:我国农业种植面积广大,而且一直都是农民凭借经验进行人工灌溉,故用于灌溉的水资源消耗一直很大。随着近几年环境的恶化,大部分地区的小河、水井等都已经干枯,所以提高水资源的利用率、加快转变农业的发展方式迫在眉睫。国家也一直在号召农业现代化,随着国家政策的推出,越来越多的技术被逐渐地应用在农业上,比如智能控制、物联网技术、云计算等。针对目前的形式,本文以小麦田为例,设计了一套基于物联网的小麦智能灌溉系统。
  基于物联网的小麦智能灌溉系统主要包括四部分:下位机的终端监控设备模块、网关模块、上位机的智能灌溉决策模型和交互界面。终端监控设备用于监测小麦的环境参数和控制电磁阀的开关,该部分主要完成了ZigBee芯片、各类传感器和电源模块的软硬件设计。网关模块是整个智能灌溉系统的协议转换设备,它将来自终端监控模块的数据包进行分析、压缩和融合后,利用4G网络传输到上位机,此部分主要是ZigBee、处理器、4G模块的硬件电路设计和网关处理数据的软件工作流程设计。上位机的智能灌溉决策模型主要包括规则模型和数学模型,规则模型是根据小麦灌溉管理的专家知识和种植人员的经验设计的,数学模型是利用彭曼公式和水平衡方程对小麦需水量和所需灌溉量进行的建模,这两种模型均可对小麦的灌溉进行预报和决策,从而达到节水灌溉的目的。最后设计了可实时显示的监控界面,将采集的信息和灌溉决策更直观的展现给用户。
  本文设计的基于物联网的小麦智能灌溉系统以ZigBee技术和4G技术相结合的方式实现无线传输,解决了有线传输中布线麻烦、不易维修等问题。同时,该系统的智能灌溉决策模型给出了两种基于不同的灌溉策略下的灌溉决策方法,提高了小麦智能灌溉的准确性,为小麦节水灌溉提供了参考,具有一定的实际意义。
[博士论文] BASIR UL HAQ
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:独脚金内酯(Strigolactones,SLs)是一种重要的植物次生代谢物,它在调节植物根的生长、根毛发育、芽枝产生、植物共生菌的互作等生理过程中都发挥着重要作用。通过对拟南芥、豌豆、水稻和矮牵牛的芽枝突变体研究已经鉴定出多个参与独脚金内酯合成和信号传导的关键基因,然而,其在大豆中是如何合成以及信号是如何传导等却仍然并不清楚。
  鉴于独脚金内酯如此重要而它们的生物合成底物(类胡萝卜素)又是普遍存在的,因此在本研究中,我们主要对大豆基因组中控制独脚金内酯合成和信号传导相关的基因进行了鉴定。我们首先在大豆基因组中找到MORE MAXILLARY BRANCHING(MAX)的同源基因:GmMAX1s,GmMAX2s,GmMAX3s,GmMAX4;然后根据表达水平对这些基因进一步筛选,最后挑选出四个基因在根中表达量相对较高,且与根中独脚金内酯合成相关。为了进一步研究GmMAX的基因功能,我们挑选GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a作为候选基因并借助相关突变体材料进行了深入研究。在拟南芥中,通过突变体、突变体互补以及超表达株系对这四个基因进行了功能鉴定,并鉴定了它们在芽枝、株高、叶形、主根长度、毛状发根、表皮毛数目和长度等表型中的作用。我们发现在互补材料中不仅外在表型得到了恢复,而且突变体植株中被破坏的激素平衡比如所有突变体中JA和ABA的含量显著降低,生长素在atmax1,atmax3,atmax4中显著偏高等变化也恢复到正常水平。而在超表达转基因株系中,相比于野生型其激素含量及平衡又被打破。
  非生物逆境对许多作物的产量产生不利的影响,因此我们也在转基因拟南芥和大豆根毛中检测独脚金内酯合成和信号转导相关基因的功能。在独脚金内酯合成和信号转导相关基因的拟南芥突变体atmax1,atmax2,atmax3,atmax4中,发现在干旱条件下突变体的存活率比野生型有显著降低,同时发现超表达独脚金内酯合成和信号转导途径的GmMAXs基因同对照超表达GUS基因相比,可以显著提高根毛的抗旱性。表型分析发现突变体也表现出对干旱胁迫更为敏感的表型。这些结果表明独脚金内酯合成途径和信号转导途径在干旱胁迫中起着重要作用。
  GmMAXs的材料根毛形态的变化,发现转基因阳性株系的根毛显著长于对照组。转录组分析发现这些基因超表达后许多激素相关基因的表达也都发生显著变化。与之对应,GmMAX1a,GmMAX3b和GmMAX4a超表达材料根毛中ABA含量减少,JA含量增加;GmMAX1a和GmMAX4a超表达株系根毛中生长素含量增加,而GmMAX3b超表达株系的根毛中生长素含量并未检测到明显差异。GmMAX2a超表达株系与GUS对照材料相比ABA和JA含量都显著增加,IAA含量降低,而在抑制株系GmMAX3b-KD则观察到完全相反的表型。
  同时,我们也在大豆的超表达和抑制株系中检测了这些基因对结瘤的影响。超表达GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a的株系(GmMAX1a-OE,GmMAX2a-OE,GmMAX3b-OE和GmMAX4a-OE)中结瘤数目增多,而在GmMAX3b的抑制株系(GmMAX3b-KD)中结瘤数目减少。GmMAXs转基因发根中几个关键结瘤基因的表达水平也发生了改变。说明独脚金内酯相关的GmMAXs系列基因正调控结瘤。另外,我们也发现在B.japonicaUSDA110菌株处理48h后,超表达株系中的结瘤早期基因如GmNSP1a,GmNSP1β表达量显著高于GUS对照组。
  另外,亚细胞定位显示独脚金内酯合成相关的GmMAX1a-GFP,GmMAX3b-GFP,GmMAX4a-GFP融合蛋白定位在叶绿体,信号传导相关的GmMAX2a定位于细胞核。该研究不仅揭示了独脚金内酯合成和信号转导途径在大豆中的保守性,还表明独脚金内酯跟其他激素之间的互作可能在控制植物发育及大豆结瘤中发挥重要的作用。GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a参与的独脚金内酯合成和信号传导可能通过影响根毛形成及与根瘤菌互作来调控大豆的结瘤。
[硕士论文] 刘晓斐
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:倒伏是影响水稻高产稳产优质的重要因素之一,倒伏的发生严重限制了水稻机械化收割的推广。白叶枯病是水稻生产中最为严重的细菌性病害,该病侵染源复杂且危害严重,而化学防治效果甚微,培育抗白叶枯病水稻品种是目前最经济有效的途径。稻瘟病已经成为我国六大稻区的共性病害,目前大面积应用的光温敏核不育系的稻瘟病抗性水平低。因此,培育既抗倒伏抗、抗白叶枯病和稻瘟病的光温敏核不育系对我国水稻生产有着极其重要的意义。
  本研究对“华1015S”与抗倒伏材料“XJ12200-1”杂交后代中选育的7份不育系新材料进行抗倒伏性、白叶枯病和稻瘟病抗性、育性转换特性、主要农艺性状和配合力的评价,为后续的育种应用提供了有实用价值的依据。主要研究结果是:
  1、通过育性转换特性、生育特性、主要农艺性状和开花习性的鉴定表明,华5091S、华5124S、华5306S、华5310S和华5325S育性转换的起点温度约为23℃、自然条件下稳定不育期55-80天,基本符合水稻光温敏核不育系的育性要求,可以对其他性状做进一步的评价。其中,华5325S的生育期与华1015S一致,平均播始历期82天左右,其他4个新不育系比华1015S迟1~4天。华5325S的植株较矮、穗大粒多、但分蘖较少。华5306S的植株最高,达到98.3cm,比华1015S高9.6cm,其他3个不育系的株高比华1015S稍矮。5个新不育系的每穗总粒数均多于华1015S。但是柱头总外露率都比华1015S低。
  2、通过抗倒伏性相关参数的测量结果表明,与亲本华1015S相比,华5124S、华5306S和华5325S的倒三节节间直径大,长度短,抗折力明显提高,而华5091S和5310S与亲本相当。其中,华5306S的抗折力最大。
  3、白叶枯病和稻瘟病抗性鉴定结果表明,华5091S、华5124S、华5306S、华5310S和华5325S的白叶枯病鉴定表现抗至高抗,分别比亲本华1015S提高1到2个抗级。华5091S、华5124S、华5306S、华5310S和华5325S的叶瘟1-3级,与华1015S相似。除华5124S的穗颈瘟发病率达到47%,明显高于华1015S以外,其他4个不育系的穗颈瘟发病率都在4.0%-13.0%,与华1015S相似。用35个稻瘟病菌株人工接种鉴定叶瘟表明,除华5306S的抗性频率为94.3%以外,其他4个新不育系的抗性频率均为100%。
  4、配合力分析表明,华5325S的产量一般配合力最强。并且容易配制出早熟、植株较矮、产量较高的组合,但直链淀粉含量较低。通过优势鉴定,筛选出2个早熟、高产、米质优的组合华5325S/华润2号和华5325S/五山丝苗,可以进一步进行试制种和比产试验。
[博士论文] 沈钰森
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:甘蓝型油菜(Brassica napus L.,2n=38,AACC)是世界上重要的油料作物,为人类提供了食用油、为动物提供了蛋白饲料、也为工业发展提供了生物质能。理想株型的甘蓝型油菜品种可以提高植株对光能的利用、便于合理密植及适宜机械化收获,是我国当前油菜育种的重要目标。开展甘蓝型油菜株型相关性状的QTL定位及遗传调控机制解析,可为分子定向育种奠定基础。本研究利用甘蓝型油菜和荠菜(Capsella bursa-pastoris)杂交产生的分枝紧凑的异源渗入系为亲本之一,构建了DH群体和高密度的SNP遗传连锁图,进行了分枝角度的QTL定位及候选基因预测,发现控制株高、第一分枝高、茎秆直径与开花期的共定位QTL,主要结果如下:
  1.DH群体与高密度遗传连锁图谱的构建
  以紧凑分枝的渗入系Y689和甘蓝型油菜品种Westar为亲本、利用小孢子培养技术构建了包含208个株系的YW-DH群体,用60K SNP芯片进行基因分型,构建了一张包含3,073个SNP标记的高密度遗传连锁图谱,总长为2,242.14cM,平均标记密度为0.73cM。将SNP标记比对到甘蓝型油菜参考基因组上,发现A02和C02染色体上存在易位现象,而在A06,A08,C01和C07染色体上存在明显的染色体缺失,显示渗入系在培育过程中可能发生了较大的基因组变异。
  2.分枝角度性状的QTL定位
  2014-2016年将YW-DH群体在半冬性、冬性和春性的六个环境中种植并考察了分枝角度性状,结合群体的基因型数据,在全基因组范围内共检测到17个QTL,其中位于A03上的QTL(qBA.A03-2)能被重复检测到,解释10.21%-13.21%的表型变异;位于C03染色体上的两个相邻的QTL(qBA.C03-3和qBA.C03-4)也能被重复检测到,分别解释10.55%-21.73%和14.02%-17.21%的表型变异。与他人的结果对比表明,这三个都是新发现的主效QTL。候选基因预测生长素早期响应基因SAUR30(BnaC03g14890D)和SA UR55(BnaC03g16420D)可能参与调控油菜分枝角度大小。
  3.株高、第一分枝高、茎秆直径和开花期的主效QTL共定位
  对YW-DH群体中株高、第一分枝高、茎秆直径和开花期多年多点的表型考察发现,这四个性状相互间存在显著相关性。其中株高与第一分枝高、茎秆直径和开花期的相关系数分别为0.67、0.76和0.61;第一分枝高与茎秆直径和开花期的相关系数分别是0.53和0.68;茎秆直径与开花期的相关系数是0.54。
  对这四个性状进行QTL定位,检测到调控株高的主效QTL有5个,解释平均表型变异10.81%-22.97%;调控第一分枝高的主效QTL有5个,解释平均表型变异9.69%-21.99%;调控茎秆直径的主效QTL有5个,解释平均表型变异11.19%-16.58%;调控开花期的主效QTL有4个,解释平均表型变异11.76%-30.89%。在这19个主效的QTL中,有11个是新发现的QTL,包括调控株高的3个,调控第一分枝高的3个和调控茎秆直径的5个;并且这19个主效QTL都分布在A02和A07染色体的末端,在A02上1.4-24.6cM和A07上104.0-122.2cM处形成两个QTL簇。将这两个QTL簇内的QTL用元分析的方法进行区分和整合,分别得到3个和4个控制两个或以上性状的共定位QTL。为探究这几个性状的遗传基础(调控基因是紧密连锁或一因多效),我们进行了条件QTL分析。结果表明位于A02染色体上的QTL簇内控制四个性状的基因可能是一因多效;位于A07染色体上的QTL簇内控制四个性状的基因可能存在紧密连锁。这为主效QTL的进一步精细定位及其在分子育种中的合理利用提供了有价值的参考。
[硕士论文] 张倩雯
植物营养学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:磷是植物生长发育必需的大量营养元素。在种子发育阶段,植酸(肌醇六磷酸)是种子中磷的主要贮存形式,对植物感知体内磷水平和维持无机磷的稳态起到关键作用。但是,植酸容易与金属阳离子螯合,形成植酸盐。由于人和单胃动物的消化道不含植酸酶,无法分解植酸盐,从而降低金属元素的可利用性,引起微量元素缺乏症。同时,植酸盐随粪便排出体外,造成磷资源的浪费,流入江海湖泊甚至导致水体富营养化。油菜是我国主要的油料作物,其主产区土壤有效磷较低。此外,菜籽饼(粕)常用来作为饲料。因此研究甘蓝型油菜种子植酸积累的遗传特性,对油菜磷高效研究和低植酸育种具有重要意义。课题组前期利用甘蓝型油菜60K Illumina SNP芯片对甘蓝型油菜关联分析群体进行基因分型分析,最终获得19397个高质量SNP标记。本研究利用铁沉淀法测定油菜关联分析群体390个品种种子植酸浓度和含量,结合SNP标记对甘蓝型油菜种子植酸浓度和含量进行全基因组关联分析。同时测定不同磷水平下,甘蓝型油菜BnaTNDH群体182个株系以及亲本Tapidor和宁油7号种子植酸浓度和含量,基于BnaTNDH群体2041高密度遗传连锁图谱定位了油菜种子植酸相关的QTL。结合前期油菜苗期营养液培养和纸培根形态性状,分析种子植酸浓度、植酸含量与苗期根形态性状的相关性。主要结果如下:
  1.油菜关联分析群体种子中植酸浓度与含量呈正态分布,具有较大的遗传变异。利用TASSEL5.0软件,构建GLM和MLM模型进行植酸含量相关性状的全基因组关联分析,共检测到35个与种子植酸浓度、植酸含量关联的显著SNP位点,解释表型变异范围为5.33%-7.29%,分别分布在甘蓝型油菜A2、A3、A4、A5、A6、A9、A10、C1、C2、C3、C4、C7和C8染色体。这些SNP位点表型贡献率较低,表明油菜种子植酸浓度和含量可能是由微效多基因控制。在A09染色体上,重复检测到一个与种子植酸含量显著关联的SNP(Bn-Scaffold000321-p23083),对SNP标记LD区间内的基因进行分析,预测了4个候选基因,它们分别参与了磷的吸收转运,种子中植酸的合成运输。该SNP位点附近紧密连锁的5个SNP形成8种不同的单倍型,其中单倍型C(AANAA)是植酸含量较低的单倍型,单倍型E(AAYNA)是植酸含量较高的单倍型。
  2.本研究测定了低磷(LP,9P2O5kg/ha)和正常磷(HP,90P2O5kg/ha)处理BnaTNDH群体182个株系种子植酸浓度和植酸含量,结合BnaTNDH群体2041高密度遗传连锁图谱,共检测到6个油菜种子植酸相关的QTL,分别分布在A3、A9和C6连锁群。以欧洲冬油菜品种Darmor-bzh的基因组为参考基因组,对QTL区间的基因进行GO富集分析,结合拟南芥注释,预测了5个候选基因,这些基因的功能主要与植酸合成、硫酸盐转运和磷饥饿响应有关。
  3.甘蓝型油菜BnaTNDH群体种子植酸浓度与纸培无磷处理的地上部鲜重和地上部干重呈负相关。甘蓝型油菜关联分析群体种子植酸含量与纸培无磷处理地上部干重、根干重、主根长和总根长呈正相关。由于相关性系数较低,只具有统计学意义,不具有生物学意义。种子植酸浓度、植酸含量与苗期根形态性状的相关性需要进一步通过生理试验验证。
[硕士论文] 侯瑞
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:青贮玉米属于青饲作物,其茎、叶及果穗经发酵后均可用作家禽、家畜的饲料。加强青贮玉米的育种研究不仅可以解决当前青饲作物生产能力不足的问题,还能大幅度提高农牧交错区农民的收入,对实现农业由数量型增长向优质高效型增长的方向转变有着深远意义。
  本研究利用以大刍草为供体、优良玉米自交系综3为受体构建的重组自交系群体(BC2F7-RIL)为材料,从中选取138个家系作为母本,分别与5个青贮玉米自交系进行杂交,进而在多环境下对杂交组合的单株生物量及4个生物量相关性状进行表型评价,主要结果如下:
  1.以138个家系为母本分别与3个青贮玉米自交系进行杂交,共组配了263个杂交组合。基于这些杂交组合在黄冈和鄂州环境下的单株生物量、株高、穗位高、茎粗和单株绿叶数的表型,筛选了28个生物量大的杂交组合。
  2.利用当选的28个杂交组合的20个母本系,继续与4个青贮玉米自交系进行杂交,共组配了80个杂交组合。对这80个杂交组合的单株生物量和4个生物量相关性状进行评估,筛选到了2个生物量高于对照材料(雅玉8号)的杂交组合:ZT70×HZ2和ZT209×HZ2。
  3.杂交组合ZT70×HZ2和ZT209×HZ2的平均株高分别为331.81cm和315.28cm,单株生物量分别为1.75kg和1.80kg,分别比对照高38.89%和42.46%,具备作为青贮玉米的潜在价值。当选杂交组合中的2个渐渗系(ZT70和ZT209)也为青贮玉米育种提供了优良种质资源。
[硕士论文] 靳宏沛
生理学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是重要的单子叶模式作物,也是我国主要的粮食作物之一。水稻在生长发育中,低温冷害是常见的问题。研究水稻耐冷性的分子生理机制对我国水稻高产高效生产和粮食安全具有重要意义。为了研究低温在水稻中的作用机制,最直接有效的工具就是构建水稻突变体,基因敲除是实现该目标的最有效方法。本研究从水稻低温表达芯片中挑选了11个受低温胁迫诱导表达的基因,利用CRISPR/Cas9技术创制了8个基因的功能缺失突变体,以及3个购自RISD(Rice T-DNA Insertion Sequence Database)的T-DNA突变体,研究这些基因与耐冷性的关系,主要结果如下:
  1.水稻低温响应基因的筛选:根据日本晴幼苗低温芯片基因表达谱筛选出11个低温响应基因(Metall、UL、WRKY45、WI12、ADT、RBP、OS2、POT、PRP、CP12和RCI2-6)。qRT-PCR检测了这11个基因在4℃条件下诱导表达水平,发现PRP基因的表达受诱导最为显著;WRKY45和WI12基因在4℃诱导表达也明显;ADT、RBP、OS2和POT基因受低温诱导水平较低;而Metall、UL、CP12和RCI2-6基因在4℃低温条件下有一定变化。初步说明这些基因与低温有一定的关系。
  2.CRISPR/Cas9缺失突变体的创建:利用CRISPR/Cas9技术构建了WI12、ADT、RBP、OS2、POT和PRP基因的CRISPR/Cas9双靶位点载体。另外,CP12和RCI2-6基因各选取一个靶位点,构建了这两个基因的共同双靶位点载体。利用农杆菌遗传转化法获得了52株基因编辑突变体。其中,WI12、RBP、OS2、POT和PRP基因转基因株系已筛选到纯合突变体,ADT基因已筛选到杂合突变体,而CP12和RCI2-6基因已筛选到杂合双突变体。其中,POT基因转基因株系P-56,编辑比较特殊,发生了不在靶位点(在两个靶位点之外)编辑的大片段缺失。
  3.Metall、UL和WRKY45蛋白的亚细胞定位:构建了3个基因(Metall、UL和WRKY45)的亚细胞定位表达载体,分别转化到水稻原生质体。激光共聚焦显微镜观察发现,Metall定位在细胞质中,UL定位在叶绿体中,WRKY45定位在细胞核中。
  4.Metall、UL和WRKY45基因T-DNA纯合突变体株系农艺性状调查:共分离检测筛选获得了3个T-DNA纯合突变体,qRT-PCR检测T-DNA纯合突变体目的基因表达均比野生型低。Metall、UL和WRKY45T-DNA纯合突变体株系的结实率、穗长、1-4级节间长度、株高和有效分蘖数等指标均比野生型DJ显著下降,说明这3个基因缺失影响了水稻的生长发育。
  5.T-DNA纯合突变体耐冷性鉴定:水稻纯合突变体和野生型株系的三叶期幼苗4℃胁迫处理。Metall纯合突变体4℃处理4d,UL和WRKY45纯合突变体4℃处理5d,恢复生长后发现Metall、UL和WRKY45基因的T-DNA突变体株系均对低温比较敏感,这3个基因可能正调控水稻的耐冷性。
[博士论文] 王转茸
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:菌核病是由核盘菌引起的一种严重威胁油菜产量和品质性状的真菌性病害。核盘菌通过向寄主植物分泌细胞壁降解酶CWDEs、多聚半乳糖醛酸酶PGs和病原菌相关的分子PAMPs等与寄主植物建立侵染关系。为了抵御病原菌的侵染,植物进化出一类多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白PGIPs来抑制PGs的活性。本研究在甘蓝型油菜7-5(低抗)、P61-5(高感)和T45(高感)材料中超表达水稻的OsPGIP2基因,通过分子鉴定和抗性鉴定筛选出了16个菌核病抗性显著提高的T1代转基因家系,之后继续对转基因家系的T2、T3和T4代进行分子鉴定、菌核病抗性鉴定、种子品质性状和千粒重的考察,最终获得了菌核病抗性显著改良且遗传稳定的转基因油菜种质资源。此外,利用RNA-seq技术分析了转基因和非转基因家系核盘菌侵染后的差异表达基因,提出转基因甘蓝型油菜中由OsPGIP2介导的抗病调控网络。主要研究结果如下:
  1.转基因家系中OsPGIP2的拷贝数鉴定和表达量分析
  对16个转基因家系进行Southern blot检测,确定7-5B、7-5C、7-5D、7-5G、7-5H、7-5J、T45B#1、T45B#2和T45C为单拷贝插入植株,7-5A、P61-5A、P61-5B#1和P61-5B#2为双拷贝插入植株,7-5M含有5个拷贝。qPCR检测发现,在不同转化事件的转基因家系中,OsPGIP2基因的表达水平存在较大差异;在同一转化事件中,OsPGIP2基因的表达量无显著性差异;在含有5个拷贝的7-5M家系中,OsPGIP2基因的表达量最低。同时,T2和T3代抗病性鉴定显示,除了7-5M家系,其它转基因家系菌核病抗性与非转基因对照相比都提到了显著提高。这些结果表明OsPGIP2基因已成功整合到甘蓝型油菜基因组中,OsPGIP2基因的低拷贝插入事件能够增加甘蓝型油菜的抗病性,而多拷贝插入事件易导致目的基因沉默。
  2.OsPGIP2转基因家系的抗病性鉴定与种子千粒重和品质性状分析
  T4代转基因家系离体叶片接菌72hpi的菌斑面积都显著小于非转基因家系;喷菌丝存活率实验显示转基因家系具有良好的苗期抗性;成株期模拟极端疾病压力实验证明转基因家系的发病率低于非转基因家系;在离体茎秆接菌和田间茎秆接菌实验中,转基因家系菌斑长度都显著小于非转基因家系。成株期接种核盘菌后,转基因家系种子中芥酸和蛋白质的含量与非转基因家系相比无显著差异,而转基因家系种子千粒重和含油量都显著高于非转基因家系。以上结论证明,转化OsPGIP2基因能够改良甘蓝型油菜7-5、T45和P61-5的苗期和成株期菌核病抗性,同时能够保证种子的千粒重和品质性状更少的受到菌核病影响。
  3.解析OsPGIP2介导的防卫反应途径
  RNA-seq结果显示,OsPGIP2介导的抗病反应主要依赖于调节与RLKs(receptor-like kinases)、细胞内钙和离子转运、过氧化物产生和H2O2清除相关基因、JA/ET及生长素、转录因子、疾病防卫反应相关基因、细胞壁重建、CYP/GSH/Histone、碳源代谢和转运等相关的植物先天免疫反应路径。DAB staining和qPCR结果显示,OsPGIP2转基因家系中H2O2的积累和氧化还原反应相关基因的表达都显著高于非转基因家系。OsPGIP2转基因家系茎秆细胞壁单糖含量的测定结果显示,油菜茎秆中阿拉伯糖、木糖、纤维素、甘露糖和木质素的含量随花期的发展逐渐增加,在终花期OsPGIP2转基因家系的纤维素、半纤维素和甘露糖的含量都显著高于非转基因家系,说明转入OsPGIP2可能影响细胞壁糖类组成相关途径来提高油菜的菌核病抗性。
  4.SsPGs和OsPGIP2互作分析
  油菜叶片提取物培养核盘菌发现,核盘菌在加入OsPGIP2转基因叶片提取物的培养基上生长显著延缓,菌丝排布紧密,而对照中核盘菌生长快,菌丝排列松散。qPCR检测接菌茎秆中的核盘菌致病基因SsPGs的表达量显示,OsPGIP2转基因家系中SsPGs的表达显著低于对照。比较OsPGIP2与核盘菌PGs之间互作的亲和性发现,OsPGIP2与SsPG3和SsPG6的亲和性高于OsPGIP2与SsPG1和SsPG5的亲和性。利用Splite luciferase(LUC)互作实验进一步证实OsPGIP2能够与SsPG3和SsPG6互作,而不与SsPG1和SsPG5互作。
  综上所述,在油菜中超表达OsPGIP2能显著增强甘蓝型油菜的苗期和成株期菌核病抗性,而不损害种子的千粒重和品质性状。OsPGIP2转基因家系的叶提取物能延迟病原菌侵染,从而增强其对核盘菌的抗性。组成型表达OsPGIP2可增加活性氧的产生,提高茎秆细胞壁纤维素、半纤维素和甘露醇的含量,并影响油菜先天免疫反应相关基因的表达。同时,OsPGIP2蛋白能与核盘菌SsPG3和SsPG6发生互作,表明OsPGIP2在转基因甘蓝型油菜防卫反应机制中起着重要作用。
[硕士论文] 孙梦丹
生物质能 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:纤维素是植物细胞壁的主要成分,影响细胞壁的理化特性和生物质利用。纤维素是由纤维素合酶(Cellulose synthase,CesA)复合体催化合成。纤维素合酶基因家族已分为初生和次生细胞壁纤维素合酶两类。其中次生壁纤维素合酶基因在细胞壁合成和植物生长发育中的一些功能业已研究,但初生壁纤维素合酶基因的相关功能报道较少。本研究分析了水稻和拟南芥初生壁合成相关基因在水稻中的功能,初步解析了初生壁对水稻生长发育的影响,测定了木质纤维素的产糖效率。其主要结果如下:
  1.鉴定了水稻OsCesA5基因T-DNA插入突变体,纯合水稻突变体株高和茎秆各节间长度均显著降低。水稻超表达OsCesA5基因可以促进转基因水稻幼苗和倒1节节间伸长。
  2.基于Q-PCR基因表达量定量分析,突变体Oscesa5-3材料中与初生壁合成相关的OsCesA3、5、6基因表达量显著下降,与次生壁相关的OsCesA4、9表达量升高,而超表达p35S::OsCesA5水稻转基因材料植株相关基因表达量呈相反的趋势。
  3.透射电镜观察细胞壁厚度,突变体初生壁变薄而次生壁厚度不变;超表达植株初生壁加厚,次生壁变薄。
  4.测定成熟茎秆纤维素的聚合度(DP)和结晶度(CrI),突变体纤维素的DP和CrI均显著降低,而超表达植株则显著升高。
  5.分析成熟茎秆细胞壁成分,突变体中纤维素、半纤维、木质素含量显著降低,超表达植株中均显著升高。
  6.突变体中半纤维素合成相关基因GT43和木质素合成相关基因4CL1、4CL3、4CL4表达量均显著下降,超表达植株中相关基因表达量均显著上升。
  7.在1%NaOH预处理条件下,突变体木质纤维素酶解产糖效率显著提高,乙醇产量高达21%(%干重)。
  8.在水稻中异源超表达拟南芥AtCesA3、6、7、9,其转基因植株株高均显著降低。
[硕士论文] 谢勇军
生物化学与分子生物学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是世界上最重要的作物之一,同时也是一种单子叶模式植物。在生长发育的过程中,水稻会遭到许多非生物逆境的胁迫,这给水稻产量造成了重大损失。因此,培育出具有抗逆性的水稻新品种具有十分重要的意义。现有的研究虽然已经报道了许多逆境相关基因,但这距离人们全面了解水稻的抗逆机制还有很长的一段距离。
  为了更进一步地了解水稻的抗逆机制,本研究从公共数据库和本实验室中共搜集得到了491张与水稻非生物逆境相关的基因芯片。计算得到了各个非生物逆境下的差异表达基因之后,我们对这些差异表达基因行了GO富集分析以及启动子区顺式作用元件分析。最后,我们构建了各个非生物逆境下的基因共表达网络。研究的主要结果如下:
  1.计算得到了各个非生物逆境下的的差异表达基因。其中干旱胁迫下的差异表达基因有2506个,低温胁迫下的差异表达基因有2936个,高温胁迫下的差异表达基因有2259个,盐胁迫下的差异表达基因有2463个,且有174个基因在四种非生物逆境下都差异表达。
  2.提取各个逆境下的差异表达基因转录起始位点上游1.5kb的序列作为启动子区,对这些启动子区进行顺式作用元件分析。在干旱胁迫条件下,我们鉴定到了26个顺式作用元件,其中有20个顺式作用元件与数据库中已知的顺式作用元件具有较高的相似性,其余6个则是功能未知的。在低温胁迫条件下,我们鉴定到了16个顺式作用元件,其中有12个顺式作用元件与数据库中已知的顺式作用元件具有较高的相似性,其余4个则是功能未知的。在高温胁迫条件下,我们鉴定到了17个顺式作用元件,其中有13个顺式作用元件与数据库中已知的顺式作用元件具有较高的相似性,其余4个则是功能未知的。在盐胁迫条件下,我们鉴定到了24个顺式作用元件,其中有18个顺式作用元件与数据库中已知的顺式作用元件具有较高的相似度,其余6个则是功能未知的。
  3.计算得到基因的表达量之后,我们构建了各个非生物逆境下的的基因共表达网络,并鉴定到了相应的基因模块。通过对基因显著性以及模块关系进行筛选,我们得到了与各个非生物逆境相关的候选基因。在干旱胁迫条件下,我们鉴定到了13个基因模块和200个与干旱胁相关的候选基因。在低温胁迫条件下,我们鉴定到了17个基因模块和441个与低温胁迫相关的候选基因。在高温胁迫条件下,我们鉴定到了22个基因模块和139个与高温胁迫相关的候选基因。在盐胁迫条件下,我们鉴定到了11个基因模块和57个与盐胁迫相关的候选基因。
[博士论文] MUHAMMAD MAHMOOD AHMED
CROP BIOTECHNOLOGY 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:随着世界人口的增长,人们对棉花的需求也越来越大,导致棉花育种工作的主要目标是保障棉花纤维产量的稳定。由于单铃籽棉重是由多重产量性状决定,因此提高棉花的产量是一个巨大的挑战。产量和纤维品质共同调控棉铃发育。解析调控棉铃大小农艺性状的遗传和生物学机制,对棉花研究者来说仍是一个巨大的挑战。为了解析其遗传机制,一个通过种间杂交获得的小棉铃突变体BS41,在调控单铃籽棉重,皮棉重,百粒重等性状表现出杂种衰败。通过多重标记的检测,在12染色体上鉴定到了一个稳定的调控位点,qSCW-c12。在后代BC2F4群体中,这个位点qSCW-c12在AD-A12_07和AD-FM_44标记之间,大小为0.89cM。
  一个主效的杂交衰败多效性位点(qSCW-c12),其在多个连续的群体中被证实调控棉铃的大小和产量性状。通过连续的精细定位,在12号染色体上将其缩小到0.89cM遗传区间,与之相对应是包含11个基因的180Kb的物理区段。同源比对也测到了一个40个碱基插入缺失位点在AD-FM_44克隆序列,在与SCW紧密连锁的GhBRH1_A12基因的上游341的位置。通过在BS41中超表达GhBRH1_A12和Li1的转录组分析显示,其在棉铃发育早期调控棉花纤维的发育。忽略其生长抑制,BS41表现出油菜素甾醇平衡在棉铃发育过程中,即BR信号受抑制,导致在BS41中GhBRH1_A12下调表达。
  本研究表明GhBRH1_A12在调控BR平衡中发挥了重要的作用,其可能通过在棉花中影响棉铃的大小调控植株的生长发育和棉铃的发育。GhBRH1_A12作为一个决定棉铃重,皮棉重和百粒重的候选基因,通过调控BR信号路径影响衣分,纤维密度和单铃种子数。总的来讲,通过精细定位和图位克隆的SCW调控位点qSCW-c12,鉴定到了GhBRH1_A12候选基因,一个BR响应的RING结构域包含E3连接酶。
  在具有完整注释信息的四种棉花基因组中我们预测了BRH1基因。BRH1基因的遗传多样性,结构和功能变异被强调,在AtBRH1多肽中发现两个结构域,一个是推测的具有信号传导作用的跨膜螺旋(TMH)结构域,一个是具有E3连接酶活性的RING锌指结构域。四种棉花基因组中完整的注释信息有利于BRH1候选基因的预测。在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉中分别预测到16、4、7、8个BRH1基因。利用转录组数据测定棉花基因组中BRH1基因在根,叶,茎,花瓣,花药,柱头,胚珠,10天,20天纤维和种子的组织表达模式。在第1天和第3天,野生型比Li1中观察到更高的GhBRH1_A12转录本丰度。这些发现表明GhBRH1_A12可能在棉铃发育早期通过调控纤维发育来参与调控SCW。
  细胞中的分子过程可以通过一种重复的DNA序列,既微卫星定位,由于其长度变异和基序的不完整性。这种遗传变异的机制在不同的有机体中得到了广泛的研究。然而,基因组内容复制的进化过程主要被植物所占据,关于非编码的DNA还了解的很少。本研究第一次详细在植物界的5个分类学家族的13个植物物种中,研究了在基因组合的基序的不完整模式。
  我们研究了不同种类植物的基因组范围内的基序不完整模式,并利用各种分析工具,研究了微卫星重复密度、不完整程度和长度等特征关系。此外,比较基因组学方法有助于探索在棉花进化中微卫星的保守性。根据我们的研究结果,在棉花中,长基序重复的较慢衰减导致第二高频率的5nt基序占主导。此外,2nt的重复在四倍体棉花中有一个较快的衰减速率。与可可相比较发现,“AT”重复变得越来越少在分化过程中,因为棉花这一分之在现在的棉花驯化过程中经历了全基因组复制和多倍体化的过程。
  这项研究的结果可能对探索简单的非编码遗传元素的相对进化足迹,如重复,通过对棉花基因组特异性特征的进化,提供了参考。类似地,短的基序重复出现了快速的减少,伴随棉花进化的过程2nt重复急剧减少,“AT”在四倍体棉花中减少的最为激烈。然而,如果对目前的研究结果加以考虑,对“AT”基序的衰减热点全面分析,以及四个基因组的不完整性,可以揭示其对基因调控要素的影响,是进一步了解其基础机制的必要条件。
[硕士论文] 赵丽
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:油菜生产中,产量、抗倒性表现优良品种所具有的特征对后期选育新品种有重要借鉴意义。本试验于2015-2017年采取多点试验方法,选用20个品种,在长江流域(武汉、黄冈、武穴、南昌、昆明、成都、南京)生态区种植,筛选出不同类型品种,同时研究与品种相关的关键农艺性状,探索气象因子(日照时数、温度、有效积温、太阳辐射量、降雨量等)与产量、倒伏关系。
  1.高产适应性强与低产适应性弱油菜产量均受到地上生物量、单株角果数影响,限制低产适应性弱油菜产量提高的因素同时有根茎粗、分枝数,故选育高产品种时,可优先考虑增加植株单株角果数、地上生物量,在保证较大单株角果数、地上生物量基础上,增加植株分枝数、根茎粗。茎秆生化成分中,油菜低产适应性弱特性受茎秆中纤维素、木质素含量的影响,高产适应性强特性与纤维素、木质素无明显相关性,当油菜茎秆中纤维素含量较多,木质素含量较少,有助于提高低产适应性弱品种的产量。低产适应性弱品种产量易受到环境因子的影响,影响地上生物量关键气象因子为太阳辐射量、降雨量、日均温差,其中降雨量为影响地上生物量的关键指标(Y=55.5187+1.4873X1-1.6843X3-3.1133X4,R2=0.7403,其中Y、X1、X3,X4分别代表地上生物量、苗期、花期、角果期降雨量),苗期降雨量较多,花期、角果期降雨量较少,有利于地上生物量的提高;影响单株角果数的关键气象因子为太阳辐射量、日照时数、平均温度,其中日照时数为影响单株角果数的主要指标(Y=-107.4756-41.0334X1+51.4413X4+57.3412X5,R2=0.7974,其中Y、X1、X4、X5分别代表单株角果数、苗期、角果期、全生育期日照时数),苗期日照时数相对较少,角果期、全生育期日照时数相对较多,有利于增加油菜产量。
  2.高抗适应性强品种与低抗适应性弱品种影响抗倒性主要因素为抗折力,限制低抗适应性弱品种抗倒性增强的因素同时有分枝高、株高,故选育高抗品种,可优先考虑增强植株茎秆抗折力,在保证植株较大茎秆抗折力基础上,降低植株分枝高、株高。茎秆生化成分中,高抗适应性强品种与低抗适应性弱品种均受到茎秆中纤维素含量影响,低抗适应性弱品种倒伏指数同时受到茎秆中木质素含量的影响,故增强低抗适应性弱品种抗倒伏能力可首先增加植株茎秆纤维素含量,其次考虑木质素含量的增加。低抗适应性弱品种倒伏性状易受到环境因子的影响,影响分枝高关键气象因子为日均温差、太阳辐射量、日照时数,最关键影响因子为日温差(Y=192.0558-5.2729X2-7.8765X3,R2=0.8271,其中Y、X2、X3分别代表分枝高、薹期、花期日温差),薹期、花期较大日温差有利于增加植株抗倒性;低产适应性弱品种株高主要受到太阳辐射量、日照时数、降雨量的影响,最关键影响因子为降雨量(Y=130.0967+8.3776X1+15.4994X2+9.8460X5,R2=0.8616,其中Y、X1、X2、X5分别代表株高、苗期、薹期、全生育期降雨量),苗期、薹期、全生育期降雨量不宜过多。
  3.品种中影响产量最关键指标为单株角果数;影响倒伏最关键指标为抗折力,故单株角果数177.8个-209.2个可作为长江流域高产且生态适应性好的品种选择的指标,抗折力99.1N-121.8N可作为长江流域高抗且生态适应性好的品种选择的指标。抗折力、纤维素可作为协调产量、抗倒性的综合指标,油菜茎秆抗折力较大、纤维素含量较多,则产量较高,抗倒性较强,适宜的抗折力在99.1N-121.8N,纤维素含量在24.67%-30.11%。
[硕士论文] 谢赛
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,全球变暖引发的区域性高温是导致农作物雄性不育的重要因素之一,并且严重威胁农业生产。研究表明GhCKI在响应高温导致棉花雄性不育方面具有重要功能,因此为了进一步解析高温胁迫导致棉花雄性不育的败育机理,通过酵母双杂筛选出与GhCKI互作的GhACBP4(acyl-CoA-binding protein4)蛋白,并且从超表达GhCKI拟南芥花蕾和棉花H05(高温敏感型)花药的磷酸化蛋白质组中筛选出3种ACBP4的磷酸化肽段。因此,本研究主要解析GhACBP4在花药中的功能,主要结果如下:
  1、经过序列分析发现,在陆地棉基因组中GhACBP4存在6个同源基因。组织表达模式分析表明Gh_A13G0893/Gh_D13G1134在花药中优势表达。然而转基因材料proGh_A13G0893::GUS的组织表达模式表明,该基因在花药、胚珠和萌发后的种子中高量表达。而且,高温诱导表达模式分析表明,在花药开裂期(ADS,>24mm花蕾)GhACBP4同源基因总体的表达量受高温诱导后可能会下调表达。
  2、综合比较6个同源基因的表达水平和3种磷酸化肽段,选取Gh_A13G0893做进一步的功能研究。在超表达Gh_A13G0893和Gh_A13G0893-3'UTR-RNAi特异干涉棉花材料中,都出现了雄性不育的表型。在Gh_A13G0893-3'UTR-RNAi不育材料中GhACBP4的6个同源基因表达量均降低,可能与拟南芥acbp4acbp5突变体败育表型相一致。借助透射电镜观察超表达不育材料的花药,在绒毡层降解时期,小孢子内部缺乏淀粉和脂滴,内壁缺失,而且绒毡层中没有脂滴;在花药开裂期,花粉外壁没有含油层。
  3、相比野生型,超表达GhACBP4不育材料的花药中脂肪酸含量下降。并且野生型YZ1和H05的花药中脂肪酸的含量受高温胁迫后也发生显著变化。利用薄层层析发现,在超表达GhACBP4不育材料的花药和高温诱导H05的花药中,脂质的含量也显著变化。这些结果表明超表达GhACBP4不育的表型同高温诱导野生型败育的表型具有相似性。
  4、为了验证GhCKI和GhACBP4是否存在互作,并了解它们发生互作的位置,通过酵母双杂、双分子荧光互补实验和双分子荧光素酶互补实验发现,GhCKI和GhACBP4存在互作,同时这两个蛋白共定位于过氧化物酶体中。然而,如果将GhACBP4蛋白的501和517氨基酸位点由丝氨酸(S)突变为甘氨酸(A)后,含有501位点突变的GhACBP4就不能与GhCKI发生互作,但含有517位点突变的GhACBP4与GhCKI仍有微弱互作。
  5、在原核表达过程中发现,带有His标签的GhACBP4蛋白可能具有多种磷酸化修饰状态,进而无法在体外被GhCKI磷酸化。
  6、经过综合分析,推测GhACBP4过量表达会激活GhCKI转录,导致大量GhACBP4蛋白被GhCKI磷酸化;而GhACBP4的活性可能降低,或被降解。当GhACBP4转录水平受到抑制,其蛋白水平也降低。并且,在高温诱导条件下,这两种情况可能同时存在。因此,这可能造成过氧化物酶体中脂质转运发生异常,最终导致花粉败育。
[硕士论文] 张桑里
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是我国的主要粮食作物之一。利用两系法杂交水稻是人们更好地实现水稻杂种优势利用的重要途径。稻瘟病和白叶枯是目前导致水稻减产的主要病害,而过量施用农药会污染环境、降低稻米品质。因而,培育抗稻瘟病和抗白叶枯病的两系杂交水稻品种,将有利于提高产量和保护环境。广占63-4S是两系杂交水稻育种中的优良不育系之一。本研究的主要内容如下:(1)以本实验室前期选育的抗稻瘟病、抗白叶枯病不育系华1015S为供体、广占63-4S为受体,通过杂交和分子标记辅助选择培育新的抗稻瘟病、抗白叶枯病不育系;(2)华1015S为供体、广占63-4S为受体,通过连续回交、自交,分子标记进行前景选择和背景选择,创建具有广占63-4S遗传背景的Xa23单片段渗入系和Pi2、Xa23双基因渗入系;(3)以华1201S为供体、广占63-4S为受体,通过连续回交、自交,分子标记进行前景选择和背景选择,创建具有广占63-4S遗传背景的Pi2单片段渗入系。主要研究结果如下:
  1.从‘广占63-4S/华1015S’后代中选出3个携带Pi2、Xa23基因的新不育系,分别命名为华3222S、华4821S和华5111S。
  2.抗性鉴定结果表明,华3222S、华4821S和华5111S抗稻瘟病和白叶枯病,抗性水平与供体亲本华1015S相当。3个新不育系的生育期和主要农艺性状介于两个亲本之间,与华1015S相比,株高明显降低。稻米品质与广占63-4S相似,但产量配合力不如广占63-4S。华5111S的综合性状表现较好,建议在后期的育种计划中重点使用。
  3.创建了Pi2基因单片段(约1.22Mb)渗入广占63-4S背景的株系三个,编号是SL16024-27、SL16024-95和SL16024-115,背景回复率99.68%,初步观察表型与广占63-4S相似,稻瘟病抗性明显提高。创建了Xa23基因单片段(约4.77Mb)渗入广占63-4S背景的株系一个,编号为SL16025-15,背景回复率98.72%,初步观察农艺性状与广占63-4S有一定差异,白叶枯病抗性明显提高。创建了Pi2、Xa23双基因渗入系1个,编号是SL16026-111,其中Pi2基因在6号染色体插入片段0.80Mb,Xa23基因在11号染色体插入片段3.34Mb,在10号染色体上有非目标基因插入片段10.88Mb,背景回复率达到95.96%,稻瘟病和白叶枯病抗性都有明显提高,但是农艺性状与广占63-4S也有一定差异。后期需要对这些基因渗入系进一步进行性状鉴定和基因聚合。
[博士论文] 孙程明
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:油菜是世界三大油料作物之一,是我国食用植物油的重要来源。人口的不断增长对食用油的产量增加提出了更高的要求。株高和分枝角度是油菜重要的株型性状,适度紧凑的分枝角度能提高油菜的种植密度,合适的株高能增强植株的抗倒性。因此,解析两个性状的遗传机制,挖掘优良的等位基因对株型育种具有重要价值。本研究中我们利用Illumina60K SNP芯片对520份甘蓝型油菜材料进行基因分型,在重庆、长沙、南京和武汉多点调查群体的分枝角度和株高。最终利用3种关联模型对2个性状进行了全基因组关联分析,主要研究结果如下:
  (1)经过Genome Studio软件的质控,剔除分型不明确的或多拷贝的SNP,最终得到19,167个高质量SNP标记。利用Structure软件和筛选出的SNP标记计算群体结构,将关联群体分为2个亚群。群体平均亲缘关系值为0.061,表明群体株系间的亲缘关系较弱。
  (2)当r2=0.1时,A,C亚基因组及全基因组的LD衰减距离分别是1,046、7,882kb和6,660kb。通过Haploview软件共检测到2,315个单倍型域(Haplotype Block),总长177.4Mb,占油菜已组装基因组的20.9%。A亚基因组的单倍型域总长只占全基因组单倍型总长的24.8%,显著少于C亚基因组的75.2%。9个单倍型域长度超过3Mb,除了一个在A06,其余分布在C亚基因组的5条染色体上。这6个超长单倍型域横跨或靠近着丝粒,与染色体的反转录转座子富集,基因密度低的区域重叠。
  (3)520份甘蓝型油菜株系在4个环境中的分枝角度变异范围广,单个环境极端自交系间差异最高达43.3°,广义遗传力是78.5%。利用GLM、MLM和A-D test三种模型,最终检测到56个显著位点,联合解释51.1%的表型变异。在53个关联区域预测到77个候选基因,包含SGR2、SGR4、SGR8、SGR9、LAZY1、TIR1、AFB5、TAR2和ARF10等拟南芥已报道基因的同源基因。
  (4)520份甘蓝型油菜株系在6个环境的株高表型变异范围广,从48.33cm到228.39cm,广义遗传力高达85.2%。利用GLM、MLM和A-D test三种模型,共检测到68个显著位点,联合解释42.3%的表型变异。在65个关联位点附近预测到95个候选基因,包含油菜已报道基因BnRGA和GA2ox8以及拟南芥GA20ox1、GA20ox2、GA2ox3、GA2ox4、GAMT1、DET、DWF、BRI、BAK1、CYP90C1、CYP90D1、UGT73C5、AB CB1和PAO5等已报道基因的同源基因。
  (5)利用QTL侧翼标记的引物序列,将已发表的7个连锁群体和2个关联群体的株高QTL锚定至油菜参考基因组。本研究的70.5%关联位点与已报道的QTL重叠,29.4%位点在至少2个定位群体中得到验证。78.3%GLM和71.4%A-D test的关联位点与已报道的QTL重叠。
  (6)以高杆组作为参照群,在矮杆组中进行XP-CLR分析,预测到107个受选择区域,长度从10kb到250kb,总长5.1Mb,占油菜已组装基因组的0.8%。本研究中的24关联位点与受选择区域重叠。
[硕士论文] 范玲玲
农业遥感 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:粮食安全是直接关系人民生活、社会稳定和国民经济发展的重大战略问题。特别是对于拥有十几亿人口的中国来说,粮食安全更是成为了国内外广泛研究的热点。农作物空间格局时空动态演变信息反映了人类在空间上对农业土地资源的利用状况,是研究农田生态系统对生物地球化学循环贡献、全球变化对粮食生产系统影响的重要基础,对于保障国家粮食安全和优化土地利用格局具有十分重要的意义。小麦是我国北方地区居民的主要口粮,统计数据显示,2014年我国小麦播种面积达到2406万公顷,占当年全国粮食总播种面积的21.35%。除海南省,我国其余省市均有小麦种植。主要包括西南麦区、长江中下游麦区、黄淮海麦区和西北麦区,集中主产区位于黄淮海地区。近年来我国小麦单产和总产水平稳定发展,全国总量基本可以满足小麦供需平衡,然而由于各地气候条件、土壤类型、种植制度、品种类型、生产水平和管理技术存在差异,全国区域间的小麦生产存在明显的失衡现象。明晰长时间序列、大区域尺度我国小麦种植格局的变化特征,研究影响小麦种植区域变化的驱动因素,对于小麦安全生产具有重要意义。
  本文以小麦为研究对象,以省为研究单元,首先利用统计方法刻画了1949-2014年小麦种植空间格局的基础变化信息,然后结合农业经济数据以及气候数据,采用面板回归模型评估了促使小麦空间格局变化的驱动因素,尤其是气候因素。全文主要结论如下:
  (1)我国小麦生产具有明显的“波动中增长”的特征,波动性随着时间的推移被“熨平”,河南和安徽两省的小麦产量波动以及小麦单产因素对全国小麦总产波动的影响最大。同时,小麦种植空间分布省际分异性明显,20世纪80年代是其集散分布特征发生方向性变化的重要转折点。1949-1980年小麦种植面积分布总体上呈中部减少边缘增加的扩散趋势,同时这种发散的显著程度随时间变化是逐渐减弱的,1981-2014年小麦种植面积分布明显呈中部优势大省增加边缘省市减少的集中趋势,这种集中趋势使得小麦种植分布的不均衡性更加明显。
  (2)1949-2014年中国小麦种植重心分布在山西和河南交界线附近,65年间小麦种植重心沿西北方向迁移的直线距离为104km。1949-2014年中国冬小麦种植重心全部分布在河南境内,65年间冬小麦种植重心沿西北方向迁移的直线距离为31km。20世纪70年代之前,全国冬小麦种植面积以0.89×104ha/year的速率减少,冬小麦种植面积增加主要发生在四川、云南和河北,而缩减主要出现在河南、安徽和江苏。因此,该阶段冬小麦种植重心向西南迁移89km,70年代之后,全国冬小麦种植面积以1.99×104ha/year的速率减少,冬小麦种植面积缩减主要出现在四川、陕西和山西等北部地区,而增加仅出现在河南、江苏和安徽。因此,该阶段冬小麦种植重心向东北迁移66km。春小麦种植重心分布在内蒙古北部边境地区,其沿西南方向迁移的直线距离为692km。20世纪70年代之前,全国春小麦年增长面积绝对值为8.17×104ha,其年增长面积绝对值最高的省出现在黑龙江;70年代之后,种植面积以8.46×104ha/year的速率减少,其种植面积缩减主要出现在黑龙江、甘肃和新疆等地区。
  (3)小麦种植面积主要受社会经济因素的影响,同时气候因素的影响作用也较为显著。冬小麦面积主要受灌溉面积、城市化水平、每公顷耕地的耗电量、小麦纯收益以及农业总产值等社会经济因素的影响,其中65年间农业总产值变化对冬小麦面积变化的贡献率最高,达到了1938%,而温度和降水变化对冬小麦面积变化的贡献率分别为9.69%和11.05%。研究发现,温度对冬小麦面积重心迁移具有正效应且空间驱动作用明显,冬小麦生长季温度每上升1%,同期冬小麦面积增加0.09%,降水每增加1%,同期冬小麦面积减少0.56%。春小麦面积同样主要受城市化水平、小麦纯收益、每公顷耕地的耗电量、灌溉面积以及研发投入等社会经济因素的影响,65年间城市化水平的变化对春小麦面积变化的贡献率最高,达到了18.93%,而温度和降水变化对春小麦面积变化的贡献率分别为14.12%和13.19%。同时,温度对春小麦面积重心迁移具有负效应且空间驱动作用较为明显,春小麦生长季温度每上升1%,同期春小麦种植面积减少641%,降水每增加1%,同期春小麦种植面积减少1.95%。
[硕士论文] 柴凯斌
生态学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:为了评估秸秆还田对稻麦系统净生态系统经济效益(NEEB)的影响,本试验研究了不同秸秆还田量水平对稻麦系统土壤还原性状态、功能微生物丰度、温室气体排放、作物产量试验的影响。试验采用随机区组设计,包括4个处理,分别为上季作物秸秆不还田、1/3秸秆还田、2/3秸秆还田和秸秆全还田。主要研究结果如下:
  (1)随秸秆还田量增加,稻田土壤还原性物质总量和活性还原性物质随之增加;全量还田处理还原性物质总量和活性还原性物质总量较秸秆不还田、1/3还田和2/3还田处理分别提高了43%、17%、23%和48%、49%、18%;秸秆还田显著降低土壤氧化还原电位(Eh)。
  (2)秸秆还田显著影响土壤甲烷和氧化亚氮相关微生物基因丰度。秸秆还田增加了土壤中产甲烷菌基因(mcrA)丰度,较之秸秆不还田、1/3还田和2/3还田处理分别增加了27%、29%和15%,但对甲烷氧化菌(pmoA)丰度影响不显著。秸秆还田显著减少了氧化亚氮相关功能基因丰度,较之秸秆不还田、1/3还田和2/3还田处理,秸秆全量还田处理AOA丰度分别降低了8%、15%和5%;AOB丰度分别降低了18%、11%和4%;nirK丰度分别降低了13%、12%和7%;nirS丰度分别降低了20%、5%和6%。
  (3)甲烷(CH4)排放主要发生在稻季,其峰值出现在返青期和幼穗分化期。秸秆还田显著提高了CH4排放。与不还田处理相比,1/3秸秆还田、2/3秸秆还田和秸秆全还田处理CH4排放量分别提高了26%、21%和60%;氧化亚氮(N2O)排放主要发生在每次施肥后,秸秆还田量显著降低了氧化亚氮的排放。与不还田处理相比,1/3秸秆还田、2/3秸秆还田和秸秆全还田处理N2O排放量分别降低了18%、39%和38%;
  (4)秸秆还田显著增加作物产量,不还田处理下作物产量较之其他三个处理分别低了6.7%~9.4%,但还田量间的作物产量无显著性差异;
  (5)秸秆还田显著影响NEEB,表现为不还田处理<全量还田处理<1/3还田和2/3还田处理;1/3还田和2/3还田处理较全量还田处理分别提高了12.5%和3.5%;
  综上所述,1/3上季作物秸秆还田具有较高作物产量、较低温室气体排放量和较高NEEB,是目前较好的一种秸秆还田方式。其不仅增加了农业经济收益、缓解了全球变暖趋势,还增加了土壤肥力、保护了土壤微生物多样性,有助于农业生态可持续发展,值得推广。
[硕士论文] 钱可
生理学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:株高作为水稻重要的农艺性状之一,与产量关系密切。株高过高容易倒伏,株高过矮会导致生物质积累不够,影响水稻产量潜力,所以适宜的株高对于保障水稻产量十分重要,因此对水稻株高的研究具有重要的科学意义及应用前景。目前对于植物激素脱落酸(abscisic acid,ABA)的研究主要集中在响应逆境方面,而对其调控水稻株高的机理研究还不够,本实验利用野生型水稻(Dongjin)、过量表达OsSAPK10(OsSAPK10是水稻脱落酸信号转导途径中正向调控因子)和RNA干扰OsSAPK10的转基因株系作为实验材料,研究了OsSAPK10影响水稻抽穗期和节间伸长生长来调控株高的机理。主要实验结果如下:
  1.OsSAPK10的表达水平与水稻株高呈负相关趋势。与野生型相比,过量表达OsSAPK10的转基因株系显著变矮,且OsSAPK10表达量越高,株高越矮;与野生型相比,RNA干扰OsSAPK10的转基因株系显著变高,且OsSAPK10表达量越低,株高越高。
  2.OsSAPK10上调早穗基因表达水平,下调晚穗基因表达水平,导致水稻抽穗期提前,降低可伸长节间数目和穗长,最终降低水稻株高。与野生型相比,过量表达OsSAPK10的转基因株系中早穗基因(如OsFKF1,Ehd1等)表达水平上调,晚穗基因(如Ghd7,DTH7等)表达水平下调,抽穗期显著提前,节间数减少1个,穗长分别缩短了21.01%和24.54%;与野生型相比,RNA干扰OsSAPK10的转基因株系中早穗基因(如OsFKF1,Ehd1等)表达水平下调,晚穗基因(如Ghd7,DTH7等)表达水平上调,抽穗期显著延后,穗长分别增长了14.12%和16.02%。
  3.OsSAPK10下调节间中GA合成基因表达水平,降低内源活性GA含量,下调信号转导途径中正向调控基因表达水平,下调节间中细胞分裂及伸长相关基因表达水平,抑制节间生长,降低株高。与野生型相比,过量表达OsSAPK10的转基因株系中GA合成基因OsGA20ox3等表达水平显著下调,GA钝化基因OsGA2ox5等表达水平显著上调,活性GA4含量显著降低,GA信号转导正向调控基因d1、OsGID1、OsGRF1等表达水平显著下调,细胞分裂相关基因OscycB:1等表达水平显著下调,细胞伸长相关基因OsXTH8、OsXET、OsEXP1等表达水平显著下调,最上部节间长分别缩短了5.95%和18.38%;与野生型相比,RNA干扰OsSAPK10的转基因株系中GA合成基因OsGA20ox3等表达水平显著上调,GA钝化基因OsGA2ox5等表达水平显著下调,活性GA4含量显著升高,GA信号转导正向调控基因d1、OsGRF1等表达水平显著上调,细胞分裂相关基因OscycB:1等表达水平显著下调,细胞伸长相关基因OsXTH8、OsXET、OsEXP1等表达水平显著上调。
  4.OsSAPK10降低单株产量。与野生型相比,过量表达OsSAPK10的转基因株系穗粒数显著降低;与野生型相比,RNA干扰OsSAPK10的转基因株系穗粒数显著增多。
  综上所述OsSAPK10上调早穗基因表达水平并下调晚穗基因表达水平,促进抽穗期提前,使得植株营养生长过早向生殖生长转变,缩短了营养生长的时间,降低节间数和穗长,同时减少穗粒数,降低水稻单株产量;在节间伸长生长过程中,OsSAPK10下调节间中GA合成基因表达水平,降低活性GA4含量,下调GA信号转导正向调控基因表达水平,下调节间中细胞分裂及伸长相关基因表达水平,抑制节间生长,降低水稻株高。
[硕士论文] 张学峰
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:作为植物体遗传信息的重要组成部分,叶绿体基因组和线粒体基因组在系统进化、物种鉴定、核质互作、基因工程等研究中均发挥重要作用。非洲栽培稻(Oryza glaberrima Steud)是水稻种质资源利用的重要材料,对其细胞器基因组进行组装和分析,对拓宽水稻种质资源的遗传背景,开创水稻育种新途径具有重要意义。迄今,已经完成测序的水稻品种包括普通栽培稻和部分野生稻种,但尚无关于非洲栽培稻RAM3线粒体基因组序列的报道。
  本研究以非洲栽培稻RAM3构建的多个基因组文库为数据基础,拟分别完成其线粒体基因组和叶绿体基因组的组装,并对其进行初步分析,主要研究结果如下:
  1.叶绿体基因组的组装及分析:利用Miseq PE2500双末端测序数据,以NCBI收录的27条叶绿体基因组序列为参考,通过BWA比对提取水稻叶绿体基因组序列,并用Discovar Denovo软件进行初步组装并分别获得其LSC、SSC和IR序列片段,进一步连接完成后得到完整的RAM3叶绿体基因组。非洲栽培稻RAM3的叶绿体基因组全长134582bp,呈典型的四段式结构,编码117个基因,包含83个蛋白编码基因、4个rRNA和30个tRNA;其基因组结构、基因顺序、含量和密码子使用情况与其它已发表水稻的叶绿体基因组相似。在非洲栽培稻RAM3的叶绿体基因组中共检测到32个散在重复序列和32个串联重复序列。对非洲栽培稻RAM3叶绿体基因组的16个简单重复序列(SSR)分析发现:SSR都是多聚A或多聚T,在叶绿体基因组内呈不均一分布。
  2.比较基因组研究:非洲栽培稻与稻属其他五个AA物种(Japocin、Indica、Nivara、Rufipogon、Barthii)的叶绿体基因组整体相似性较好,但基因间区的变异较大;非洲栽培稻RAM3与五个AA稻属叶绿体基因组的IR边界基因都是一样,只有距离远近稍有偏差;基于31种植物7种不同的叶绿体基因数据集构建了系统进化树,进行了系统发育研究,发现叶绿体基因组的LSC、CDS、全序列、IGS数据集在进化分析中的支持率较高,结果更为可靠。并筛选出5个非洲栽培稻叶绿体特异标记,验证了本实验室自主选育的非洲栽培稻基因渗入系均具有非洲栽培稻细胞质。
  3.线粒体基因组的组装及分析:同时利用三个软件对非洲栽培稻RAM3线粒体基因组进行拼接组装,组装结果序列全长为495258bp,共编码84个基因,其中包含64个蛋白编码基因、3个rRNA和28个tRNA,整条线粒体含有16个内含子,分布在9个蛋白编码基因中。在非洲栽培稻RAM3的线粒体基因组中共检测到94个散在重复序列和29个串联重复序列。对非洲栽培稻RAM3线粒体基因组的37个简单重复序列(SSR)分析发现:SSR都是多聚A或多聚T,与叶绿体基因组相似,它们在线粒体基因组内呈不均一分布。对密码子使用偏性分析发现:亮氨酸的使用概率最高,色氨酸和蛋氨酸最少。
  4.非洲栽培稻RAM3线粒体基因组间序列分析,共发现75个AT富集区,A+T最大差异可以达到35.19%;预测RAM3线粒体基因组中28个tRNA的二级结构,共发现58个错配和1个缺失;对基因的选择压力分析,发现:受正向选择的基因nad6选择压力最大,基因nad2受到的选择压力最小,受中性选择的是基因cob。
  5.非洲栽培稻RAM3细胞器基因组间序列迁移分析:由叶绿体往线粒体的序列迁移,片段总长22311bp,约为非洲栽培稻RAM3线粒体基因组总长的4.5%。共有21个迁移片段长度大于或等于100bp,其中最长的片段长度为6752bp。
[硕士论文] 张景瑜
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:苎麻是中国重要的天然纤维作物之一。为避免与粮食作物争地,苎麻的种植区域逐渐向条件相对恶劣的山坡地转移。为保障苎麻的纤维产量和品质,进行苎麻抗逆研究十分重要,尤其是抗旱研究。苎麻抗逆相关基因的鉴定、克隆、功能解析及利用等研究,可为苎麻抗逆育种研究提供宝贵的基因资源,为苎麻抗逆分子机制研究奠定基础。转录因子是调控植物应激反应过程的重要参与者,在抗逆研究中有非常广泛的应用。脱水应答元件结合因子DREB基因是AP2/EREBP基因家族的5个亚家族之一,在植物响应多种非生物胁迫过程中发挥重要的调控作用,但其在苎麻抗逆相关基因的研究中还未见报道。本研究以苎麻优质品种“华苎5号”为试验材料,从实验室建立的转录组数据库中获取苎麻DREB基因序列,运用生物信息学分析对苎麻DREB全长基因进行鉴定,利用qRT-PCR技术研究了它们在干旱、高盐、高温、低温等胁迫处理下的苎麻叶片和根系中的表达模式。此外,还克隆了部分苎麻DREB基因并分析序列结构。主要结果如下:
  (1)从6个转录组数据库中筛选得到了20条具有全长编码序列的苎麻DREB基因,依次命名为BnDREB1-BnDREB20。参照拟南芥和桑树DREB氨基酸序列,对20条BnDREB氨基酸序列进行聚类分析,发现这些序列分别聚在DREB转录因子家族的5个亚组,其中A1亚组8条,A2亚组4条,A4亚组4条,A5亚组2条,A6亚组2条。对BnDREB蛋白序列进行保守元件预测,共检索出10个Motif元件,其中,Motif3和Motif1共同构成了BnDREB蛋白序列的保守结构域;分布在不同亚组中的其余Motif元件则发挥着各自的功能。BnDREB蛋白序列理化性质分析发现,各氨基酸序列长度在184-383之间,分子量在20659.21-42907.60Da之间,等电点在4.70-10.16之间,表明BnDREB蛋白序列理化性质差异较大;不同亚组之间无明显规律性差异。亚细胞定位预测发现,所有基因均定位在细胞核,有9条基因同时定位在细胞核和细胞质。克隆得到了7条基因,通过绘制内含子-外显子基因结构图发现,只有2条基因分别具有1个内含子,其余均只有1个外显子而无内含子。
  (2)在干旱、高盐、高温、低温等4种胁迫处理的过程中,苎麻植株的表型变化及响应速度存在差异。BnDREB基因在苎麻叶片和根系中的表达模式不同,几乎所有根系中的基因自胁迫3h至12h都始终显著下调表达,而叶片中基因的表达模式却相当复杂。此外,分析不同亚组间基因的表达规律,发现各亚组基因并不因含有特异性的蛋白序列保守元件而具有不同的表达模式,相同亚组内基因的表达模式也不完全一致,推测苎麻DREB转录因子对非生物胁迫响应过程的调控可能非常复杂。
  (3)部分基因具有比较特别的表达模式,如BnDREB5在叶片中自低温胁迫3h至12h始终显著下调表达,在根系中却始终显著上调表达,明显异于其他基因在苎麻两个部位中的表达模式;BnDREB19在4种胁迫下的苎麻叶片中均始终显著上调表达;BnDREB11在干旱、高盐、低温等3种胁迫下的苎麻叶片中均始终显著上调表达;BnDREB9、BnDREB10、BnDREB16在高盐、高温、低温等3种胁迫下的苎麻叶片中均始终显著上调表达。这些基因将作为优选基因进行后续研究,以期为苎麻品种的分子改良提供候选基因。
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