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。

摘要：中国是第二大菜籽油产出国,菜籽油产量占我国自产食用植物油约45％。自然环境的变化,如干旱、冷害、盐碱及冻害等对油菜的生长以及含油量都产生了很大的影响,因此提高油菜对逆境的抗性成为了研究的重点之一。本研究主要探究油菜在生长发育过程中,细胞内鞘脂的组成及含量对油菜生长发育的影响,以及在响应逆境胁迫时鞘脂代谢途径中的关键酶基因是如何改变鞘脂的含量和组成来调控油菜的抗逆性。
　　鞘脂是细胞膜的重要组成成分,同时作为生物活性分子参与调控细胞生长、细胞分裂、细胞凋亡和应激反应等。在植物中已经报道了鞘脂参与调控细胞程序性死亡、ABA信号途径、花粉发育和低温信号途径等现象,但具体调控机制不详细,尤其是鞘脂信号传导途径中的受体、靶蛋白和调控因子都未知。本研究利用质谱分析技术准确分析了油菜不同组织中鞘脂的含量和组成,发现鞘脂在不同组织中的含量和组成有着显著差异。进一步分析了在多种逆境胁迫条件下油菜叶片中鞘脂的含量变化,结果发现水分和盐胁迫导致油菜叶片中鞘氨醇长链Sph d18∶0和Sph d18∶1含量显著下降,暗示参与鞘氨醇(Sph)磷酸化的鞘脂激酶(SphK)活性增加。通过转录组分析,我们发现数了个编码鞘脂合成代谢途径的关键基因在水分和盐胁迫下表达量显著提高,以上数据表明鞘脂可能参与调控油菜逆境胁迫。我们进而在油菜中分别克隆了两个调控鞘脂代谢的鞘氨醇-1-磷酸(S1P)裂解酶基因(SPL1,SPL2)和两个调控鞘脂代谢水平的鞘氨醇-1-磷酸(S1P)去磷酸化酶基因(SPP1,SPP2),通过构建过表达载体和CRISPR/Cas9表达载体,进行油菜遗传转化并获得了阳性的转基因油菜。为下一步进行表型鉴定及鞘脂组成和含量检测,确定油菜中鞘脂代谢对油菜的生长发育及抗逆性的影响打下了重要基础。

摘要：油菜是世界上最重要的油料作物之一。油酸作为一种单不饱和脂肪酸，是油菜脂肪酸的重要组成部分。高油酸菜籽油因具有较高的食用品质、营养价值、存储和加工品质，在食用、工业和药用领域都具有极其重要的作用，成为品质育种的重要目标之一。本研究以高油酸的甘蓝型油菜J-3111为供体亲本，采用传统回交育种结合分子标记辅助选择(molecular marker-assisted selection，MAS)的策略，期望选育出具有受体亲本621R、L-135R（恢复系）和616A、195-14A（不育系）遗传背景的高油酸恢复系和不育系。主要结果如下:
　　1.分别构建621R×J-3111、L-135R×J-3111、616A×J-3111、195-14A×J-3111四个组合的BC1F1、BC2F1、BC3F1、BC3F2、BC3F3、BC4F1、BC4F2世代群体。通过前景标记和背景标记的选择，分别获得616A和195-14A BC3F3世代的高油酸可育双纯合基因型（RfpRfpBnaA.fad2.aBnaA.fad2.a）（恢复系）单株22株和19株，高油酸不育双纯合基因型（rfprfpBnaA.fad2.aBnaA.fad2.a）（不育系）单株30株和19株;分别获得616A和195-14A BC4F2世代基因型为RfpRfpBnaA.fad2.aBnaA.fad2.a（恢复系）的单株7株和24株，基因型为rfprfpBnaA.fad2.aBnaA.fad2.a（不育系）的单株l株和18株;分别获得621R和L-135R BC4F2世代的纯合高油酸基因型(RfpRfpBnaA.fad2.aBnaA.fad2.a)（恢复系）单株1株和16株。结合田间表型挑选10株（616A的2株可育株和2株不育株、195-14A的2株可育株和2株不育株和L-135R的2株可育株）背景最接近相应轮回亲本的纯合高油酸基因型的单株进行重测序分析。重测序结果表明，10个单株基因组绝大部分区域与相应的轮回亲本无差异，背景回复率达97.93％-99.45％，且油酸位点位于序列差异区段内。
　　2.利用气相色谱法测定39株中选单株自交种子和亲本种子的油酸含量。高油酸亲本材料（油酸基因型BnaA.fad2.aBnaA.fad2.a）的油酸含量为76.14％，受体亲本（基因型BnaA.FAD2.ABnaA.FAD2.A）的油酸含量在61.11％-65.32％之间，7份高油酸杂合（基因型BnaA.FAD2.ABnaA.fad2.a）中选单株自交种子的油酸含量在67.37％-70.57％之间，32份高油酸纯合（基因型BnaA.fad2.aBnaA.fad2.a）中选单株自交种子的油酸含量在68.15％-75.18％之间。中选单株的油酸含量显著的高于受体亲本。
　　3.考察10个与受体亲本遗传背景最接近的中选单株的角果长度(silique length，SL)、每角果粒数(number of seeds per silique，NSS)和干粒重(thousand seed weight，TSW)等产量性状，结果显示其主要产量性状都分别与受体亲本(616A、195-14A、L-135R)无显著差异。

摘要：茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)是水稻籽粒灌浆的同化物来源之一，对产量形成有重要贡献。促进茎鞘NSC的积累和转运，改善弱势粒灌浆是挖掘水稻产量潜力和提高产量的重要途径。然而，不同水稻品种茎鞘NSC积累和转运存在显著差异，生产上部分品种茎鞘NSC转运低，籽粒灌浆结实不良，并且高氮条件下水稻茎鞘NSC转运低;此外，水稻弱势粒灌浆差，限制了产量潜力的发挥。因此，本试验主要研究了不同氮水平下水稻茎鞘NSC积累和转运特征及蔗糖-淀粉转化相关酶活性、强弱势粒灌浆特征和籽粒韧皮部卸载特征，目的在于阐明茎鞘NSC积累和转运差异、强弱势粒灌浆差异和籽粒同化物卸载的生理和分子机理，为高产栽培和育种提供理论依据，对保证我国粮食安全具有十分重要的意义。
　　基于上述研究目的，本研究的主要内容是:(1)水稻叶片蔗糖磷酸合成酶(SPS)基因表达和活性与植株同化物积累和产量形成的关系;(2)氮对水稻茎鞘蔗糖-淀粉转化相关酶活性的影响及其与茎鞘NSC积累和转运的关系;(3)水稻穗颈大、小维管束特征的基因型差异及其与茎鞘NSC转运的关系;(4)水稻茎鞘NSC转运与籽粒同化物卸载的基因型差异及其生理和分子机理;(5)水稻强弱势粒灌浆差异及其生理和分子机理。主要结果和结论如下:
　　1.水稻品种两优培九(LYPJ)、汕优63(SY63)和黄华占(HHZ)幼穗分化至抽穗不同阶段叶片所有SPS基因（OsSPS1、OsSPS2、OsSPS6、OsSPS8和OsSPS11）的相对表达量均随植株生育进程推进而下降;SPS活性的变化趋势与其基因表达的一致。与高氮处理相比，低氮处理下SPS基因表达和活性增加。相关分析表明，SPS基因的相对表达量和SPS活性均与叶片NSC浓度显著正相关;叶片OsSPS1表达和SPS活性状态均与每穗颖花数和籽粒产量显著正相关;叶片OsSPS2、OsSPS6和OsSPS8的表达均与结实率和千粒重显著正相关。因此，适当减少氮肥施用有利于提高SPS基因表达和活性，进而增加植株NSC积累和促进产量形成。
　　2.水稻茎鞘NSC积累和转运表现出基因型差异且受到氮供应水平的影响，低氮处理增加了抽穗前茎鞘淀粉和NSC浓度，加速了抽穗后茎鞘淀粉水解，促进了茎鞘NSC转运。同时，低氮处理缩短了强势粒有效灌浆期，提高了其灌浆速率。进一步分析表明，低氮处理增加了花前茎鞘淀粉合成相关的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶的活性以及花后茎鞘淀粉向蔗糖转化相关的α-淀粉酶、β-淀粉酶和SPS的活性，并且这些淀粉合成相关酶活性与茎鞘NSC浓度的增加显著正相关，淀粉向蔗糖转化相关酶活性与茎鞘淀粉和NSC转运显著正相关。与LYPJ相比，SY63的茎鞘淀粉和NSC的积累与转运高，并且上述淀粉合成和淀粉-蔗糖转化相关酶的活性均高于LYPJ。由此可见，高的茎鞘NSC积累与转运主要归因于较高的茎鞘淀粉-蔗糖转化相关酶活性。在生产上适当降低氮肥用量，有利于茎鞘NSC转运进而促进籽粒灌浆。
　　3.源于珍汕97和明恢63重组自交系的4家系材料R46、R94、R118和R232穗颈大、小维管束数量和总横截面积表现出基因型差异。维管束特征的基因型差异主要表现在大、小维管束数量上，不同材料穗颈大、小维管束的平均横截面积及其韧皮部面积分别占其横截面积的比值均没有差异。不同氮处理对穗颈大、小维管束数量、平均横截面积、总横截面积和总韧皮部面积没有影响。穗颈维管束数量与茎鞘NSC转运、结实率、千粒重和产量正相关，相关系数表明小维管束与茎鞘NSC转运更加密切，大、小维管束韧皮部的功能差异可能是造成他们对产量贡献差异的原因。因此，在育种上选择穗颈维管束多且小维管束多的品种或采用栽培管理技术增加穗颈维管束的数量有利于促进茎鞘NSC转运和产量形成。
　　4.源于珍汕97和明恢63的重组自交系家系R91、R156和R201的茎鞘NSC转运具有显著差异。R201的茎鞘NSC转运显著低于R91和R156，并且R201的结实率、收获指数和产量均显著低于R91和R156。从源-流-库相关性状分析表明，三个家系具有相同的叶面积指数、比叶重、抽穗期茎鞘NSC浓度、生物量、单位面积穗数、每穗颖花数、茎鞘NSC活化能力、库容量、库活性、穗颈小维管束数量和横截面积，而R201具有较高的叶片SPAD、穗颈大维管束数量和横截面积。另外，R201成熟期茎鞘和枝梗NSC浓度显著高于R91和R156。这些结果表明，源-流-库相关性状不是导致R201茎鞘NSC转运低的原因，籽粒NSC卸载过程存在障碍可能是主要原因。
　　5.进一步研究发现R201灌浆期籽粒背部韧皮部筛管、伴胞与其周围薄壁细胞间的胞间连丝密度低于R91和R156，同时利用羧基荧光素二乙酸(CFDA)染料模拟韧皮部共质体运输发现R201籽粒韧皮部共质体卸载较弱。对三个材料灌浆期籽粒蔗糖转运蛋白(SUT)和细胞壁转化酶(CWI)的免疫印迹、免疫组化和基因表达分析表明，R201籽粒SUT和CWI基因和蛋白的表达低于R91和R156，同时R201籽粒CWI酶活性较低，表明其质外体卸载较弱。由此可见，灌浆期R201籽粒蔗糖卸载障碍导致其茎鞘NSC转运低，进而造成其结实率、收获指数和产量低。
　　6.杂交稻LYPJ和SY63强、弱势粒灌浆差异显著，弱势粒灌浆启动慢、有效灌浆期长、平均灌浆速率低，最终导致其粒重和结实率显著低于强势粒。不同氮处理对强、弱势粒的粒重和结实率没有影响。高氮处理延长了强势粒和弱势粒有效灌浆期，同时降低了其灌浆速率。进一步研究表明，一方面强势粒枝梗的横截面积、总维管束面积和总韧皮部面积大于弱势粒。另一方面，强势粒背部韧皮部细胞间胞间连丝密度、CFDA模拟的共质体卸载速率、SUT和CWI基因和蛋白表达和CWI活性高于弱势粒，表明强势粒韧皮部蔗糖卸载能力强于弱势粒。此外，籽粒转录组测序分析表明与粒型、粒重和籽粒灌浆及蔗糖水解和淀粉合成相关的基因、脱落酸合成相关的基因在强势粒中的表达均高于弱势粒，乙烯合成相关的基因在强势粒中的表达低于弱势粒。由此可见，强势粒具有较大的枝梗维管束面积、较强的韧皮部卸载和蔗糖-淀粉转化能力等是导致其灌浆强于弱势粒的原因。

摘要：水稻作为中国最重要的粮食作物之一，其年生产量对国家粮食安全和社会稳定非常重要。中国的水稻生产能否满足未来的粮食需求，取决于未来全国水稻种植面积的的变化，提高产量潜力和实际产量以增加稻谷总产量，总产量的增速与粮食需求的增速是否匹配。本研究采用国际上通用的产量差评估系统，通过分析水稻的潜在产量、农民实收产量以及两者之间的差距来评估在现有耕地面积基础上中国水稻生产潜力及其可增长幅度。此外，本研究重点关注作为我国重要商品粮基地的长江中下游地区。有研究表明，近年来该地区水稻产量增长缓慢甚至停滞。为此，本研究试图通过品种和栽培两方面进一步探究长江中下游稻区的增产途径。综上，主要开展了以下模型模拟和试验验证研究:(1)通过选取各水稻主产区的代表性品种对ORYZA v3模型进行校验，为潜在产量的模拟奠定基础;(2)评估中国水稻潜在产量和产量差，且按单、双季稻作系统对中国不同地域的水稻单产和总产进行系统、全面的评估;(3)从品种角度出发，通过模拟籼粳杂交稻在长江中下游地区的产量来进一步探究该地区潜在产量的提升空间;(4)通过设置五个品种和3个播期进行大田试验以获得不同温光配置类型。测定水稻相关的生长形态、产量和品质指标，探明长江中下游地区温光资源特征及最适温光配置。主要研究结果如下:
　　1.通过校验正后的ORYZA v3模型能够较好地模拟中国各水稻主产区的潜在产量。校正后该模型校正值与实际值之间的均方根误差值(RMSE)在产量、地上部生物量和生育期上分别为0.94t/ha、1.05t/ha和4d，标准化均方根误差(RMSEn)分别为9％、5％和5％，R2值分别为0.83、0.87和0.97。而验证结果也有相似结论，表现出RMSE、RMSEn较小和R2接近1，证明了该模型能够较准确地模拟出高产水平下水稻生长与干物质分配的过程，从而能够较好地模拟产量。
　　2.通过选择具有代表性的气象站点，对各个站点进行潜在产量的模拟，再将潜在产量、农民实际产量和产量差升区，得到全国水平的潜在产量、农民实收产量和产量差，分别为9.76t/ha、6.78t/ha和2.98t/ha，因此全国平均产量差为潜在产量的31％。此外，单、双季稻的平均产量差为潜在产量的28％、34％，说明双季稻的单产具有更大的提升空间。而对于可达到总产（潜在总产的80％）而言，单、双季稻具有同等的增产潜力(7-8％)，但是在达到潜在产量的80％之前，双季稻对总产的贡献率大于单季稻。此外，在中国水稻主要种植区域中，长江中下游地区的潜在产量和农民实收产量大于其它水稻主产区，产量差相对较小。在水稻主产省份中，当前水稻总产最高且总产量的可提升空间最大的省份为湖南、黑龙江和江西。
　　3.通过不同情景模式，分析了缩小产量差与2030年中国水稻粮食供需平衡的关系。几种典型的未来情景设定及分析结果如下:(1)若产量差缩小到潜在产量的26％，到2030年中国的水稻生产可达到供需平衡;(2)若产量差缩小到潜在产量的20％，中国水稻总产还可比预计需求多出约19Mt，相当于8％的耕地面积上所能生产的水稻产量;(3)若保持目前产量水平（产量差31％），且耕地面积维持不变，需进口11Mt水稻粮食才能满足未来需求，相当于全球水稻贸易总量的18％左右，将对国际水稻市场造成一定影响;(4)若保持目前产量水平，且耕地面积下降10％，则需进口约32Mt水稻粮食才能满足未来需求，相当于全球水稻贸易总量的50％左右，将对国际水稻市场造成巨大冲击。
　　4.以甬优12号为代表的籼粳杂交稻品种在中国长江中下游单季稻区种植的平均潜在产量为13.90t/ha，平均产量差为6.15t/ha，当前农民实收产量为甬优12潜在产量的55％，因此可提高空间还有近45％。据估算，若使用籼粳杂交稻品种作为长江中下游地区的中稻品种，该地区的中稻潜在产量可提高20％左右。此外，当籼粳杂交稻品种的产量达到其潜在产量的80％，其它地区保持当前产量不变，中国在未来（2030年）的水稻总产量也可满足人们的粮食需求，且总产量可多出约6Mt。
　　5.通过大田播期试验，将供试的各品种和播期的组合以温度为主要因子，划分为3种温光配置类型。配置一(LH):温度前低后高，营养生长期比灌浆期温度低至少2℃;配置二(MM):温度变化居中，营养生长期和灌浆期温度相近（26℃左右）;配置三(HL):温度前高后低，营养生长期比灌浆期温度高至少2℃。在这3种配置类型中，温度前高后低型的产量、品质和温光资源利用效率均最高。通过分析3种温光配置类型的温度分布特征发现，在长江中下游地区，当营养生长期温度范围在26-28℃，辐射在16MJ m-2d-1以上，且灌浆期温度范围在22-27℃时，相对产量大于1，有利于水稻获得高产。通过线性分析发现，当营养生长期温度、灌浆期温度分别在28℃、22℃左右时，产量、品质以及资源利用效率最高。

摘要：甘蓝型油菜是我国的重要油料作物，也在世界范围内广泛种植，它是由白菜和甘蓝杂交后形成的异源四倍体，其遗传基础较为狭窄。为了拓宽甘蓝型油菜的遗传基础，本实验室将白菜型油菜的Ar基因组和埃塞俄比亚芥的Cc基因组大规模地导入甘蓝型油菜中，形成了基因组组成接近为ArArCcCc的新型甘蓝型油菜，已有的分子标记分析表明，新型甘蓝型油菜与常规甘蓝型油菜有着显著的遗传差异，其基因组内存在大量新的遗传变异。但这些变异的详细特征，其在基因组内的位置和分布及其对性状改良有何影响，尚未可知。为了进一步详探外源导入和种间杂交给新型甘蓝型油菜基因组带来的新变异及其遗传效应，我们拟筛选优良的新型甘蓝型油菜纯合株系，与测序的甘蓝型油菜品种杂交，构建作图群体，获得高密度的遗传图谱，定位新型甘蓝型油菜内不同外源基因组导入的遗传变异，为后续深入分析甘蓝型油菜的基因组结构特征奠定基础。
　　本研究从课题组创建的第三代新型甘蓝型油菜(G3)基因库中选择110份纯合株系，分别与测序品种中国半冬性油菜宁油7号(Ningyou7)以及欧洲冬油菜Tapidor杂交。将这些亲本及其所配置的F1先后种植于西宁和武汉，根据苗期性状初步观察生长势以及收获后进行产量评估，确定了最优的3对由新型甘蓝型油菜亲本与Ningyou7、Tapidor杂交的F1。选取这6个杂种F1的花蕾进行小孢子培育，并经秋水仙碱加倍，获得了6个群体共约3680个幼苗，收获了约1165份花粉育性正常的植株种子。利用流式细胞仪对其中一个群体(NG3-1)小孢子幼苗的倍性进行鉴定，最后获得该群体275个双单倍体(DH)株系。对NG3-1DH群体及其双亲的农艺性状和品质性状进行了初步考察。
　　利用Illumina Hiseq PE150测序平台，对NG3-1DH群体的两个亲本进行了50倍覆盖深度的全基因组重测序，对275个DH系进行了5倍覆盖的全基因组重测序;两个亲本分别获得了71Gb和102Gb的高质量数据，群体获得了共2365Gb的高质量数据。以甘蓝型油菜基因组Darmor-bzhv4.1为参考基因组进行SNP Calling，对所获得的34万个原始标记进行了严格的筛选质控，共得到8422个标记（每个代表性标记包括若干个基因型一致的多态性标记）。使用MSTMap和Joinmap4.0软件对这8422个代表性标记进行分析并构建遗传图谱，最终得到含有2727个位点、覆盖长度为2664.01cM并且含有17条连锁群的高密度遗传连锁图谱。其中A02、C02这两条连锁群并未构建出，由于该群体亲本之一为含有外源基因导入成分的新型甘蓝型油菜，其A02、C02的染色体结构也较为复杂，在本研究中未进行分析，将在后续的研究中进行深入探索。本研究所获得的3对DH作图群体，以及NG3-1DH群体的高密度遗传图谱，将为后续开展新型甘蓝型油菜的基因组分析提供基础，并有助于发现作图亲本间的一些结构变异。

摘要：如何将有限的水土资源有效利用，在粮食供给得以保障的前提下，降低农业生产对资源环境的负面影响，是当今全球各农业大国面临的重大挑战。稻虾共作通过稻田养殖小龙虾，能充分利用稻田光、热、水及生物资源，将水稻种植和小龙虾饲养有机结合起来，具有农田减排和农民增收的双重效应，社会、经济和生态效益显著，应用前景广阔。
　　本试验通过室内养虾试验和田间秸秆还田投食试验，研究投食和秸秆还田对水稻和小龙虾生长及稻田土壤氮素动态变化的影响，为稻虾共作氮肥运筹提供理论依据和技术支撑。(1)室内养虾试验于2016年4月-2016年7月在华中农业大学水产学院实习基地(114°29′E，30°28′N)以克氏原螯虾为研究对象，通过设置不同含氮量的饲料:玉米(9.86mg/g)、花生（17.34mg/g）、复合饲料(22.22mg/g)、大豆（37.98mg/g）、不投食(CK)五个处理，研究饲料对小龙虾生长动态的影响，明确小龙虾对饲料中的氮的同化量和排泄量的差异性和相关性;(2)秸秆还田与投食试验于2016年和2017年在湖北省潜江市后湖管理区华中农业大学稻虾试验基地(112°71′E，30°39′N)，以水稻泰优390和克氏原螯虾为供试材料，设置秸秆还田投食(S+F)、秸秆还田不投食(S+NF)、秸秆不还田投食(NS+F)、秸秆不还田不投食(NS+NF)、水稻单作秸秆还田(CK+S)、水稻单作秸秆不还田(CK+NS)6个不同处理，每个处理设置3个重复，研究稻田氮素转化的动态特征，明确秸秆还田和投食双因素影响下，不同处理对稻虾系统水稻产量及构成因子、小龙虾产量、土壤理化性质、氮素动态特征以及氮素利用效率的影响。主要结果如下:
　　(1)投喂不同饲料对小龙虾生长动态、饲料摄取与同化的影响研究表明，投食显著增加了小龙虾的体重、头胸甲长和头胸甲宽。不同处理间，放养前和收获后小龙虾体重的差异表现为:投喂复合饲料＞投喂大豆＞投喂花生＞投喂玉米＞不投食，差异显著;体长的差异表现为:投喂复合饲料＞投喂大豆＞投喂花生＞投喂玉米＞不投食;小龙虾头胸甲长和头胸甲宽在不同处理间没有显著影响。投喂复合饲料可以使小龙虾的同化量氮达到最大值，不同处理同化量氮大小表现为:投喂复合饲料(337.18mg)＞投喂玉米(299.39mg)＞投喂大豆(294.11mg)＞投喂花生(216.26mg)＞不投食(66.65mg);粪便中氮总累计量的大小表现为:投喂复合饲料＞投喂玉米＞投喂大豆＞投喂花生＞不投食;小龙虾对饲料氮的利用率差异显著，具体为:投喂玉米＞投喂复合饲料＞投喂花生＞投喂大豆。投喂复合饲料不仅有利于小龙虾的生长，还可以提高饲料中氮的利用率，取食复合饲料的小龙虾排放的粪便中氮总累计量高，进入稻田中可以达到氮肥补偿和减肥增效的目的。
　　(2)秸秆还田与投食对产量的影响研究表明，稻田养虾对水稻产量比较结果为:NS+F＞S+F＞NS+NF＞S+NF，投食对产量有一定的正效应，秸秆还田对产量的影响不显著，投食能显著增加水稻的产量、有效穗数、结实率和每穗粒数，但对千粒重的影响不显著。稻虾系统中不同处理对小龙虾产量影响结果表现为:S+F＞NS+F＞S+NF＞NS+NF，投食显著增加了小龙虾的产量，秸秆还田对小龙虾的产量没有显著影响。
　　(3)秸秆还田与投食对土壤氮素的影响研究表明，土壤总氮含量相对稳定，在整个水稻生育期不同处理间、周年间没有显著差异，但总氮含量在S+F处理中最高，于收获期达到了2.0338g/kg，与CK+S相比，增加了18.8％，稻虾系统中投食会增加土壤总氮含量;土壤铵态氮、碱解氮含量在水稻整个生育期的变化趋势较一致，均表现为先升高后降低的趋势，同一生育期不同处理之间，NS+F处理中的铵态氮含量显著高于其他处理，稻田养虾增加了土壤铵态氮和碱解氮的含量;稻虾系统中土壤硝态氮含量在整个生育期内表现为先降低后升高的趋势，与CK相比，硝态氮含量偏低，稻田养虾降低了土壤硝态氮含量。
　　(4)秸秆还田与投食对氮素利用的影响研究表明，稻田养虾增加了氮肥偏生产力，同时也增加了氮收获指数和谷物收获指数。在稻虾系统中，不同处理之间氮肥偏生产力的大小表现为:NS+F＞S+F＞NS+NF＞S+NF，稻虾系统中投食提高了氮肥偏生产力，秸秆不还田也会提高氮肥偏生产力;在氮素利用效率方面，不同处理之间表现为:S+NF＞NS+F＞NS+NF＞S+F，稻谷收获指数大小表现为:S+F＞S+NF＞NS+NF＞NS+F，表明S+F处理虽然会增加稻谷收获指数，可以达到增产的目的，同时会造成氮素利用效率偏低，导致氮肥流失和浪费，也会造成环境污染，因此在稻虾田中应合理秸秆还田和适当投喂饲料。
　　(5)秸秆还田与投食对稻虾系统中氮平衡的影响研究表明，在四个不同处理中，氮素累计输出量和氮素输出/投入比值大小均表现为:S+F＞NS+F＞S+NF＞NS+NF，S+F处理更有利于稻虾系统中投入的氮素流入到水稻籽粒和小龙虾体内。在稻虾系统中，氮素转化率偏低，处于21.2％-58.7％之间，大部分氮素流失到了环境中，造成了资源的浪费。

摘要：植物细胞壁结构定向遗传改良，旨在提高能源植物木质纤维素酶解产糖效率。利用CRISPR/Cas9技术，本研究分别对水稻次生壁纤维素合酶OsCESA4和OsCESA7的P-CR结构域进行定点突变，已筛选到七种非移码突变体，并分析了其中四种T1代OsCESA7氨基酸缺失纯合突变体在生物学性状、mRNA表达、细胞壁结构特征、酶解效率等方面与野生型(NPB)的差异，其主要结果如下:
　　1、在OsCESA4和OsCESA7的P-CR区分别选择了5个位点进行编辑，获得T0代植株210株，从中筛选到133株突变体，其中以移码突变为主，且有少量的非移码突变。己获得四种T1代OsCESA7氨基酸缺失纯合突变体OsCESA7-PCR-1-2、OsCESA7-PCR-2-6、OsCESA7-PCR-2-8和OsCESA7-PCR-4-1;一种T0代OsCESA7氨基酸缺失杂合突变体OsCESA7-PCR-4-4及两种T0代OsCESA4氨基酸缺失杂合突变体OsCESA4-PCR-5-16和OsCESA4-PCR-5-17。
　　2、DNA测序分析发现，OsCESA7-PCR-1-2突变体CESA7第337位Leu缺失;OsCESA7-PCR-2-6突变体CESA7第416位Glu缺失;OsCESA7-PCR-2-8突变体CESA7从第415位开始缺失7个氨基酸(Glu、Glu、Gly、Trp、Val、Met、Gln);OsCESA7-PCR-4-1突变体CESA7从第385位缺失Phe和Val。
　　3、与对照品种NPB相比，在四种T1代OsCESA7氨基酸缺失纯合突变体中OsCESA7-PCR-1-2、OsCESA7-PCR-2-6和OsCESA7-PCR-2-8突变体结实率降低，茎秆变脆，机械拉力减弱。OsCESA7-P CR-1-2和OsCESA7-PCR-2-6的株高和抗倒伏能力没有明显变化，但OsCESA7-PCR-2-8的株高变矮，抗倒伏能力增强。
　　4、与NPB相比，三种脆茎突变体的纤维素含量下降7.4％-18.5％，纤维素聚合度(DP)减少22％-26％,结晶度(CrI)降低22％-39％。OsCESA7-PCR-2-6和OsCESA7-P CR-2-8三叶期叶脉细胞次生壁的厚度分别减少41％和68％。
　　5、与NPB相比，三种脆茎突变体的纤维素酶解产糖效率显著提高。2.0％H2SO4预处理后，纤维素酶解产糖效率提高11％-27％，预处理上清和酶解产糖总和提高9.0％-13％。0.5％NaOH预处理后OsCESA7-PCR-2-6和OsCESA7-PCR-2-8酶解效率提高8.5％和9.5％，预处理上清和酶解产糖总和未明显变化。
　　6、未变脆的T1代OsCESA7氨基酸缺失纯合突变体OsCESA7-PCR-4-1的株高未显著变化，结实率下降，纤维素DP上升5.0％，但纤维素CrI下降9.6％;CESA4、7、9蛋白含量与NPB无差异，2.0％H2SO4和0.5％NaOH预处理后，纤维素酶解产糖效率分别下降6.8％和9.4％。
　　7、OsCESA4和OsCESA7移码突变体表型变化剧烈，株高显著降低，分蘖减少，未能正常结实。

摘要：晚疫病(Late blight)作为全球范围内马铃薯生产上的头号病害，每年因晚疫病所造成的直接经济损失高达马铃薯总产值的15％。大量化学杀菌剂不仅增加资金投入，还会严重污染环境甚至危害人体健康，故防治晚疫病最为经济有效的方法是育成具有广谱且持久晚疫病抗性的品种。我国马铃薯晚疫病抗病育种中遇到的最大困难是抗性资源缺乏，现存的少数抗性资源的遗传背景、抗性来源不清楚，严重制约抗病育种。聚合马铃薯中具有NBS-LRR结构域的R基因育种仍是目前国内外最有成效的马铃薯抗晚疫病育种方法。
　　本研究基于本实验室十多年晚疫病抗病资源研究基础，旨在通过筛选得到一批马铃薯晚疫病抗性材料，并利用植病互作机制，R基因诊断标记，效应子组学和dRenSeq相结合的策略，明确优异抗性材料中已知R组成，并探索材料中是否含有未知抗病基因。为聚合抗病基因，选育广谱且持久的马铃薯品种提供资源基础;为克隆未知R基因提供原始材料和技术支持。主要结果如下:
　　1.用16-2、3928A、14-2三个晚疫病强毒力小种接种鉴定收集自国内外的240余份马铃薯材料，最终筛选出抗性水平在中抗及以上的抗性材料为36份。使用采自云南GN51，武汉HTP-9，荷兰NL11564的三个晚疫病原菌接种36份抗性材料，了解材料抗病谱。绝大多数材料对GN51依旧保持较好的抗性;新采集的HTP-9菌株能克服14％的抗性材料;50％的抗性材料能被NL11564克服。
　　2.R8基因PCR分子诊断结果表明:包含抗性对照材料‘加湘1号’共有20个抗性材料含有R8基因，说明R8基因在抗性材料中出现频率高。从7个晚疫病原菌生理小种中都能扩增出Avr8基因，尽管存在少数碱基差异，但都能与R8识别，推测这是R8具有广谱抗性的原因之一。抗性鉴定结果表明含有R8基因的材料大多数能病原小种NL11564克服。
　　3.选取了24个经过晚疫病抗性鉴定的具有一定代表性的马铃薯材料，进行了抗病基因测序诊断(dRenseq)，序列比对分析明确:这些材料中主要含有8个R基因，其中6个晚疫病抗性基因，分别是R8，R3a，R3b，R1，Rpi-blb1和Rpi-ptal，还有与病毒抗性相关的Rx，及抗线虫相关基因Gpa2。其中高代系抗晚疫病育种亲本06HE13-1含抗病基因多达6个。
　　4.根据诊断结果从抗性材料06HE13-1中尝试扩增R1和R8基因，克隆的R1和R8都存在长短两种类型，符合预期长度的基因分别能与Avr1和Avr8识别，表明这个材料中含有R1和R8基因，证明了dRenseq诊断结果的准确性。
　　5.利用PVX-agroinfection技术，在抗性材料叶片上用农杆菌进行牙签穿刺瞬时表达38个效应子。12个材料在单次穿刺表达效应子实验中有半数以上的穿刺点出现坏死斑，16个材料在穿刺实验中有少数效应子穿刺点出现坏死斑，表明抗性材料中可能存在与效应子识别的未知R基因。但仍然需要更多重复来验证。
　　6.36份抗性材料进行倍性鉴定结果显示:这些材料包含6个二倍体，21个四倍体，1个五倍体，和4个六倍体;农艺性状调查显示，材料总体农艺性状较好，并且具有一定多样性。

摘要：棉花是我国重要的经济作物,也是世界上最重要的天然纤维作物。我国是棉花消费和进口第一大国,也是纺织服装生产贸易第一大国。由于纺织工业的不断进步,人们生活水平及对衣着品质要求的提高,纺织业对棉花纤维品质的要求越来越高,因此寻找优质基因,对棉花纤维品质进行定向分子改良显得十分重要。纤维伸长期和次生壁增厚期对纤维的长度,细度及强度具有重要影响,因此本实验将对一个伸长期和次生壁增厚期优势表达的基因进行功能验证,以期能创制优质棉花材料。
　　实验室早期克隆了在纤维伸长期及次生壁增厚期优势表达的基因GhPCBER,本研究通过转基因的方法改变GhPCBER在纤维中的表达,探究其在纤维发育中的作用,取得的主要结果如下:
　　1.对陆地棉中GhPCBER家族进行了序列及表达分析,发现GhPCBER与拟南芥AtPCBER1较为同源,具有NADPH结合区,且在进化上保守。海岛棉与陆地棉中GhPCBER的表达模式较为类似。
　　2.通过表达量和Southern杂交检测得到符合预期表达量的低拷贝转基因植株。对成熟纤维品质进行考察发现干涉株系马克隆值变低,长度没有明显变化,EXPA2启动子驱动的超量表达株系纤维长度明显变长,马克隆值变低,35S启动子驱动的超量表达株系手梳纤维长度显示纤维长度变长。通过扫描电镜观察纤维横切面芨现EXPA2启动子驱动的超量表达株系纤维细胞的细胞壁变薄。
　　3.木质素含量测定发现干涉株系中木质素含量升高,与木质素合成相关的基因CAD上调表达,在超量表达株系中正好相反,CAD表达下调。
　　以上结果可以推测改变GhPCBER的表达可能改变体内木质素合成,进一步影响纤维发育,导致GhPCBER超量表达的棉花纤维变长变细,品质变好。本研究通过探究GhPCBER对纤维发育的作用为棉花纤维品质改良提供了一定的参考。

摘要：甘蓝型油菜（Brassica napus，AACC）是我国主要的油料作物之一，由白菜（Brassica rapa，AA）和甘蓝（Brassica oleracea，CC）天然杂交形成的异源四倍体物种。在甘蓝型油菜基因组中，大多数基因有多个拷贝，功能冗余严重，这阻碍了油菜基因组学的功能研究。CRISPR/Cas9基因组编辑技术广泛应用于动植物突变体的创制和基因的功能研究，但在甘蓝型油菜中CRISPR/Cas9产生的突变模式以及突变体的遗传特征尚不清楚。本研究中，我们针对12个甘蓝型油菜基因构建了10个CRISPR/Cas9基因编辑载体，以Westar为受体材料，对转基因株系的突变类型进行检测，分析了基因编辑在甘蓝型油菜中的模式、特异性和遗传规律。
　　结果表明，在T0代转基因植株中，靶向单基因的sgRNAs平均突变频率为65.3％;靶向多基因的sgRNAs诱导突变的平均频率为66.3％。在T0代转基因株系中检测到多种基因型，其中基因型为纯合、双等位和杂合的株系，其突变位点以典型的孟德尔遗传规律稳定地遗传给下一代，并且在T1代中没有新的突变产生。在所有检测的T0代植株中发现了没有Cas9插入的一个突变体株系，这可能是由于Cas9的瞬时表达或者在愈伤组织再生过程中丢失所致。另外，在T0和T1代株系中未检测到脱靶情况的发生，表明CRISPR/Cas9介导的基因编辑在甘蓝型油菜中具有高度特异性。同时，对转基因材料的表型分析表明，赤霉素信号通路中的负调控因子BnaA6.RGA功能获得型突变体植株明显矮小;BnaRGA功能缺失型四突变体株高明显增高。
　　以上结果表明，CRISPR/Cas9是一种有效的基因编辑工具，利用CRISPR/Cas9创制突变体大大加速甘蓝型油菜功能基因组学的研究，同时也为油菜的遗传育种提供重要的种质资源。

摘要：木薯，一种典型的热带作物，具有高光效、高生物量、耐旱、耐贫瘠等优良特性，是非常重要的粮食作物和潜在的生物质能源作物。木薯基因组高度杂合，遗传变异多样，这为品种改良提供了丰富的供试材料，然而常规育种周期较长，选育效率低下。木薯的许多农艺性状如淀粉含量、干物质含量、块根产量、产后生理衰变(PPD)等，都是微效多基因控制的数量性状，其遗传研究目前仍然十分有限。因此，挖掘木薯重要性状的优异等位基因变异及其标记，发展基因组选择育种技术，对于木薯品种改良有重要的指导意义。
　　本研究以158份不同来源（包括中国、南美洲、东南亚等地）的木薯种质作为研究对象，对包括叶型、株型、产量及品质三类性状及抗产后生理性衰变PPD等23个性状、进行连续3年4点12个环境下的表型鉴定，获得大量表型多样性数据，综合评价木薯种质资源;通过扩增片段单核苷酸多态性和甲基化(AFSM)简化基因组测序方法，获取该木薯群体的全基因SNP、indels以及甲基化分子标记，并对该群体进行遗传多样性分析、群体结构分析和全基因组关联分析。
　　主要结果如下:
　　1.木薯表型变异度较大，叶型、株型和产量与品质23个性状在不同环境下变异程度不同，11个数量性状中，广义遗传力变化在0.38-0.92之间，其中叶长宽比最高(0.92)，而干物质产量最低(0.38)。木薯采后生理衰变(PPD)研究中，我们优选出了糯米木薯、海南细叶、桂热4号、罗勇5号、ZM8625、ZM8641、SC205、G16、BRA258和E40710个抗PPD品种。对种质资源进行综合评价，根据综合指数筛选出桂热6号、CH16、BRA274、CM7595-1、SC124、SC205、10J、16P、17Q和2B共10个优异品种。
　　2.采用AFSM简化重测序总计获得34.98万个多态性标记(SNP+Indel)，较均匀覆盖18条染色体，平均分布密度达到1.48Kb/SNV。利用25，989个SNP和indels标记对木薯群体进行遗传多样性评估，，发现其遗传多样性指数（π）为1.21×10-4。群体结构分析表明这些木薯材料可划分为3个亚群，主成分分析和进化树分析表明木薯的亚群主要受其起源地影响而与采集地没有明显的分化关系，即在我国尚未形成明显的地理分化，这与其引进历史较短有关。亚群间的群体分化系数(FsT)在0.034-0.07之间，表明各亚群之间存在较低或中等水平的遗传分化。
　　3.利用158份木薯材料对各个性状进行全基因组关联分析，多个环境下总共得到115个显著性位点。其中质量性状有4个显著性位点;株型性状共检测到22个显著性位点，其中5个位点在多个环境下重复，贡献率在0.12-0.21之间;叶型相关性状共检测到35个显著性位点，7个显著性位点在多个环境下重复，贡献率在0.12-0.25之间;产量组成和品质性状共检测到54个显著性位点，多个环境下同时检测到2个位点。其中淀粉含量共获得4个关联位点，贡献率0.12-0.18;干物质含量获得10个显著性位点，贡献率0.13-0.19，;块根条数共获得9个显著性位点，贡献率0.12-0.16;块根产量获得9个显著性位点，贡献率在0.13-0.18;干物质产量获得8个显著性位点，贡献率0.13-0.18。
　　4.对显著性位点进行整合分析，共发现了14个显著性位点和不同的性状存在同样的关联性。块根重量和干物质重量这两个性状在2、4、18号染色体上分别有3个、1个和1个同样的位点。淀粉含量和干物质含量这两个性状定位到两个相同的位点，分别位于13号和9号染色体。块根条数与块根重量有一个相同的位点，该位点位于9号染色体。叶长宽比和中间裂叶长这两个性状在1、2、5和6号染色体上分别得到一个相同的位点。中间裂叶宽和叶长宽比这两个性状定位到2个相同的位点，分别位于3号和10号染色体上。同时，相关性分析表明这些表型之间有极显著的相关性。
　　5.对所有的显著性位点进行候选基因分析，鉴定出195个候选基因。其中131个基因用于组织差异表达分析。我们发现与株型和叶型相关的候选基因68个，除了20个基因在根和叶组织中表达量低外，其余48个基因在根和叶组织中表达量较高;块根产量和品质相关性状的候选基因有63个，其中10个基因在根和叶中的表达都很高，37个基因中等表达水平，仅有16个基因在根和叶中的表达量很低。对165个候选基因GO注释发现其大部分为细胞组分、催化活性以及参与细胞代谢等生物学过程的基因。

摘要：甘蓝型油菜隐性核不育系7365A是由两个位点控制的复等位遗传模式(BnaMs3/Bnams3，Bnams4a/Bnams4b/Bnams4c)，其中BnaMs3和Bnams4a为恢复基因，Bnams4b为不育基因。Bnams4b会导致油菜雄蕊退化，不能产生成熟的花粉，BnaMs3则能恢复这种不育的表型，而且这种遗传模式在拟南芥也同样的适用。研究认为Bnams4a是在转录水平上调控Bnams4b表达，BnaMs3是在蛋白水平上与Bnams4b互作。BnaMs3的进化分析和遗传转化实验表明，BnaMs3是一个功能获得性变异基因，而且功能获得变异位点可能存在功能结构域TPR和Hop的六个氨基酸残基内。本研究利用CRISPR/Cas9技术对编码与BnaMs3和Bnams4b都互作蛋白的基因A41进行编辑，对BnaMs3的作用机理进行初步探究。另一方面对BnaMs3的六个预测功能变异位点定点突变，结合转有Bnams4b不育材料，探究BnaMs3的功能变异氨基酸位点和功能结构域。主要研究结果如下:
　　1.A41基因编辑
　　A41是编码通过酵母双杂实验筛选到的与BnaMs3和Bnams4b都互作蛋白的基因，A41有蛋白酶抑制剂功能报道，猜测它参与了BnaMs3恢复Bnams4b的过程。对野生型拟南芥的A41基因CRISPR编辑，结果获得了纯合A41编辑并且无转基因的植株。通过杂交方式转入BnaMs3和Bnams4b都存在的植株中，结果并没有得到预期关于育性改变的表型，推测A41可能并没有参与BnaMs3恢复Bnams4b的过程。
　　2.BnaMs3功能变异氨基酸位点探究
　　针对预测的六个BnaMs3功能变异氨基酸位点，分别构建六个BnaMs3的定点突变表达载体转化野生型拟南芥，并与转有Bnams4b的拟南芥杂交。对后代的表型观察和醋酸洋红染色结果表明，BnaMs3的321氨基酸位点突变之后，BnaMs3失去恢复功能，推测该氨基酸突变之后改变了BnaMs3的蛋白质结构，从而影响了BnaMs3的功能。
　　3.BnaMs3在转录水平上调控Bnams4b的表达
　　定点突变结果表明，在结构域TPR上的一个氨基酸变异，会导致BnaMs3失去恢复功能。TPR蛋白在质体发育和基因表达上有重要功能，参与了质体的RNA剪切。qRT-PCR结果表明，BnaMs3降低了Bnams4b表达水平。推测BnaMs3是在转录水平上调控Bnams4b的表达，BnaMs3作为TPR蛋白，恢复了质体的RNA剪切缺陷，从而解除了Bnams4b对质体的破坏使得育性恢复。

摘要：再生稻是在头季收割后，头季残留稻桩上的腋芽重新生长成穗而获得再生季产量的一种水稻栽培模式，目前我国再生稻主要以移栽种植方式为主。直播稻以其省工、轻简化的特点成为近年来在我国迅速扩大的一项水稻栽培技术，直播再生稻是指在水稻头季直播的基础上蓄留再生稻，结合了直播稻和再生稻的特点，具有更加轻简化的优势。
　　但是，品种是限制直播再生稻发展的重要因素。水稻“直播-再生”模式要求品种同时具有直播和再生的品种特征,如合适的生育期、较强的抗倒伏能力、较高再生力和再生季产量。为探究适合在华中地区作“直播-再生”种植的品种特征，本试验将12个供试品种分为不同组别类型，如早中晚稻品种、杂交稻和常规稻品种、高中矮秆品种，分别用来确定适合华中地区直播再生稻系统的生育期、再生季和周年产量、抗倒伏能力等。此外，本试验还研究了再生力与粒叶比和头季收获后残留稻桩的单茎干重的相关性，以期为直播再生稻品种的育种工作提供理论依据。
　　研究结果如下，(1)中稻品种的平均周年生育期分别为198天，晚稻品种的平均周年生育期和中稻相近，而早稻品种的平均周年生育期却比中稻品种短34天，造成较大温光资源的浪费，应选用中晚稻品种在本地区作“直播-再生”种植;(2)倒伏是限制直播再生稻头季和再生季产量形成的重要因素，不同类型品种间高秆品种的倒伏指数最大、倒伏风险最大，应选用中秆和矮秆水稻品种在华中地区作“直播-再生”种植，以减小倒伏风险;(3)杂交稻的再生季产量（5.35t ha-1)和周年产量(13.07t ha-1)显著高于常规稻的再生季产量(3.58t ha-1)和周年产量(11.18t ha-1)，应选用杂交稻品种在华中地区作“直播-再生”种植，以获得更高的再生季产量和周年产量;(4)再生力和头季粒叶比呈显著负相关关系(R=0.62，P＜0.05)，而再生力和头季收获后残留稻桩的单茎干重呈显著正相关关系(R=0.60，P＜0.05)，粒叶比和头季收获后残留稻桩的单茎干重都可作为判断再生力强弱的指标;(5)综合生育期、抗倒伏能力、再生季产量和周年产量等因素，供试品种中“天优华占”和“徽两优898”适合在华中地区作“直播-再生”种植。

摘要：角质层是保护植物适应外界胁迫的屏障，与植物的抗逆性有密切关系，角质是角质层的主要成分，也是角质层的基本结构，通过对角质的研究有助于阐明角质层形成和调控的分子机制，为角质层的功能研究奠定基础。本研究优化了油菜角质提取的方法，通过气相色谱-质谱技术(Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技术分析鉴定角质含量与成分，比较了两种环境下生长的油菜角质含量与成分的差异和油菜不同组织（茎，叶片，角果）中角质含量的差异，研究不同程度的干旱胁迫对8个抗旱性存在显著差异的油菜品种叶片角质的影响，并进行RNA-Seq测序检测油菜不同组织（根，茎，叶片，花，角果，种子）和干旱胁迫下的基因表达量，分析角质基因表达量，筛选出角质基因，并分析了398个油菜品种的角质含量与成分。
　　主要研究结果如下:
　　甲醇-浓硫酸-氯仿这种裂解液效果最好，分离鉴定出的角质单体成分最多，角质单体总量高于其他3种方法，适合用于油菜角质提取。
　　实验田种植的油菜叶片的角质成分较为全面，且大多数角质成分的相对含量高于温室的。
　　在中双11号油菜的角果，茎和叶片检测到81个角质单体，角果，茎和叶片中角质成分相对含量最高的都是2-hydroxy-Tetraco sanoic acid。其中Tetradecanoic acid、14-methyl-pentadecanoie acid、2-hydroxy-Tetracosanoic acid、hexadecanoic acid、20-methyl-2-hydroxy-docosanoic acid5种角质成分相对含量在角果，茎和叶片中差异较大。
　　采用RNA-Seq测序技术分析中双11号油菜不同组织中基因表达量，经过对118个角质合成相关的基因表达情况的分析，结果表明有6个基因在不同组织中均无表达。BnaA05g09070只在种子中特异性表达，BnaC05g04230D只在花中特异性表达。其中BnaCnng13910D在根中和叶片中的表达量最高，BnaA04g20340D在花中的表达量最高，BnaC04g51420D在茎中的表达量最高，BnaA02g32750D在角果和种子中的表达量最高。
　　比较8个油菜品种在不同干旱条件下角质含量。随着干旱胁迫程度的加深，与对照组相比，干旱胁迫组的角质总量呈现升高的趋势，而且在这8个品种中有27个角质成分的相对含量呈现显著性差异变化。
　　分析中双11号油菜在干旱胁迫不同时间段(0h，1h，8h)的118个角质合成相关的基因表达量，有108个差异基因，其中有7个基因差异性显著，4个基因表达量显著上升，3个基因表达量显著下降。
　　已经对398个品种油菜角质含量，成分进行分析，下一步对角质成分做全基因组关联分析(Genome-wide association studies，GWAS)分析来定位一些与角质合成相关的位点。

摘要：马铃薯(Solanum tuberosum L.)是全球继小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物，由致病疫霉（Phytophthora infestans）引起的晚疫病是马铃薯生产中最为严重的病害。马铃薯进化出两个分支的免疫反应来应对晚疫病原菌的侵染，包括由病原相关分子模式（Pathogen associated molecular pattern，PAMPs）激发的PTI（PAMPs triggered immunity）和由效应子(Effector)引起的ETI（Effecter triggered immunity），激发一系列抗病反应相关基因来抵抗病原菌的侵染，有时会诱导产生过敏性坏死反应(Hypersensitive response，HR)来抑制病原菌的进一步扩展。
　　本实验室前期克隆到了一个可能与过敏性反应相关的基因StPOTHR1，该基因受晚疫病原菌、机械伤害、盐胁迫和茉莉酸诱导表达，但在马铃薯晚疫病抗性上的作用机制及其与HR的关系尚不明确。本课题研究了StPOTHR1与HR的关系、在晚疫病抗病反应中的作用机制及其介导的免疫信号途径，为马铃薯晚疫病持久抗性育种研究提供了新的思路及潜在的基因资源。主要研究结果如下:
　　1.获得了可以高丰度组成型稳定表达GFP且具有与野生型菌株致病力相当的转基因P.infestans菌株W8-G20，为定性和定量研究马铃薯与晚疫病原菌互作机制提供了直观和简便的技术手段;利用WS-G20接种马铃薯晚疫病水平抗性基因型386209.10和感病基因型鄂马铃薯1号(E1)，能够清晰的观察到两个基因型表现出明显不同的发病症状，E1叶片上的荧光强度显著高于386209.10，386209.10可以显著地抑制病原菌的增殖速度，说明抑制病原菌在体内的定殖和扩展可能是水平抗性的一个重要防御机制。
　　2.通过生物信息学分析发现StPOTHR1含有NHL(NDR/HIN1-like)家族的3个保守结构域，属于NHL家族成员。通过系统进化树分析进一步发现，其与NHL基因家族成员NtHIN1和AtNHL3亲缘关系最近，推测其与植物的过敏性反应、抗病性等生物学过程相关。原位杂交(ISH)和qRT-PCR实验表明，在垂直抗性基因型鄂马铃薯3号(E3)与晚疫病致病菌株W8互作产生HR的过程中，StPOTHR1只在过敏性病斑部位大量表达，而在其他位置几乎不能诱导表达，表明StPOTHR1的表达与HR紧密相关，可能是马铃薯抗病反应中的起重要作用的基因。
　　3.通过研究StPOTHR1在马铃薯对晚疫病在亲和互作（感病）、非亲和互作（垂直抗性）以及水平抗性（小种非特异抗性）过程的表达模式，发现StPOTHR1在垂直抗性基因型E3中能迅速响应，并维持在较高的表达水平;而在感病基因型E1中则一直维持在较低的水平，只在后期有上调表达的趋势;在水平抗性基因型386209.10中，表达水平处于则前两者之间。研究结果表明StPOTHR1基因的表达量与马铃薯的抗性反应发生的强度呈正相关。
　　4.在感病基因型E1中超量表达StPOTHR1，能显著抑制病原菌孢子囊的数量，显著提高植株对晚疫病的抗性，表现出与水平抗性基因型386209.10相似的抗性特征，但在垂直抗性基因型E3中，抑制StPOTHR1的表达不能抑制HR的产生;同时，在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）中瞬时沉默StPOTHR1的同源基因NbPOTHR1后，也不会影响由主效R/Avr基因（Sto/Ipio、Rvnt-1/Avrvnt-1、Pto/AvrPto、Cf4/Avr4、Cf9/Avr9和R3a/Avr3a）等介导产生的HR，说明StPOTHR1介导的抗性反应可能独立上述已知的R/Avr介导的HR。
　　5.研究主效R/Avr基因对(Sto/Ipio、Rvnt-1/A vrvnt-1、Pto/AvrPto、Cf4/Avr4、Cf9/Avr9和R3a/Avr3a)介导的HR过程中POTHR1的表达模式发现，POTHR1只响应特异的R/Avr基因对(Pto/AvrPto)介导的HR;同时其也受到能激活PTI的晚疫病原菌效应子INF1和细菌PAMPs flg22的诱导，并且POTHR1也能调控PTI早期响应marker基因的表达，表明POTHR1可能参与了PTI和ETI的crosstalk。
　　6.在烟草上瞬时表达GFP-StPOTHR1融合表达载体，发现GFP-StPOTHR1定位于细胞膜上，通过Western Blot证明了该蛋白的完整性，说明GFP-StPOTHR1的定位能准确反应StPOTHR1在植物体内执行功能的位置;同时，我们还发现GFP-StPOTHR1的实际电泳条带大于其理论值，其可能是翻译后修饰所导致，通过利用LC-MS/MS技术，对StPOTHR1的翻译后修饰进行了探究，结果发现StPOTHR1受到多种翻译后修饰调控，GFP-StPOTHR1条带的迁移可能与这些翻译后修饰相关。本研究首次全面地探究了NHL家族成员StPOTHR1的翻译后修饰位点，对这些位点潜在功能的探究将进一步增强对植物免疫调控的认识。
　　7.通过利用IP-LC-MS/MS分析，筛选到一个植物MAPK级联途径上的可能与StPOTHR1互作的组分NbMKK5L，进一步通过Co-IP确证了NbMKK5L与StPOTHR1的直接互作，该结果暗示过表达StPOTHR1导致的马铃薯晚疫病抗性的增强可能与激活植物免疫相关的MAPK级联途径相关;本研究构建了StPOTHR1基因原核表达载体并在体外获得了大量纯化活性蛋白，为体外进一步直接研究MKK5L与StPOTHR1间的调控作用，如MKK5L能否直接将StPOTHR1磷酸化等研究提供了基础。

摘要：水稻是世界近一半人口的主要粮食来源，其产量和品质一直是人们关注的重点。磷(P)是植物必需的大量元素之一，在植物生长发育过程中发挥重要作用。水稻对磷的吸收和转运主要依靠磷酸盐转运蛋白完成，包括Pht1家族13个转运蛋白。此外，砷元素(As)作为一种类金属元素，对水稻的生长发育有毒害作用。由于具有与磷酸盐类似的化学结构，砷酸盐可以通过磷酸盐转运蛋白通道被水稻吸收。本研究对Pht1家族基因的时空表达模式进行了研究，并且深入探究了其中一个成员OsPT4在水稻磷和砷吸收转运过程中的作用。
　　水稻Pht1家族有13个成员，分布在第1、3、4、6、8和10号染色体上。生物信息学分析结果显示Pht1家族的蛋白质序列保守，亲缘关系接近。Realtime-PCR结果表明该家族大部分基因缺磷诱导表达，同时启动子融合GUS蛋白染色结果显示该家族基因在水稻根部均有表达，且各个基因表达的部位不同。在缺失高亲和磷酸盐转运蛋白PHO84的酵母突变体中异源表达水稻Pht1家族基因，能够恢复突变体的表型，说明该家族基因都具有磷酸盐转运活性。
　　OsPT4属于Pht1家族，启动子融合GUS蛋白染色结果显示该基因在水稻根部和地上部均有表达，并且在根表皮细胞特异性地表达。缺磷处理后，OsPT4的表达增加，同时在根表皮和外皮层有表达。亚细胞定位结果显示OsPT4定位于细胞质膜。在正常磷环境（0.3mmol/LP）和高磷环境(1.5mmol/LP)下，超表达OsPT4会导致植株根部的磷浓度较野生型增加1.6和2.1倍，而OsPT4-RNAi植株的主根数和分蘖数较野生型显著减少。这些结果说明OsPT4是一个具有功能的磷酸盐转运基因，参与水稻的磷吸收过程。
　　由于砷酸盐的化学结构与磷酸盐类似，许多磷酸盐转运基因参与植物的砷吸收。当日本晴加砷处理后，OsPT4的表达量在植株的地上部和地下部均缓慢增加并维持在较高状态。OsPT4超表达材料在高砷环境（25μmol/L As和50μmol/L As）下萌发一周后出现砷毒害表型，植株生长受阻，株高变矮，根长变短，根部砷浓度增加了33％。而OsPT4-CRISPR材料则表现出相反的表型，其根部砷浓度较野生型降低30％。此外，OsPT4超表达植株对砷酸盐的最大吸收速率较野生型增加23-45％。以上结果说明磷酸盐转运基因OsPT4在水稻砷吸收过程中发挥了作用。
　　OsPT4超表达植株和野生型种植于正常施肥的大田中，发现OsPT4超表达植株成熟期的秸秆和籽粒中的总磷浓度较野生型有显著增加，而砷浓度差异不显著。OsPT4可以作为一个现阶段水稻生产实际应用的一个候选基因。

摘要：水分是影响水稻产量的关键因子之一。适度干旱不仅能节约水资源，而且也能提高水稻产量。在灌浆期，花后功能叶片光合产物和抽穗前茎鞘积累的非结构性碳水化合物主要以蔗糖形式通过维管束运输到籽粒。杂交水稻的培育使水稻产量有了大幅度提高，然而其弱势粒充实度低限制了产量进一步提高。因此，研究茎鞘同化物向弱势粒转运的机制，对提高产量潜力和对保证我国粮食安全具有十分重要的意义。本研究于2016和2017年5月-10月在湖北省武汉市华中农业大学盆栽场进行。试验以2个结实率差异较大的杂交水稻品种两优培九和汕优63为材料，从开花后6天至成熟设置正常灌溉和适度干旱两个水分处理，旨在研究适度干旱对茎鞘非结构性碳水化合物转运的影响及其与弱势粒灌浆的关系。主要结果如下:
　　(1)与正常灌溉相比，适度干旱处理显著增加了汕优63和两优培九的结实率和千粒重，最终提高了产量。
　　(2)两个不同水分处理对水稻强势粒灌浆没有影响。但与正常灌溉相比，适度干旱显著增加了弱势粒的粒重和平均灌浆速率;减少了弱势粒的活跃灌浆期，加快了灌浆进程。
　　(3)在正常灌溉和适度干旱条件下水稻叶片SPAD值、气孔导度和光合速率均无差异，但适度干旱降低了叶片绿叶面积。适度干旱对茎鞘大、小维管束数量和横截面积也没有影响，但显著增加了韧皮部大、小维管束的流速。
　　(4)与正常灌溉相比，适度干旱促进茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)向籽粒转运，提高了其转运量、转运率和表观贡献率。适度干旱增加了水稻茎鞘α-淀粉酶、β-淀粉酶和蔗糖磷酸合成酶的活性，从而加速了淀粉的水解和蔗糖的合成，促进茎鞘同化物向籽粒的再分配。
　　(5)两个不同水分处理对水稻强势粒细胞壁转化酶活性、细胞壁转化酶和蔗糖转运蛋白基因和蛋白表达没有影响;但与正常灌溉相比，适度干旱显著增加了弱势粒细胞壁转化酶活性、细胞壁转化酶和蔗糖转运蛋白基因和蛋白表达。适度干旱显著增加SE-CC和CC-PC胞间连丝的密度。这表明适度干旱处理增加弱势粒韧皮部卸载过程。
　　(6)两优培九和汕优63强弱势粒具有明显的异步灌浆特性，强势粒在灌浆前期迅速启动灌浆且籽粒充实性高，而弱势粒在中期才开始启动灌浆且籽粒充实性差。同时，灌浆前期（灌浆后6-12天期间）强势粒腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶分解方向酶活性明显高于弱势粒，强势粒在第12天达到最大活性，而弱势粒在灌浆中期(灌浆期第18)达到最大值。另一方面，腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶分解方向酶活性与灌浆速率分别与呈显著正相关。这些结果表明强势粒灌浆启动早与籽粒快速的蔗糖水解和淀粉合成有关。适度干旱增加弱势粒腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶分解方向酶活性，促进了弱势粒的灌浆。
　　本研究发现适度干旱处理促进了弱势粒的灌浆速率。适度干旱处理对水稻叶片光合速率没有影响和降低了叶片绿叶面积，也没有影响到强势粒重和结实率。这表明适度干旱处理下叶片为弱势粒籽粒灌浆提供的同化物并没有增加。然而适度干旱处理促进了茎鞘非结构性碳水化物的转运及卸载，提高了其对产量形成的贡献;同时适度干旱处理提高了弱势粒的粒重与结实率。此外，研究结果表明α-淀粉酶、β-淀粉酶和蔗糖磷酸合成酶、大小维管束流速、弱势粒细胞之间胞间连丝密度、蔗糖转运蛋白和细胞壁基因蛋白表达、SSc和AGP与茎鞘NSC、淀粉转运和弱势粒灌浆速率呈现显著的相关性。这些结果表明适当干旱处理下弱势粒灌浆的增加可以归因于茎鞘非结构性碳水化合物的再分配及卸载。

摘要：水稻的氮素吸收利用对产量形成具有重要作用。随着全球气候变化，气候因子对水稻生长和产量的影响受到越来越多的关注，气候因子对水稻氮素吸收利用影响的研究也深受重视。目前，氮素吸收利用的环境效应研究大都集中于不同生态区水稻氮素吸收利用的差异，对同一地点不同温光条件对水稻氮素吸收利用影响的研究还较少。为此，本研究以长江中下游稻区的早晚稻种植模式为基础，探究不同温光条件对水稻氮素吸收利用的影响及生理基础，为进一步实现氮肥高效利用奠定理论基础。本试验于2016年和2017年，以在长江中下游地区推广面积较大的两个品种:常规稻鄂早18和杂交稻两优287为材料（早、晚季相同），探究了不同种植季节（早、晚季）不同施氮水平对水稻产量的影响规律;研究了不同种植季节不同施氮水平对氮素吸收利用的影响规律及生理基础。主要试验结果如下:
　　(1)同一季节内（早季、晚季），产量随施氮水平的提高而逐渐增加，但晚季产量增幅较低;同一品种晚季产量高于早季，早、晚季产量的差值随施氮水平的提高而减小。同一季节内，施氮量增加导致的产量增加主要是由于单位面积颖花数（11％-84％）和生物量(11％-81％)增加所致;同一品种与早季相比，晚季的单位面积颖花数增加(61％)，结实率降低(8％)，粒重降低(12％)，生物量增加(33％)，晚季颖花数和生物量的增加是晚季高产的主要原因。
　　(2)同一季节内，不同施氮水平间辐射拦截量的差异，分别与不同施氮水平间颖花数差异和产量差异显著正相关。随施氮量增加，早、晚季间辐射拦截量差异与产量差异、颖花数差异、结实率差异、粒重差异及生物量差异表现一致。这些结果表明，施氮水平和辐射拦截量间存在相互作用，增加施氮量可增加辐射拦截量利于产量形成。
　　(3)同一季节内，随施氨水平的提高，植株总氮积累量增加，干物质生产效率和籽粒生产效率均降低。晚季总氮积累量高于早季，然而干物质生产效率和籽粒生产效率均低于早季。辐射拦截量与氮素积累量呈显著正相关，而与氮素利用效率呈负相关。
　　(4)同一季节内，叶片氮素积累和转运量随施氮水平的提高而逐渐增加;然而晚季施氮量提高引起的叶片氮素积累和转运的增幅低于早季。晚季叶片氮素积累与转运量高于早季。辐射拦截量与叶片氮素积累和转运均呈极显著正相关，表明了不同氮水平间辐射拦截量差异与叶片氮素积累和转运差异有紧密关系。
　　(5)同一季节内，随施氮水平的提高，幼穗分化期(PI)和齐穗期(HD)叶片谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶（GOGAT）活性逐渐升高;然而，晚季施氮水平提高引起的叶片GS和GOGAT活性的增幅低于早季。晚季叶片GS和GOGAT活性高于早季，早晚季间叶片GS和GOGAT活性差异随施氮水平提高而减小。PI和HD期旱季日平均温度和日平均辐射量（24.5℃和15.2MJ m-2d-1）低于晚季(28.8℃和16.4MJ m-2d-1)。这些结果表明晚季较好的温光条件（较高的温度）有利于GS和GOGAT活性，增加施氮量也可缓解温光条件差异对GS和GOGAT的影响。因此，施氮水平和温光条件之间存在相互作用，共同影响着GS和GOGAT活性。
　　(6)幼穗分化期(PI)和齐穗期(HD)叶片GS和GOGAT活性与叶片氮素积累和转运均呈显著正相关关系，表明GS和GOGAT活性可以促进叶片氮素积累和转运。
　　总体上，种植季节和施氮水平之间存在相互作用。晚季充足的温光条件，有利于氮素积累和转运，有利于产量形成。早、晚种植季间温光条件存在着一定差异，增加施氮量可减缓温光条件不同造成的产量差异。

摘要：自交不亲和反应是高等植物进化出的一种阻止自花授粉、促进异花授粉的繁殖机制，有利于防止自交衰退，在育种及遗传上具有重要的研究价值。近年，甘蓝型油菜自交不亲和反应分子机制的研究取得了较大突破，然而其下游信号传导因子的鉴定仍非常有限。本研究以甘蓝型油菜Westar及拟南芥Col-0生态型为材料，利用序列分析、遗传转化、表达分析、酵母双杂交、转录组测序等手段，通过对亲和及不亲和反应信号传导途径的研究，成功鉴定甘蓝型油菜自交不亲和反应正调控因子BnCIMS1(Cobalamin-Independent Methionine Synthase1)，为自交不亲和反应分子机制的研究提供了新的思路;同时证明了AtCIMS1在拟南芥自交不亲和反应中具有保守功能，为探索拟南芥属植物与芸薹属植物间自交不亲和系统的保守性提供新的证据。取得结果如下:
　　1.BnCIMS1在甘蓝型油菜自交不亲和反应中的作用
　　经共线性和进化树分析，发现CIMS1及其同源基因CIMS2的基因组序列和蛋白序列在十字花科物种中都是高度保守的。时空表达分析发现，BnCIMS1在甘蓝型油菜Westar柱头和茎的表达量最高，在其它部位表达量相对较低。BnCIMS2在Westar各部位中表达量极低，在柱头中几乎不表达。在甘蓝型油菜Westar柱头中通过RNAi技术下调BnCIMS1的表达，可部分打破甘蓝型油菜的自交不亲和性，说明BnCIMS1是自交不亲和反应的正调控因子。亚细胞定位结果显示BnCIMS1主要在胞质中表达。通过酵母双杂交技术验证BnCIMS1与自交不亲和反应相关基因BnSRK-1及BnARC1间的相互作用关系，发现BnCIMS1与两个基因间均无互作关系，说明BnCIMS1以一种新的未知途径调控自交不亲和反应。
　　2.转基因自交不亲和拟南芥的创建及CIMS1功能保守性分析
　　将自交不亲和A.halleri最显性的S13单倍型AhSRK13和AhSCR13以及自交不亲和相关基因AhARC1共同转入拟南芥Col-0生态型中，成功得到部分转基因自交不亲和拟南芥，而只转入AhSRK13和AhSCR13的转基因株系全部表现为自交亲和。说明ARC1确实为自交不亲和反应所必须。为验证AtCIMS1和AtCIMS2在拟南芥自交不亲和反应中是否具有保守功能，分别构建了转基因自交不亲和拟南芥与cims1、cims2T-DNA插入突变体的杂种F1，筛选纯合突变体背景的F2转基因株系，各单株均为自交亲和，证明AtCIMS1和AtCIMS2都在维持拟南芥自交不亲和反应中起作用，且CIMS1在甘蓝型油菜和拟南芥自交不亲和反应调控中具有保守功能。
　　3.BC等其它自交不亲和反应候选基因的功能研究
　　(1)BC的下调导致甘蓝型油菜和拟南芥叶片发育异常
　　分别在甘蓝型油菜Westar和拟南芥Col-0中下调BC(Biotin carboxylase)的表达，发现转基因BnBC RNAi Westar株系和AtBC RNAi Col-0株系叶片发育异常，主要表现为叶片皱缩，且转基因AtBC RNAi Col-0株系柱头对花粉粘附力下降。
　　(2)SLR1启动子的特异性分析
　　克隆甘蓝型油菜Westar SLR1基因启动子，并连接GUS报告基因，转入拟南芥Col-0中。通过GUS染色分析SLR1启动子特异性，发现SLR1启动子在开花当天的雌蕊柱头特异表达，同时在幼苗期除子叶外其它部位及成熟叶片中均有表达。证明SLR1启动子在拟南芥中并非柱头特异启动子。
　　(3)ANN1等三个候选基因的功能研究
　　在甘蓝型油菜Westar柱头中特异下调自交不亲和反应候选基因ANN1（膜联蛋白基因）、FBA2（果糖二磷酸醛缩酶基因）以及MUR5（可逆的磷酸化多肽）的表达，发现三个基因分别被干涉后不能影响甘蓝型油菜的自交亲和性，且在转基因植株中未观察到其它表型变化。
　　4.转录组分析亲和/不亲和反应基因表达的时相变化
　　对甘蓝型油菜亲和及不亲和授粉后不同时间点的柱头进行转录组分析。根据差异表达基因的分布情况，将授粉事件分为早期授粉事件和晚期授粉事件，并发现自交不亲和反应信号传导路径比亲和反应更复杂。通过对差异表达基因的功能注释，提出了一些可能调控花粉-柱头互作机制的假设。根据对柱头富集表达基因的代谢途径的注释，发现SAM循环中所有基因都在柱头中高表达，包括本文已验证的自交不亲和反应正调控因子BnCIMS1。