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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。
[硕士论文] 陈乾
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[博士论文] 叶莺
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。
[硕士论文] 李双哲
生理学 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[硕士论文] 肖森
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:再生稻是一种播种一次、收获两次的种植模式,具有节水、省种、省工、生产成本低和效益高等优点。发展再生稻是我国水稻生产转型期间一项种植模式的重要创新。目前农业机械化进程不断加快,但适合再生稻机械化生产的栽培技术却相对薄弱,再生稻头季机收时收割机会碾压部分稻桩导致再生季减产,这在一定程度上制约了机收再生稻的发展。在生产中人们发现再生稻头季机收后碾压区再生苗萌发迟、生长慢,造成非碾压区边行的通风透光和养分供应状况发生改变。这些改变可能有利于非碾压区产生产量上的边际效应,从而弥补再生稻头季机收碾压造成再生季的产量损失。针对这一假说,本研究于2016-2017年在湖北省蕲春县赤东镇酒铺村通过两年大田试验,设置了四种不同的头季收割方式:头季机械收割;头季机械收割后去除碾压区稻桩;头季手工收割后按照机割碾压区位置和大小去除稻桩;头季手工收割。其目的在于(1)探究再生稻头季机械收割与头季手工收割相比再生季的产量损失率;(2)探究头季机收后再生季碾压区产量损失所造成的减产效应;(3)探究头季机收后再生季非碾压区边际效应的增产效应;(4)比较头季机械收割和头季手工收割后再生季稻米品质的差异。试验结果如下:
  1.在两年的大田试验中,头季手工收割后黄华占和两优6326再生季两年的产量范围分别是4.93-5.61t ha-1和5.87-6.60t ha-1,头季机械收割后黄华占和两优6326再生季两年的产量范围分别是3.94-5.30t ha-1和4.77-6.85t ha-1。2016年头季机械收割再生季的产量与头季手工收割相比差异不显著;2017年两个品种头季机械收割再生季的产量比手工收割的低18.7%-20.1%。造成两年头季机械收割后再生季产量产生差异的原因是:①2016年的机械碾压率设置为25.0%,低于2017年的33.3%(为了与生产实际相符,通过改变收割机单次收割的行数实现)。②2016两个品种碾压区的产量为2.44-4.70t ha-1,显著高于2017年两个品种碾压区的产量1.01-1.10t ha-1。
  2.与头季手工收割后再生季的产量相比,头季机收后碾压区产量降低。黄华占碾压区产量降低导致的减产效应是14.1%-26.5%,两优6326是7.2%-27.1%。头季机收后碾压区的减产效应主要是由于碾压区的稻桩受到破坏,导致碾压区的单位面积总颖花数和干物质量显著低于头季手工收割。
  3.非碾压区边行与手工收割对照相比的边际效应为0.9%-54.2%,机收后非碾压区边际效应主要体现在边行单位面积总颖花数和地上部干物质比头季手工收割处理高。与头季手工收割后再生季的产量相比,头季机收后非碾压区由于产生了边际效应而使产量升高。黄华占非碾压区产量升高造成的增产效应是6.8%-8.9%,两优6326的是8.3%-11.0%。
  4.与头季手工收割相比,头季机收后再生季非碾压区的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率和垩白度无显著区别;碾压区的糙米率、精米率、整精米率显著下降,垩白粒率和垩白度分显著上升,但碾压区米质的变化对机收再生稻再生季的整体米质影响较小。总体上,头季机械收割再生季稻米的加工品质和外观品质与手工收割相比无显著差异。
  综上所述,再生稻头季机械收割后非碾压区产生的边际效应能够在一定程度上弥补头季机械收割碾压区产量下降对再生季造成的产量损失,但是采取有效措施减少碾压区产量的损失率才是提高机收再生稻再生季产量的关键。与再生稻头季手工收割相比,头季机械收割没有显著降低再生季稻米的外观品质和加工品质。
[硕士论文] 刘履晓
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是世界上最主要的粮食作物之一。随着世界人口的迅速增长,粮食安全成为牵动世界各国的重大问题。同时,随着人们物质生活水平的提高,稻米品质及食用安全受到人们的广泛关注。水稻品种改良是解决这些问题的最直接有效的方法。染色体片段代换系(Chromosome Segment Substitution Lines,CSSL)是挖掘水稻有利基因、开展品种改良的重要材料。本研究为了分析水稻泛着丝粒区域的遗传效应,利用珍汕97(ZS97)为受体亲本、日本晴(NIP)为供体亲本的染色体片段代换系材料,构建了12个含水稻染色体泛着丝粒区域的单片段代换系。通过对泛着丝粒区域代换系的重要农艺性状的考察与分析,探究泛着丝粒区域对重要性状的影响。主要结果如下:
  1、从以ZS97为受体亲本、NIP为供体亲本的染色体片段代换系群体中选取包含12条染色体泛着丝粒区域的代换系材料,通过与ZS97多代回交,结合分子标记检测和芯片分析技术,构建了NIP泛着丝粒区域的单片段导入到ZS97背景的代换系。
  2、着丝粒(CEN)是驱动染色体分配的关键染色体结构,利用泛着丝粒区域杂合代换系的衍生分离群体,检测区域位点偏分离情况,发现在CEN04、CEN08和CEN11泛着丝粒区域存在引起偏分离的遗传位点。
  3、对所构建代换系在种子萌发、苗期和成熟期的农艺性状进行系统考察,分析泛着丝粒区域的遗传效应。12份代换系材料呈现出与ZS97不同程度的差异,部分农艺性状如株高、单株产量、穗重等与ZS97有极显著差异。
  4、利用ZS97近等基因系,构建F2分离群体,筛选重组交换单株,进行穗重、粒型、株高等农艺性状的考察,结合基因型分析,将1个影响粒重位点定位到第4染色体上一个90Kb区间,该区间含有1个已克隆基因An-1,参与调控水稻芒长、每穗粒数、粒长等农艺性状。
  研究结果为深入研究水稻泛着丝粒区域的遗传效应以及基因功能奠定了一定基础。
[硕士论文] 陈志峰
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:双季稻是提高水稻复种指数和增加总产的重要途径。传统的移栽双季稻因投入高、劳动强度大导致农民种植积极性下降,通过早晚双季直播替代双季育秧移栽是推动双季稻发展的有效措施。华中农业大学作物生理生态与栽培研究中心前期已经筛选出适宜直播双季稻模式的短生育期品种,这些品种在早晚季的生育期只有88-100d,两季周年产量最高可达15t ha-1,证明该模式具有很好的推广前景。然而,目前还少有关于直播双季稻模式下短生育期品种氮素利用特性以及直播双季稻氮肥优化管理的研究。因此,为明确直播双季稻的氮素需求特性和优化双直播模式的氮肥管理,本研究设计了16种氮肥运筹模式,包括不同施氮量与施氮时期处理,主要目的为:(1)比较直播稻早晚两季温光资源差异对水稻氮肥吸收与利用的影响;(2)探索适用直播双季稻各生育阶段的需肥特性;(3)探究直播双季稻产量构成因子与产量性状对不同氮肥运筹模式的响应;(4)建立直播双季稻系统高产高效的氮肥管理模式。本试验主要结果如下:
  1.在直播双季稻系统中,与早稻相比,晚稻营养生长期日均温度与日均辐射分别高9.6℃和3.6MJ m-2,灌浆期分别低3.9℃和1.1MJ m-2,温光资源的差异改变了早晚稻对氮肥的响应。早晚稻零氮处理产量分别为3.81t ha-1和6.19t ha-1,氮素吸收量分别为6.65g m-2和10.10g m-2。与零氮处理相比,早晚稻在施氮处理下产量增幅分别为75.4%和13.4%,氮素吸收量增幅分别为95.5%和50.7%,表明早稻对氮肥的响应高于晚稻。与早稻相比,晚稻氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素籽粒生产率分别降低13.1kg kg-1、26.7kg kg-1和5.2kg kg-1。
  2.直播早稻中,施用分蘖肥处理的产量和氮肥回收率比施用等量苗肥处理分别提高10.1%和14.9个百分点,即在直播早稻中分蘖肥比苗肥施用效果好;直播晚稻施用苗肥与分蘖肥处理间产量和氮肥回收率均无显著差异。早晚季齐穗期施用氮肥都可以促进水稻氮素积累,但对产量的提升均无显著影响,表明本试验条件下齐穗期不需要施用氮肥。
  3.与零氮处理相比,早稻和晚稻施氮处理下每穗粒数增幅分别为49.0%和8.3%,干物质积累量增幅分别为76.2%和12.7%,表明早稻每穗粒数和干物质积累量对氮肥运筹的响应程度比晚稻高。不同氮肥处理主要通过影响每穗粒数和干物质积累量来影响直播双季水稻产量,单位面积穗数、结实率和千粒重对产量的影响较小。
  4.综合考虑两年产量表现、氮素利用效率及投入成本,本研究中最优氮肥运筹模式为早稻施氮量为150kg ha-1,按照基肥∶分蘖肥∶幼穗分化肥为1∶1∶1施用,产量最高可达7.52t ha-1;晚稻施氮量为90-120kg ha-1,以基肥和幼穗分化肥两次施用(比例为1∶1或2∶1),产量最高可达7.53t ha-1。
[硕士论文] 程云
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:大麦是我国重要的粮食作物、饲料作物、轻工业原料作物,广泛应用于农业、养殖业、啤酒酿造业、医药保健业等领域。植物代谢组学技术的兴起为发展大麦生产与拓宽其应用空间带来了新的机遇,大麦代谢组学研究对解析作物物质代谢基础、完善作物代谢网络具有重要价值。本研究以华矮11和华大麦6号(DH群体亲本)为材料,通过基于LC-MS/MS的广泛靶向代谢组学方法,结合自建数据库和开放数据库,在灌浆期籽粒中检测并鉴定出182种代谢物(包括80种类黄酮、19种氨基酸、17种酚胺、14种核酸衍生物和12种脂质等),对其进行比较分析,主要研究结果如下:
  对华矮11和华大麦6号不同灌浆时期样本代谢谱进行PCA分析,结果显示,不同灌浆时期和不同品种样本分别能被PC1和PC2明显分开。ASCA分析结果显示,受灌浆时期显著影响的代谢物有9种,受品种显著影响的代谢物有7种,2因素互作显著影响的代谢物有10种(P<0.05),这些代谢物主要为类黄酮和酚胺。
  分别对华矮11和华大麦6号灌浆过程中的7个不同时期进行代谢物比较分析,筛选出11、10、7、25、33、29和33种有显著性差异的代谢物(VIP>1&P<0.01),其中,华矮11比华大麦6号相对含量高的代谢物分别有11、7、5、16、22、20和23种,华大麦6号比华矮11相对含量高的代谢物分别有0、3、2、9、11、9和10种,差异代谢物主要为类黄酮、酚胺和氨基酸。
  对华矮11灌浆过程中的7个不同时期代谢物进行差异分析,灌浆14d与7d比较、21d与14d比较、28d与21d比较、35d与28d比较、42d与35d比较、49d与42d比较,显著上调的代谢物分别有2、6、4、10、4和4种,显著下调的代谢物分别有6、10、1、10、27和2种。同样对华大麦6号灌浆过程中的7个不同时期进行差异分析,显著上调的代谢物分别有2、8、2、3、4和2种,显著下调的代谢物分别有5、6、4、15、6和2种(|log2(FoldChange)|>1&P<0.05)。这些显著上调或下调的代谢物主要为类黄酮、氨基酸和酚胺。
  对两品种间差异较大的类黄酮、氨基酸和酚胺进行积累模式分析,结果表明这些物质的积累存在一定的品种和时间特异性。类黄酮在两品种灌浆期积累模式差异较大,其中,3种六碳糖的氧黄酮和2种麦黄酮衍生物可作为两品种间的生物标志物;大部分游离氨基酸在两品种灌浆期积累模式相似,均为从灌浆初期至后期逐渐下降;不同修饰类型的亚精胺在两品种灌浆期含量表现为华大麦6号高于华矮11,而大多数胍丁胺和腐胺表现为华矮11高于华大麦6号,不同修饰类型的亚精胺在华大麦6号中呈现相似的积累模式,即从灌浆21d起含量显著上升。
[博士论文] 李国辉
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[博士论文] 邓南燕
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[硕士论文] 王金华
生态学 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[硕士论文] 陈媛媛
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[硕士论文] 石颜鸽
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
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。
[硕士论文] 宋维周
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是我国最主要的粮食作物之一,同时也是耗水量最大的作物,近年来区域性、季节性干旱频繁发生,进一步提高水稻产量面临严峻考验。通过合理的水分管理方式结合不同水稻品种的优势,协调产量与水分利用效率之间的关系,提高水稻水分利用效率的同时降低产量损失的补偿效应成为亟待解决的问题。为探索节水灌溉下不同水稻品种的产量形成规律,于2016-2017年开展了大田试验,以节水抗旱稻旱优113(HY113)、高产水稻扬两优6(YLY6)与甬优4949(YY4949)为研究材料,设置传统淹灌(F)、干湿交替(AWD)与干旱(D)处理,研究了水稻农艺性状、光合特性、同化物积累与分配的变化,进一步分析了光合特性与同化物积累分配与产量和产量构成、稻米品质以及水分利用效率间的关系,主要研究结果如下:
  1.与F处理相比,AWD和D处理下生育期分别延长了3d与6d,AWD处理下YLY6的生殖生长期比HY113与YY4949长5d;AWD处理下YLY6株高在齐穗期显著高于HY113与YY4949,D处理下所有品种的株高在孕穗期与齐穗期均显著降低;D处理下植株的抗倒伏能力显著升高,YLY6、HY113与YY4949的弯曲力矩、基部第一节间与第二节间的长度与基部外径显著降低。
  2.与F处理相比,AWD处理下气叶温差(ALTG)在乳熟期显著降低,D处理下ALTG在分蘖盛期显著降低,AWD处理下YLY6在乳熟期ALTG显著高于YY4949,而显著低于HY113;与F处理相比,AWD和D处理下气孔导度显著降低,并且AWD处理下YLY6在分蘖盛期和抽穗开花期净光合速率显著高于其他处理,乳熟期YLY6功能叶叶面积、叶面积指数、气孔导度与蒸腾速率显著高于HY113。
  3.与其他处理相比,AWD处理下YLY6成熟期干物质积累量与收获指数显著升高。生育后期(乳熟期到成熟期)具有较高的茎鞘(46%)与叶片(54%)干物质向籽粒的输出转化率,乳熟期YLY6叶片具有较高的蔗糖合酶与蔗糖磷酸合酶活性,并且成熟期AWD处理下YLY6茎鞘可溶性糖含量显著低于YY4949,茎鞘淀粉含量显著低于HY113与YY4949,籽粒淀粉含量显著高于YY4949,显著低于HY113。
  4.与F处理相比,AWD处理下产量升高3.22%-20.27%,而D处理下产量显著降低,主要是每穗粒数显著降低,并且与其他处理相比,AWD处理下YLY6产量显著升高,主要是有效穗数显著升高。F处理下,YLY6产量显著高于HY113,而HY113的产量又显著高于YY4949,主要是YLY6的结实率显著高于HY113与YY4949;D处理下,YLY6产量显著高于HY113,比YY4949高9.30%,主要是D处理下YLY6的结实率显著高于HY113与YY4949。
  5.节水灌溉对不同水稻品种的稻米品质影响不同。与传统淹灌相比,AWD和D处理下YLY6的精米率与整精米率显著升高,直链淀粉含量显著降低,并且AWD和D处理下YLY6与YY4949的垩白粒率显著升高;而HY113的垩白粒率与垩白度在AWD与D处理下均显著低于对照,D处理下直链淀粉含量显著升高。
  6.与F处理相比,AWD和D处理下节约灌溉用水量42.37%与88.81%,主要是与F处理相比,AWD和D处理下平均灌水周期延长了3-4d与8-9d,AWD和D处理下平均灌水量减少6.11%与83.97%,从而节约劳动力的投入,并且YLY6在三种土壤水分处理下灌溉用水量均高于HY113与YY4949。节水灌溉能显著提高不同水稻品种的灌溉水分利用效率。F处理下,YLY6的灌溉水分利用效率比HY113与YY4949高12.24%与24.49%。AWD处理下,YLY6的灌溉水利用效率显著高于HY113与YY4949,D处理下,YLY6的灌溉水利用效率显著高于HY113,显著低于YY4949。
  综上所述,AWD处理下YLY6生殖生长期延长,并且在分蘖盛期与抽穗开花期净光合速率显著升高,乳熟期具有较高的光合叶面积、叶绿素含量、蔗糖合酶与蔗糖磷酸合酶活性等,从而维持较高的光合生产能力,并且乳熟期到成熟期具有较高的干物质分配与转运能力,成熟期籽粒中适宜的淀粉含量,支持着产量与品质的形成。在提高水分利用效率的同时,保证高产优质,该模式可作为江汉平原水稻高产节水栽培技术的一种节水模式。
[硕士论文] 马迪
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:科学合理的施用氮肥是进一步提高玉米产量和氮肥利用效率,减少氮肥过度使用造成的资源浪费与环境污染的重要措施。秸秆还田措施及氮肥的施用方式和施入量对作物产量及氮肥利用效率有显著的影响。滴灌施肥是以点的方式向作物周围湿润土壤,肥料随水分施入根区附近,维持根区较高的含水量和耕层养分含量,减少养分的淋溶损失,提高水分和养分的利用效率。然而,关于滴灌施肥与秸秆还田对玉米产量形成、土壤水氮分布规律及其利用效率的调控效应尚缺乏系统深入研究。为此,本研究于2016-2017年在黄淮海夏玉米主产区的河南省新乡县中低地力产田,以玉米杂交品种郑单958为试验材料,研究了不同施氮水平下施肥方式和秸秆处理方式对土壤水氮空间分布、玉米干物质和氮素积累及产量和氮素利用效率的影响,分析了滴灌施肥与秸秆还田对夏玉米产量形成、土壤水氮分布规律及其利用效率的调控机理。主要研究结果如下:
  1.滴灌施肥与秸秆还田显著提高夏玉米产量和水氮利用效率。在等量氮肥施用下,滴灌施肥与秸秆还田互作处理显著提高了玉米的产量,高于其他处理10.0%-28.0%;其中施肥量在375kg/hm2水平下滴灌施肥与秸秆还田处理的产量最高,为11.4t/hm2,比漫灌处理增加28.0%,产量的提高主要是通过增加穗粒数和千粒重来实现的,滴灌施肥与秸秆还田处理较漫灌处理分别增加24.8%和4.6%。滴灌施肥与秸秆还田显著提高水分利用效率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥表观利用率,比漫灌处理分别增加75.8%、4.1%、5.6%和62.1%。
  2.滴灌施肥与秸秆还田互作显著增加了玉米整个生育时期的干物质积累,尤其是花后干物质积累。滴灌施肥与秸秆还田处理主要是通过增加玉米整个生育时期的叶面积指数,降低花后叶面积指数的下降速率,同时显著增加玉米各层叶片的叶绿素含量,使叶片保持较高的光合作用,同化更多的光合产物,使干物质积累量增加,同时也促进了籽粒干物质积累量的增加。
  3.滴灌施肥与秸秆还田处理显著增加了玉米各生育时期的氮素吸收与积累,在成熟期比漫灌处理平均增加36.3%。植株氮素积累速率最快的时期为12叶期至开花期,氮素积累速率为38.0mg plant-1d-1,其次是开花期至乳熟期,氮素积累速率为35.0mg plant-1d-1。滴灌施肥与秸秆还田处理显著增加了乳熟期至成熟期氮素积累速率,较漫灌处理平均增加14.1%。在玉米各器官的氮素分配中,滴灌施肥与秸秆还田处理成熟期籽粒的氮素积累量最大,为141.7kg/hm2,增加6.0%-14.0%。
  4.滴灌施肥与秸秆还田处理显著提高玉米各个生育时期0-60cm土层含水量,较其他处理平均增加22.0%-217.0%,而在60-100cm土层中,滴灌施肥与秸秆还田处理较漫灌处理含水量显著降低,减少了水分向深层土壤的渗漏损失。滴灌施肥与秸秆还田处理能维持根区土壤较高的供氮能力,显著增加土壤中20-40cm土层中全氮含量,增幅为5.0%-63.0%。同时,也增加了20-40cm土层有机质和速效钾的含量,分别增加48.0%-168.1%和23.2%-98.0%。
  综上,滴灌施肥与秸秆还田通过改善土壤水分和氮素分布,增加浅层根区土壤水氮和有机质、速效钾等的含量,同时维持玉米生育后期充足的氮素供应,促进植株氮素积累增加,从而提高花后叶面积指数和干物质积累量,最终提高玉米产量和水氮素利用效率。
[硕士论文] 刘源
生物化学与分子生物学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:表观遗传学的主要研究内容包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑因子等。组蛋白修饰是指组蛋白N末端氨基酸残基上的各种修饰,如甲基化、乙酰化和磷酸化等。这些修饰能够通过影响染色质状态,从而调控基因的表达,是表观遗传调控的重要机制之一。
  组蛋白乙酰化是研究比较多的一种修饰,组蛋白乙酰化的添加和去除分别是由组蛋白乙酰转移酶(Histone acetyltransferases,HATs)和组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylases,HDACs)调控。组蛋白去乙酰化酶可分为三个亚家族:RPD3/HDA1家族、HD2家族和SIR2家族。本实验室前期研究表明,水稻SIR2家族组蛋白去乙酰化酶OsSRT1通过对糖酵解途径中甘油醛-3-磷酸脱氢酶(OsGAPDH1)去乙酰化,进而抑制其转录活性,并且OsSRT1还抑制了OsGAPDH1蛋白在细胞核内的积累,从而调控糖酵解代谢,最终影响水稻植株体内的能量代谢。为了研究其它组蛋白去乙酰化酶是否与能量代谢相关,我们以RPD3/HDA1家族中两个组蛋白去乙酰化酶OsHDA706和OsHDA714为对象,通过反向遗传学、生物信息学和分子生物学等方法来研究OsHDA706和OsHDA714的生物学功能及其参与的代谢途径,试图阐明其在水稻生长发育、基因表达以及代谢调控中的作用机理。本研究的主要结果如下:
  1.OsHDA706和OsHDA714的表达谱分析发现这两个基因在水稻的成熟叶、剑叶以及茎杆等组织部位表达量较高,而在愈伤、胚乳和幼穗等组织中的表达量低。通过基因表达节律性分析发现OsHDA706有一定的昼夜节律性,而OsHDA714没有昼夜节律性。
  2.利用CRISPR/Cas9技术创建了OsHDA706和OsHAD714突变体材料。表型考察发现hda706的种子表现出提前成熟的表型,超量表达植株(OX706)表现出植株变矮和分蘖减少的表型;而OsHDA714的突变体植株(hda714)表现出种子结实率变低,植株株型更紧凑的表型,而超量表达植株(OX714)未发现明显表型。
  3.亚细胞定位软件预测OsHDA706和OsHDA714蛋白位于细胞质。通过原生质体瞬时转化和烟草瞬时表达实验证实OsHDA706定位于在细胞质中,OsHDA714同时定位于细胞质和内质网中。这说明水稻中组蛋白去乙酰化酶的核质分布不具有细胞特异性,并且为代谢酶乙酰化调控代谢酶的酶活机制提供了证据。
  4.通过对野生型水稻材料进行不同的胁迫处理,检测OsHDA706和OsHDA714的表达水平,结果显示在300mM NaCl和热胁迫(42℃)处理下,OsHDA706的表达上升,而在冷胁迫(4)处理时,OsHDA706的表达受到了抑制。而OsHDA714不受NaCl(300mM)、热胁迫(42℃)、PEG6000(20%)和Mannitol(200mM)等逆境胁迫的诱导表达。
  5.对野生型水稻材料进行能量胁迫处理,检测OsHDA706和OsHDA714的表达水平,结果显示除2%葡萄糖(Glucose)处理外,在暗处理和缺氮培养液处理下,OsHDA706的表达水平均上升。在2%Glucose和缺氮的能量胁迫处理下,OsHDA714表达量变化不大,但暗处理9h后OsHDA714的表达受到了抑制。通过hda706和hda714突变体植株进一步验证了上述结果。因此说明OsHDA706的表达受碳(黑暗)和氮(完全缺氮)能量相关处理的诱导。
  6.通过酵母双杂交实验,分别筛选到两个与OsHDA706和OsHDA714产生互作的蛋白——烯酰辅酶A水合酶(ECH)和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)。此外,通过亚细胞定位的结果表明OsHDA706、OsHDA714分别与互作蛋白ECH和G6PDH共定位。
[硕士论文] 杨志远
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:全球变暖以及温度增加的不对称性对水稻产量和稻米品质的影响已经受到了越来越多的关注,有关大田条件下不同增温方式(如白天增温、夜晚增温或全天增温)对水稻生长发育、产量和品质形成的影响的研究报道仍然不多。为此,本试验于2016和2017年在湖北武汉采用自制的鼓风加热增温系统模拟长江中下游地区未来大气温度的变化趋势,选用大面推广种植的4个水稻品种作为试验材料,在大田条件下分别设置白天增温(Daytime Warming,DW)、夜间增温(Nighttime Warming,NW)以及全天增温(All-day Warming,AW)和对照4个不同温度处理,比较研究不同增温方式对水稻生长发育、产量及品质的影响以及品种之间的响应差异,以期揭示增温对水稻生长发育、产量以及品质影响的机理,从而为培育耐高温品种选育提供理论依据,为抗高温栽培提供决策支持。主要研究结果如下:
  1.在2016和2017年的大气温度基础上增温1℃-2℃会显著降低水稻的产量。不同增温方式对水稻产量的影响程度不同,全天增温处理对所有供试水稻品种的产量影响最大,2016和2017年4个供试品种在AW处理下的平均降幅分别为61.93%和42.58%。本试验条件下,两年的NW和DW对产量影响的差异不显著,2016年两者的平均降幅分别为31.06%和30.76%,2017年分别为29.63%和21.66%。
  2.NW和DW导致产量降低的途经有差别。NW和DW对水稻的结实率和千粒重的影响程度大致相同,不同的是每穗颖花数在NW处理下的降幅大于DW。进一步比较NW和DW对结实率降低的内在机理,结果发现,两者都是通过降低花药开裂率、花粉活性、柱头附着花粉数以及柱头上花粉萌发数从而导致结实率下降;而NW导致花药开裂降幅大于DW,DW导致花粉活性以及柱头附着的花粉数的降幅相对较大。
  3.增温导致水稻的株高显著降低,但对水稻叶片的比叶重(SLW)的影响不显著。耐高温品种SY63的叶面积指数(LAI)在增温处理下显著增加,其他3个品种LAI在增温处理下无明显的变化。水稻植株形态在增温处理下的变化不影响水稻各个时期的干物质积累。表明增温处理下的干物质供应并不限制产量的形成。
  4.增温处理影响水稻的部分加工品质和外观品质指标。AW、DW和NW3种增温处理均显著降低稻谷的整精米率、直链淀粉含量以及胶稠度,增加垩白度和垩白粒率。
[硕士论文] 丁丹
植物病理学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:植物在遭受病虫害等生物胁迫时,外界的胁迫信号可以通过信号传导途径传递到植物细胞内,激活抗逆相关基因的表达。MAPK蛋白激酶广泛参与植物对胁迫信号的传递,是调控植物抗性的关键基因。
  近年来,随着CRISPR/Cas9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated Protein)系统的快速发展,该技术被广泛应用于生物学研究和应用中。而在基因组编辑的实践中,gRNA的表达是CRISPR技术的难点之一。
  为了构建更加高效的CRISPR载体用于作物的抗病等研究,我们创建了一种新的方法来表达CRISPR/Cas9技术所需的gRNA和Cas9两个元件。本研究验证了该方法能够高效率的同时编辑多个水稻基因,并获得了抗病相关基因的靶向突变材料,取得的主要结果如下。
  (1)序列分析结果表明,本实验室前期构建CRISPR载体所用的水稻UBllO(Ubiquitin10)基因的启动子的5'-UTR(untranslated region)包含了一个内含子,该内含子具有典型的5'-GU-A-AG-3'的剪接序列。通过改造UBllO基因的启动子,构建了pRGEB33和pRGEB34用于表达含tRNA-gRNA内含子(intronic polycistron of tRNA-gRNA,inPTG)和Cas9的融合基因(inPTG-Cas9)。
  (2)水稻原生质体的实验结果表明,将串联polycistronic tRNA-gRNA(PTG)的片段克隆到Cas9的内含子时对蛋白表达有一定影响,但对内含子的正常剪接无影响。
  (3)通过对三个MAPK(Mitogen-activated protein kinase)基因和PDS(phytoene desaturase)基因进行靶向突变实验表明,inPTG-Cas9载体能高效率的靶向编辑2-4个位点。
  (4)为了测试内含子的位置对编辑效率的影响,本研究构建了内含子位于3'-UTR的inPTG和Cas9融合表达的载体。水稻原生质体中的实验结果表明,与5'-UTR比较,3'-UTR表达inPTG能提高编辑效率。
  (5)通过农杆菌转化获得inPTG-Cas9稳定转化植株,结果表明,inPTG-Cas9载体能高效率地同时编辑多个靶位点,而且这些突变均能遗传到T1代。
  (6)通过mPTG-Cas9技术,获得了MPK1、MPK5和PDS的单基因突变材料,以及MPK1和MPK5双基因的突变材料。对所获得的MAPK功能敲除材料进行稻瘟菌接种实验和根结线虫侵染实验。结果表明,MPK1和MPK5功能敲除的基因编辑水稻的抗病性下降。
  综上所述,本研究开发了一种新型的内含子表达CRISPR技术所需gRNA的技术,利用该技术可把Cas9和多个gRNA用一个融合基因表达。在开发CRISPR技术的过程中,本研究还获得了两个MAPK基因的靶向编辑的水稻,并初步分析了这两个材料的抗性。MAPK是植物抗病信号通路以及抗逆、激素、发育等信号通路的调控枢纽,因此这些材料也有助于进一步阐明抗病与其他信号通路交互作用的机制。
[博士论文] 杜艳芳
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:禾本科单子叶植物水稻和玉米,分支均包括叶腋分生组织(axillary meristems:AMs)产生的分蘖和花序分支分生组织(branch meristems:BMs)产生的花序分支。研究表明,参与调控分蘖和穗分支的基因,在水稻和玉米中具有一定的同源性。unbranched3(UB3)属于SBP-box转录因子家族的基因,通过调控腋芽原基的起始来影响雄穗分支和雌穗穗行数的变异,进而影响产量,但是其作用机理并不清楚。KRN4是一个穗行数主效位点,为UB3下游~60kb处的基因间区域,UB3的表达与功能位点KRN4的基因型显著关联,但是KRN4远距离调控UB3的作用方式还有待解析。本研究将UB3在玉米和水稻中进行遗传转化,解析了UB3在水稻和玉米中影响穗分支发育的功能,为禾本科植物基部的分蘖和花序分支系统的建立提供基础。此外,还研究了KRN4远距离调控UB3表达的作用方式,建立了假说,为非编码基因间区调控基因表达提供了依据。主要结果如下
  1.UB3过量表达抑制玉米愈伤的分化和水稻分支的发育:将UB3在玉米进行过表达,显著抑制愈伤的分化和再生,不能形成幼苗;将UB3在水稻中进行遗传转化,UB3过表达时,显著抑制株高、分蘖和穗分支;UB3适度表达时,轻微的减少分蘖和株高,并增加穗分支和穗粒数。
  2.UB3通过细胞分裂素水平调控水稻分支发育:对UB3过量表达的转基因株系的茎尖分生组织和幼穗进行转录组测序,结合已有的Ideal Plant Architecture1(IPA1)Chromatin Immunoprecipitation quantitative PCR(ChIP-seq)的数据进行分析,并结合体外验证,发现UB3蛋白可以结合在LONELY GUY1(LOG1),LOC_OS04G44354和OsCKX2基因的启动子区域,在UB3过量表达材料中,降低细胞分裂素的合成并促进其降解,使得分生组织细胞分裂素水平降低。对水稻苗期地上部分进行细胞分裂素水平的测量,发现UB3过表达植株中细胞分裂素含量确实有所降低,符合预期。因此UB3通过影响分生组织中细胞分裂素的水平,影响细胞分裂的速率,从而参与腋生分生组织分支发育的调控。而UB3适量表达时,可以通过与SPL(SPL7,SPL14,SPL17)基因合作,精准调控小穗的发育。
  3.UB3可能通过细胞分裂素途径和CLAVATA-WUSCHEL途径调控玉米穗行数发育:对ub3::mum和野生型株系的幼穗进行转录组测序,发现在所有的与细胞分裂素相关的差异表达基因中,17个与之合成相关的基因在突变体中上调表达,3个与之降解途径相关的基因下调表达。因此认为细胞分裂素途径在UB3调控玉米穗行数发育过程中也存在。此外,影响玉米分生组织发育的CLAVATA-WUSCHEL负反馈调控途径上的一些基因,包括THICK TASSEL DWARF1(td1),FASCIATED EAR2(fea2),COMPACT PLANT2(ct2)和FASCIATED EAR3(fea3),FON2-LIKE CLE PROTEIN1(ZmFCP1),WUSCHEL1(ZmWUS1)和CLA VATA3(ZmCLV3)均检测到有差异表达,结合体外的实验,证明了UB3蛋白可以直接结合在ZmFCP1,ZmWUS1的启动子区域,直接调控它们的表达。
  4.KRN4顺式增强UB3的表达:KRN4是一个基因间区域,在负调控穗行数的功能基因UB3下游~60Kb处。在krn4-mum12-3mm的雌穗中,UB3的表达量相对于野生型显著下降,成熟时期雌穗的穗行数、雄穗的一级分支数、二级分支数等均显著高于野生型。KRN4在不同的玉米自交系中存在两种不同的单倍型,即KRN4NX和KRN4,KRN4NX较KRN4存在1.2kb的插入。瞬时表达的结果表明,不同单倍型的KRN4均能增强报告基因的表达,并且KRN4的增强效应要强于KRN4NX,KRN4也可以直接作用于pUB3,产生相同趋势的变化差异。
  5.KRN4的结合蛋白分析:通过酵母单杂、凝胶阻滞迁移和瞬时表达实验,验证了玉米OCS Element Binding Factorsl(OBFl)和OCS Element Binding Factors4(OBF4)可以结合在KRN4的E1增强子元件,并增强荧光素酶报告基因的表达。
  6.UB2正调控UB3表达:UB2是UB3的旁系同源基因,UB2和UB3的双突变体能加强ub2或ub3单突变体穗部的表型。在UB2过表达植株和突变体ub2::mum的幼穗中,发现UB2正调控UB3表达。通过UB2超表达转基因株系幼穗的ChIP-qPCR,发现UB2结合在KRN4-P4位点以及UB3-P位点。并且双分子荧光互补实验表明UB2,OBF1和OBF4两两之间存在互作。
  7.总结KRN4顺式调控UB3影响玉米穗行数的途径:UB2蛋白介导KRN4和UB3transcription start site(TSS)之间染色质环的形成,使得KRN4在空间上靠近UB3的启动子区域;KRN4招募OBF1和OBF4蛋白,与UB2蛋白形成转录复合体作用于UB3的启动子区域,在RNA polymeraseⅡ(RNAPⅡ)的作用下启动和增强UB3的表达。借助于UB3在水稻中调控分蘖和穗分支的模式,结合玉米幼穗中转录组的数据,推测其在玉米中也很可能通过调控细胞分裂素途径的基因,参与对玉米穗行数的调控;此外,在已经报道的通过CLAVATA-WUSCHEL途径调控IM的大小的基因中,UB3可能通过作用于ZmFCP1和ZmWUS1启动子区域,负调控其表达从而影响雌穗的横向发育。
[博士论文] 邓勇
生物化学与分子生物学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo)、细菌性条斑病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzicola,Xoc)和稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae,M.oryzae)是极具破坏力的水稻病原菌,也是造成水稻大面积减产的罪魁祸首。籼稻品种明恢63是一个在我国大面积使用超过30年的恢复系,其携带的主效抗白叶枯病基因Xa3/Xa26因其持久且广谱的抗病能力,在生产中得到广泛应用。该基因在粳稻品种中的抗性可能比在籼稻品种中更好(Cao et al2007)。OsWRKY45在籼稻和粳稻中拥有不同的等位基因,并且这对等位基因可能是引起Xa3/Xa26在不同水稻亚种中抗病功能有差异的原因之一(Zhou et al2009;Tao et al2009;Kou et al2010)。为了在水稻抗病育种中更好的应用这两个基因,我们分别以籼稻品种明恢63和粳稻品种牡丹江8为受体构建近等基因系以研究Xa3/Xa26基因抗性出现差异的原因和OsWRKY45等位基因的功能差异。获得的主要结果如下:
  在携带Xa3/Xa26基因的自然品种中,粳稻品种早生爱国3比籼稻品种IRBB3和明恢63对Xoo具有更好的抗性以及更高的Xa3/Xa26和OsWRKY45基因的表达水平。MD1是以牡丹江8为背景的携带Xa3/Xa26和OsWRKY45-1的近等基因系,其病斑长度比供体亲本明恢63短,其中Xa3/Xa26的表达水平也比明恢63更高。在Xa3/Xa26基因存在的情况下,分析携带OsWRKY45-1和OsWRKY45-2的近等基因系抗病程度和相关基因的表达量,发现牡丹江8背景的家系比明恢63背景的家系更抗病,同时携带OsWRKY45-1的家系比携带OsWRKY45-2的家系更抗病;牡丹江8背景中Xa3/Xa26和OsWRKY45的表达量都显著高于明恢63背景,同时在两种背景中OsWRKY45-1的表达量显著高于OsWRKY45-2。证明粳稻背景有利于提高Xa3/Xa26的抗病功能,该现象可能普遍存在,并且OsWRKY45-1基因对此现象有贡献。进一步实验证明OsWRKY45基因参与Xa3/Xa26介导的抗病路径。
  分析粳稻背景中Xa3/Xa26抗病过程中内源植物激素的含量发现水杨酸(salicylic acid,SA)和茉莉酸(jasmonic acid,JA)的含量在抗病家系和感病家系间有显著差异。外源激素处理后接种病原菌发现JA抗病信号路径在Xa3/Xa26介导的对Xoo的抗病过程中发挥重要的作用。分析粳稻背景中植保素的含量和细胞壁抗性相关基因的表达量,发现在Xa3/Xa26抗病过程伴随着植保素的大量积累而不需要细胞壁的加厚。进一步分析OsWRKY45-2转基因材料接种不同病原菌后内源激素和植保素的含量,发现OsWRKY45介导对Xoo和Xoc的抗病反应引起JA的积累;而对M.oryzae的抗病反应引起SA的积累;对Xoo和M.oryzae的抗病反应都与增加二萜类植保素的积累有关。说明OsWRKY45基因在Xa3/Xa26介导的抗病路径中的作用是引起植保素和茉莉酸化合物的积累。
  OsWRKY45的等位基因在183份中国品种中的分布与水稻亚种的分类正相关。进一步分析发现携带OsWRKY45-1的品种倾向于分布在高纬度地区,而携带OsWRKY45-2的品种倾向于分布在低纬度地区。然而长短日照处理并不影响不同近等基因系的抽穗期,说明OsWRKY45等位基因在不同纬度分布与日照长度无关。
  尽管OsWRKY45-1和OsWRKY45-2都负调控水稻抗高温,高温处理却发现携带OsWRKY45-1的近等基因系对高温更敏感。分析近等基因系中不同温度下OsWRKY45的表达量,发现OsWRKY45-1的表达量受温度的诱导,在35℃时OsWRKY45-1的表达量显著高于OsWRKY45-2。以上结果证明OsWRKY45等位基因在高温下表达水平的差异会引起近等基因系对高温的敏感度不同,从而导致OsWRKY45等位基因在不同纬度的分布。进一步分析发现OsWRKY45-2的启动子中包含两个额外的脱落酸(abscisic acid,ABA)响应原件。种质资源品种中OsWRKY45启动子单倍型与等位基因的单倍型分布情况一致。携带OsWRKY45-2启动子的品种倾向于分布在低纬度地区,随着纬度的升高,携带OsWRKY45-1的品种比例越来越高。该结果暗示启动子的差异使OsWRKY45等位基因对温度敏感程度不同,从而造成携带不同等位基因的品种倾向于分布在不同的纬度。
  综上所述,本研究发现粳稻背景有利于提高Xa3/Xa26的抗病能力,OsWRKY45等位基因表达量的差异不仅会影响Xa3/Xa26的抗病能力,也会影响水稻对高温胁迫的响应。暗示用传统育种方法将Xa3/Xa26导入粳稻中能更好的发挥其功能。OsWRKY45-1位点更适合用于抗病育种,OsWRKY45-2位点更适合用于抗逆境育种。
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