水稻高产形成的分子生态学基础及其应用研究

介绍了10多年来在水稻产量形成的发育遗传及其分子生态学基础的研究成果,分析了传统上应用比较生理学研究作物高产形成的优点与不足,强调应积极引进其它学科的研究内容及其方法,深化对作物栽培科学问题的认识,提出了根据作物不同发育阶段的基因作用规律及其性质,研究制定相应措施。及时调控那些受显性遗传效应机制和加性效应基因与环境互作同向表达的性状是实现高产稳产的技术关键,认为这是作物遗传生态栽培学的主要特色与技术创新,并就作物栽培向分子栽培学的发展及其前景作了初步探讨。     

Detection of selection signatures of population‐specific genomic regions selected during domestication process in Jinhua pigs

Chinese pigs have been undergoing both natural and artificial selection for thousands of years. Jinhua pigs are of great importance, as they can be a valuable model for exploring the genetic mechanisms linked to meat quality and other traits such as disease resistance, reproduction and production. The purpose of this study was to identify distinctive footprints of selection between Jinhua pigs and other breeds utilizing genome‐wide SNP data. Genotyping by genome reducing and sequencing was implemented in order to perform cross‐population extended haplotype homozygosity to reveal strong signatures of selection for those economically important traits. This work was performed at a 2% genome level, which comprised 152 006 SNPs genotyped in a total of 517 individuals. Population‐specific footprints of selective sweeps were searched for in the genome of Jinhua pigs using six native breeds and three European breeds as reference groups. Several candidate genes associated with meat quality, health and reproduction, such as GH1, CRHR2, TRAF4 and CCK, were found to be overlapping with the significantly positive outliers. Additionally, the results revealed that some genomic regions associated with meat quality, immune response and reproduction in Jinhua pigs have evolved directionally under domestication and subsequent selections. The identified genes and biological pathways in Jinhua pigs showed different selection patterns in comparison with the Chinese and European breeds.     

水稻籽粒镉积累QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryza sativa)是全世界重要的经济作物之一, 稻田镉(Cd)污染和镉积累问题严重威胁世界水稻的产量和品质以及人类健康, 如何降低水稻中镉积累已成为热点问题。以籼稻品种华占(HZ)为父本、粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本, 连续自交多代后得到120个重组自交系群体, 对其镉积累进行检测和分析, 同时利用遗传图谱进行QTL作图。结果共检测到7个QTLs, 分别位于水稻第2、3、9和12号染色体上, 其中1个LOD值高达4.97。对这些QTL区间内与耐金属离子胁迫相关的候选基因进行定量分析, 发现LOC_Os02g50240、LOC_Os02g52780、LOC_Os09g31200、LOC_Os09g35030和LOC_Os09g37949这5个基因在双亲间的表达量差异显著, 结合亲本对不同金属离子的浓度积累数据, 推测LOC_ Os02g50240、LOC_Os09g31200及LOC_Os09g35030的高表达可能极大地提高了水稻对镉离子的吸收和胁迫耐受能力。通过QTL挖掘和分析, 发现这些基因与水稻籽粒的镉积累有关, 可能影响水稻耐镉胁迫的能力。研究结果为进一步筛选和培育耐镉胁迫的水稻品种创造了条件, 为阐明水稻镉积累的分子调控机制奠定了基础。     

水稻旱育稀植高产栽培的生理生态研究 Ⅱ.早稻高产形成与生理生化特性

本研究结果表明,旱育秧苗移栽大田后仍能保持较强的生理生化优势,从分蘖期到乳熟期,旱育秧植株的抗坏血酸氧化酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、ＡＴＰ酶和硝酸还原酶活性分别比对照高４．０９～１２．２２％、８．２２～１９．６８％、１０．１９～２４．７３％、２．７７～２２．３６％、３６．１１～１３７．５％和２６．１１～１３５．２％,丙二醛含量降低５．０４～７．１４％,膜透性相应减少２９～１６．０６％,因而抗逆性强,秧苗移栽后返青快、分蘖早、成穗率高,叶片不早衰,干物质积累多,高产．     

降水和氮沉降增加对草地土壤酶活性的影响

为探究降水和氮沉降增加对草地生态系统土壤酶活性的影响,于2014年生长季在内蒙古温带典型羊草草原开展了野外原位控制实验。试验共设置降水(对照,W0,自然降水;W15,增加15%的年均降水量)、施氮(对照,CK,0 kg N hm~(-2)a~(-1);低氮,LN,25 kg N hm~(-2)a~(-1);中氮,MN,50 kg N hm~(-2)a~(-1);高氮,HN,100 kg N hm~(-2)a~(-1))及其交互作用等8个不同的处理水平来模拟降水和氮沉降增加的全球变化情景,分别定量探讨了不同水、氮添加条件下草地表层土壤中与氮循环相关的蛋白酶,脲酶,硝酸还原酶,亚硝酸还原酶活性的月动态变化及其与土壤理化性质之间的相关性。研究结果表明:在自然降水条件下,不同施氮水平蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶活性无显著差异,亚硝酸还原酶活性相比于对照显著降低;在增加降水条件下,不同施氮水平对蛋白酶和硝酸还原酶活性未产生显著性影响,高氮水平显著降低脲酶和亚硝酸还原酶活性。不同施氮水平是否添加降水对亚硝酸还原酶活性无影响,而增添降水使低氮处理的蛋白酶活性和中、高氮处理水平的硝酸还原酶活性增加、高氮处理的脲酶活性降低。降水在影响蛋白酶和硝酸还原酶活性方面具有主效应,氮沉降在影响亚硝酸还原酶活性方面具有主效应,而降水和施氮处理未表现出明显地交互作用。土壤亚硝酸还原酶活性与土壤碳氮比和NH~+_4-N含量极显著正相关,与NO-3-N含量显著正相关。     

不同土地利用方式下酚酸物质与土壤微生物群落的关系

酚酸物质是影响微生物生物量和群落结构的重要因子之一,研究酚酸物质在不同土地利用方式下的变化规律及其与微生物群落结构的关系,有助于更好地理解不同土地利用方式下微生物群落变化的作用机制。以山河屯林业局奋斗林场次生林(SF)、落叶松人工林(LP)、农田地(FL)和撂荒地(AL)为研究对象,测定不同土地利用方式下0—5 cm、5—10 cm和10—20 cm层的土壤总酚、复合态酚、水溶性酚和9种酚酸物质,并采用磷脂脂肪酸法(PLFA)测定这4种土地利用方式的土壤微生物群落。结果表明,各土层的落叶松人工林土壤总酚含量显著高于其他三种土地利用方式。在0—5 cm和5—10 cm土层中,落叶松人工林土壤水溶性酚含量最高,而在10—20 cm土层中,则是次生林显著高于其余三种土地利用方式(P0.05)。在0—5 cm土层中,次生林土壤的总PLFA、真菌含量比农田地和撂荒地分别高14.61%、80.91%和55.63%、156.55%,同时,次生林的土壤真菌∶细菌(F∶B)显著高于落叶松人工林、农田地和撂荒地(P0.05)。0—5 cm层和5—10 cm层的土壤总酚与微生物群落(细菌、真菌)分别呈正相关和负相关关系,而在10—20 cm层,三种土壤酚类物质与微生物群落均未达到显著相关(P0.05)。冗余分析表明,0—5 cm层土壤中的阿魏酸、2,4-二羟基苯甲酸和β-谷甾醇均对真菌群落和F∶B有显著影响(P0.05),而在10—20 cm层中,只有β-谷甾醇影响了微生物群落的生长。土地利用方式的变化改变了表层土壤的酚酸物质含量和微生物群落结构,酚酸物质对表层土壤各类群的微生物量有明显的促进作用,但抑制了深层土壤微生物的生长。     

早晚季不同耐光氧化特性水稻品种籽粒灌浆关键酶活性变化

选用光氧化敏感和不敏感的两大类型4个水稻品种研究早晚季耐光氧化反应特性与其稻米品质稳定性密切相关的生理生化原因.结果表明,耐光氧化反应特性强的适强光生态型水稻品种的平均灌浆速率(G_mean)、达最大灌浆速率时间(T_max.G)和达最大灌浆速率百粒重(W_max.G)等参数在早晚季灌浆结实期间保持相对稳定;而对光氧化敏感的弱光生态型品种佳禾早占以上参数的早晚季稳定性较差.比较早晚季籽粒灌浆充实过程中关键酶活性的变化结果可见,耐光氧化反应特性强的品种,灌浆速率高峰到灌浆终期ADPG-焦磷酸化酶和淀粉合成酶活性早晚季变异比耐光氧化反应特性弱的品种小,且耐光氧化反应特性强的品种灌浆高峰前后酶活性变异的幅度早晚季也较一致.     

外源碳输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响及其微生物学驱动机制

外源碳输入对土壤碳源可利用性的改变不仅直接影响着微生物参与陆地生态系统的碳循环过程,而且也制约着微生物对其它营养元素的需求。在大气氮沉降持续增加的全球变化背景下,部分地区已出现生态系统氮养分条件的显著变化甚至土壤中活性氮素的过量积累,进而带来微生物对碳源需求的增加。通过人为调控碳源的可利用性,改善微生物的碳限制状况,将对科学的增加陆地生态系统固碳能力具有极为重大的意义。综述了国内外有关外源碳输入对土壤碳排放、凋落物分解以及土壤碳库影响及其主要的微生物作用机制的相关研究结果,以期能够为未来氮沉降持续增加情景下,如何科学有效地提高生态系统的碳汇潜力提供一定的参考。     

Self-incompatibility in Papaver rhoeas activates nonspecific cation conductance permeable to Ca2+ and K+

Cellular responses rely on signaling. In plant cells, cytosolic free calcium is a major second messenger, and ion channels play a key role in mediating physiological responses. Self-incompatibility (SI) is an important genetically controlled mechanism to prevent self-fertilization. It uses interaction of matching S-determinants from the pistil and pollen to allow "self" recognition, which triggers rejection of incompatible pollen. In Papaver rhoeas, the S-determinants are PrsS and PrpS. PrsS is a small novel cysteine-rich protein; PrpS is a small novel transmembrane protein. Interaction of PrsS with incompatible pollen stimulates S-specific increases in cytosolic free calcium and alterations in the actin cytoskeleton, resulting in programmed cell death in incompatible but not compatible pollen. Here, we have used whole-cell patch clamping of pollen protoplasts to show that PrsS stimulates SI-specific activation of pollen grain plasma membrane conductance in incompatible but not compatible pollen grain protoplasts. The SI-activated conductance does not require voltage activation, but it is voltage sensitive. It is permeable to divalent cations (Ba(2+) ≥ Ca(2+) > Mg(2+)) and the monovalent ions K(+) and NH(4)(+) and is enhanced at voltages negative to -100 mV. The Ca(2+) conductance is blocked by La(3+) but not by verapamil; the K(+) currents are tetraethylammonium chloride insensitive and do not require Ca(2+). We propose that the SI-stimulated conductance may represent a nonspecific cation channel or possibly two conductances, permeable to monovalent and divalent cations. Our data provide insights into signal-response coupling involving a biologically important response. PrsS provides a rare example of a protein triggering alterations in ion channel activity.