棉花是全球重要的经济作物和纺织工业原料,选育优良新品种是提高棉花产量、品质和植棉效益的主要途径.然而,传统育种方法在改良作物遗传特性方面存在很大的局限性,而基因编辑技术为加快棉花种质创新和遗传改良提供了契机.基因编辑技术是一种利用人工设计的核苷酸酶,对生物体特定DNA序列的基因组片段进行删除、修改、插入或替换单个或多个核苷酸,从而实现对目标基因精确编辑的技术方法.本文首先综述了ZFNs、TALENs和CRISPR三种主要基因编辑系统的原理,以更好地理解如何利用基因编辑技术改良棉花的生长发育、抗逆性等性状;其次,重点评述了当前备受关注的CRISPR基因编辑系统在改良棉花抗逆性、纤维与种子品质性状等方面的应用;最后分析了基因编辑技术在应用过程中存在的不足和局限,并指出未来应进一步优化开发有知识产权的基因编辑系统,提高其精确性、安全性,促进其在棉花种质创新和遗传改良中的应用.

种质资源是农业科技原始创新与现代种业发展的物质基础,优异种质为培育优良棉花品种提供了材料基础.本研究以230份棉花种质资源为材料,利用遗传多样性、相关性分析、主成分分析以及聚类分析等方法对其13个表型性状指标进行分析.结果表明,13个性状的变异系数在0.90％～22.43％之间,其中整齐度指数的变异系数最小,单株结铃数的变异系数最大.各表型性状的遗传多样性指数在1.92～2.07之间,马克隆值的遗传多样性指数最大,单株结铃数的遗传多样性指数最小.主成分分析结果显示,6个主成分的累计贡献率可达74.413％,其中第1主成分、第5主成分和第6主成分可合并为纤维品质因子,第2主成分、第3主成分可合并为棉花产量因子,第4主成分为植株性状因子.聚类分析把230份棉花种质资源材料分成3类,其中类群Ⅱ是产量与纤维品质性状综合表现较好的类群.最后依据综合评价D值进行评价,初步筛选出29份表现较好的棉花品种,在育种工作中可根据育种目标对其进行针对性的改良.

在"探究酸雨对生物的影响"的实验中,将实验对象由植物调整为丰年虾(Artemia salina),使学生认识到酸雨除了对植物有害,还对其他生物有危害.本实验设定了4个pH梯度来探究酸雨对丰年虾孵化的影响,实验结果采用笔式数码显微镜观察计数,启发学生用棉花纤维或碘液来限制丰年虾的运动以便于计数.本实验从实验对象、用具和方法3个方面进行了创新.在课堂教学中,从了解实验背景、选取实验对象,到设计实验步骤及操作实验,都以问题导向为原则,凸显学生的主体地位,培养学生的生物学学科核心素养.

工业大麻作为一种重要的特种经济作物,已经实现全产业链发展,尤其是其韧皮纤维作为重要原料而被广泛应用于纺织、造纸、建筑、家居、绝缘材料、建材以及汽车零部件和复合材料.国内对工业大麻的研发和应用较早,工业大麻纺织产品在全球市场上具有极大地竞争力.在纺织工业中随着市场对纤维产量的需求越来越高,对品质的要求也越来越严格,科研人员需要不断选育优质高产的纤维型工业大麻品种.全基因组关联分析(GWAS,genome-wide association study)能够揭示作物表型与基因型之间的联系,利于挖掘性状相关基因和遗传基础信息,进而分析群体遗传结构,推动分子育种与品种性状改良有机结合培育高产高质、抗病抗逆的优良品种.目前该技术方法已广泛应用在棉花、水稻、玉米、小麦等农作物中,在工业大麻等主要麻类纤维作物中的研究也取得一定进展.因此,本研究对目前工业大麻中GWAS的应用情况及研究结果进行阐述,并对未来应用该技术的研究方向进行了简要说明,以期为工业大麻后续采用GWAS分析提供见解.

[目的]针对我国研发的具有自主知识产权的转EPSPS基因抗除草剂棉花,研究其环境适应和生存竞争能力,以评价其环境安全性,为其生产应用提供依据.[方法]试验在河南安阳中国农业科学院棉花研究所试验农场中进行.以转基因(EPSPS)抗草甘膦棉为试验品种,受体材料和中棉所49为对照品种,在正常管理模式下,对棉花的营养生长、生殖生长、产量因子及纤维品质等指标进行比较.[结果]转基因抗草甘膦棉花在苗期、现蕾期、花铃期和吐絮期的株高均低于受体材料,但差异不显著;花铃期,转基因抗草甘膦棉花每株花蕾数比受体材料少3.58个,差异达到显著水平;但在吐絮期其单株铃数比受体材料多1.1个,且其产量比受体材料高91.4 kg?hm-2;转基因抗草甘膦棉花的纤维品质也有一定程度的改善.同时,转基因抗草甘膦棉花上述各项生长指标、产量及纤维品质等均与对照品种中棉所49相当.[结论]转基因抗草甘膦棉花在栽培地环境下可正常生长,未对农业生产造成明显的负面影响和风险.

棉花是重要的纤维作物,在四个栽培棉种中,海岛棉纤维品质最优,了解LTR反转录转座子的数量与分布,可以促进海岛棉基因组的研究.通过综合不同方法挖掘海岛棉基因组中的LTR反转录转座子序列,并进行家族归类和数据分析.结果表明海岛棉A亚组和D亚组共有的LTR反转录转座子家族占全部家族的95％,LTR反转录转座子的Copia超家族和Gypsy超家族的分布特征有明显的不同,但相同超家族在相同亚组染色体上则表现出相似的特征.LTR反转录转座子周边基因的GO注释主要富集在结合活性、催化活性和代谢过程等方面.研究结果揭示了LTR反转录转座子在海岛棉染色体上的分布特征及其周边基因的功能富集.

我国主产棉区棉花纤维品质区域特征明显,合理划分纤维品质生态区有助于提高原棉的纺纱品质.本研究采用GGE双标图的“环境-性状”功能图分析了2011-2015年期间国家棉花品种区域试验中传统棉区与纤维品质性状的互作,并提出了我国主产棉区棉花纤维品质生态区域划分.结果表明:我国主产棉区可划分为“优质纤维生态区”、“低马克隆值生态区”、“高比强度与马克隆值生态区”和“普通纤维生态区”.其中,优质纤维生态区包括长江上游和长江下游棉区,棉纤维长度、比强度、马克隆值等指标协调较好,且纺纱均匀性指数表现最好;低马克隆值生态区位于南疆和北疆棉区,马克隆值和比强度低,纺纱均匀性指数较好;高比强度与马克隆值生态区涵盖长江中游、南襄盆地和淮北平原棉区,比强度和马克隆值高,其余性状表现一般;普通纤维生态区包括华北平原和黄土高原棉区,各项纤维品质指标表现中等或较差.本研究应用GGE双标图的“环境-性状”功能图划分的纤维品质生态区可为优化我国棉花品质区域化种植和纺织企业合理用棉提供决策支持,也可为其他作物生态区划分提供方法参考.

对2017年国内外棉花遗传育种领域取得的重要研究进展进行了概括性评述.棉花基因芯片技术得到了广泛应用,一批重要产量、品质性状基因获得定位和克隆.棉花全基因组关联分析(GWAS)取得重大突破,陆地棉高密度遗传图谱构建取得重大进展,棉花芽黄、纤维品质性状基因的精细定位及克隆取得较大进展,在棉花转基因新方法、转基因抗虫、抗除草剂新材料等方面进展显著.文中并进一步结合我国棉花发展现状、未来趋势与所面临的机遇,提出了我国棉花发展应采取的一些对策.

[背景]棉花是新疆农业的支柱产业,棉花黄萎病严重影响棉花产量和纤维品质,有效的防治途径是目前解决的首要任务.[目的]探究Bacillus velezensis BHZ-29、Bacillus atrophaeus SHZ-24、Bacillus subtilis SHT-15、Bacillus vanillea SMT-24菌株产铁载体能力及其对抑菌活性的影响.[方法]MKB-CAS双层平板检测铁载体,Arnow法与高氯酸铁法鉴定铁载体类型,CAS染液定量铁载体,琼脂扩散法测定低铁条件下铁载体对抑菌物质的影响.[结果]MKB-CAS固体平板菌体周围出现橙紫色显色反应,Arnow实验4株拮抗菌反应液颜色为红色,高氯酸铁实验反应液颜色为黄色;BHZ-29、SHZ-24、SHT-15、SMT-24菌株铁载体定量活性单位最大值分别为8.27％±0.61％、31.80％±2.06％、16.06％±3.61％、15.53％士0.51％,吸光度值As/Ar比值最小分别为0.917士0.092、0.682±0.021、0.845士0.005、0.846±0.008.BHZ-29、SHZ-24、SMT-24菌株含铁离子浓度0、10、20μmol/L 3组处理发酵无菌滤液均未出现抑菌圈,SHT-15菌株3组处理出现抑菌圈,抑菌圈直径大小无差异性.[结论]4株拮抗菌株均产铁载体,铁载体类型为儿茶酚型,4株拮抗菌株整体产铁载体能力较低,最高达31.80％±2.06％,产铁能力As/Ar比值高于0.682时,BHZ-29、SHZ-24、SMT-24菌株含铁离子浓度0、10、20 μmol/L 3组处理发酵无菌滤液对抑菌活性无影响,SHT-15菌株3组不同铁离子浓度处理对抑菌物质影响差异不显著.

利用农杆菌介导法获得'新陆早36号'转棉花肉桂醇脱氢酶基因(GhCA D6)材料,以转基因T6代植株为试材,对G hC A D6基因在叶片基因组中的整合情况和不同发育阶段棉花纤维中的表达量进行分析,研究该基因对棉纤维中结构多糖和苯丙烷类化合物含量及纤维中苯丙烷类结构单体的影响.结果显示:(1)GhCAD6基因以单拷贝的形式整合到受体棉花基因组中.(2)转基因植株纤维中GhCAD6基因的表达量低于相同发育阶段对照样品,在对照样品中GhCA D6基因的表达量表现为先升高,在20 DPA(开花后天数)时表达量最高,之后下降,而在转基因植株纤维中先上升,并于发育15 DPA时表达量下降,20 DPA时又上升至最高,之后再次下降.(3)成熟纤维中,转G hC A D6基因植株纤维中苯丙烷类化合物含量低于对照,但结构多糖含量的差别不明显.(4)转GhCAD6基因纤维中苯丙烷类结构单体——紫丁香基木质素(S-木质素)和愈疮木基木质素(G-木质素)的比值下降.研究表明,棉花转入GhCA D6基因后,纤维发育(15 DPA)中GhCA D6基因的表达量变化可能导致棉花中苯丙烷类化合物含量及其结构单体比率变化,从而造成棉花纤维品质改变.该研究结果可为深入分析G hC A D6基因在改良棉花纤维品质的作用机理提供理论依据.