[目的]籽粒大小是影响藜麦产量、商品性和加工特性的重要因素,考察灌浆期大小粒型藜麦籽粒表型、灌浆特性和淀粉合成酶活性的差异,可为大粒型藜麦品种的选育提供理论指导.[方法]选择千粒重大于5.0 g和小于3.0 g的藜麦材料各2份,在青海省农林科学院种质资源创新试验基地进行田间试验,比较自灌浆期始7 d、14 d、21 d和28 d籽粒表型、灌浆特性和淀粉合成酶活性等在大小粒型藜麦间的差异.[结果](1)大小粒型藜麦籽粒面积、周长、直径、粒长、粒宽表型性状随着生育时期均极显著增大,且粒型间存在显著差异,并以籽粒面积和周长差异最大,大粒型藜麦分别显著高于小粒型藜麦9.12％～11.54％和21.49～23.92％.(2)灌浆期间大粒型藜麦百粒干质量始终显著高于同期小粒型藜麦,平均增幅在21.23％～31.04％;大小粒型藜麦灌浆速率随生育期均先上升后下降,均符合"慢—快—慢"的变化规律,但达到峰值时间和峰高明显不同,大粒型峰值出现早而高,小粒型则低而迟.(3)淀粉分支酶(SBE)、蔗糖合成酶(SS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和ADPG焦磷酸化酶(AGP)在大小粒型藜麦籽粒灌浆期呈现不同的变化趋势,SBE和SS活性表现为小粒型藜麦强于大粒型藜麦,而SSS和AGP活性则表现为大粒型藜麦强于小粒型藜麦.[结论]藜麦籽粒灌浆期间4种淀粉合成酶活性的差异,致使淀粉合成积累量和灌浆速率峰值的不同,进而形成籽粒表型性状的差异,而SSS和AGPase是影响藜麦籽粒大小形成的关键酶.

金苦荞是近些年创制的苦荞与金荞麦种间杂交形成的双二倍体杂种半多年生新荞麦种类(Fagopyrum tatari-cymosum),为了探讨该荞麦种类的农艺性状和品质性状的遗传规律,以 26 个高产金苦荞品系为材料,对其品质性状和农艺性状进行了遗传变异研究、相关性分析和聚类分析.结果表明:(1)金苦荞品质性状的变异系数大小表现为醇溶蛋白含量>谷蛋白含量>黄酮含量>总蛋白含量>球蛋白含量>清蛋白含量>淀粉含量.(2)金苦荞农艺性状的变异系数大小表现为主茎分枝数>基部 20 cm内节数>主茎粗>籽粒面积>千粒重>主茎节数>株高>籽粒长宽比>籽粒宽>籽粒长>果壳率>籽粒周长>籽粒直径.(3)相关性分析中,黄酮含量与清蛋白含量呈显著正相关;醇溶蛋白含量与主茎节数、基部 20 cm内节数、主茎粗呈显著或极显著正相关,与千粒重、籽粒面积、周长、宽、直径呈显著或极显著负相关;淀粉含量与籽粒面积、长、直径呈显著正关系.(4)聚类分析将 26 个金苦荞品系分为了 3 个类群,其中类群I属于高淀粉、矮秆、多分枝、低果壳率、大长粒型品系,类群Ⅱ属于高蛋白、高秆、粗壮、粒型偏小的品系,类群Ⅲ属于高品质、高产、大粒品系.该研究结果为金苦荞的选育提供了理论依据.

水稻是人类主要的粮食作物,如何有效提高其产量和品质是备受关注的重大科学问题.水稻籽粒大小是影响产量的主要因素之一,水稻籽粒发育调控的研究对利用分子设计育种提高产量、改善品质具有重要的指导意义.粒型由籽粒的长度、宽度和厚度共同决定,是受多基因调控的数量性状,是决定水稻产量和品质的关键因素之一.近年来,通过对水稻种子发育缺陷突变体的研究,发现了大量与粒型相关的数量性状位点(quantitative trait locus,QTL),一些相关基因也相继被克隆和鉴定,调控水稻粒型的复杂信号通路正在逐步阐明,其中一些基因涉及植物激素的合成、分解、运输,以及植物激素的信号转导途径.本文概述了水稻胚乳发育的基本过程,归纳了目前对胚乳发育过程中植物激素动态变化的整体认识,聚焦于控制水稻粒型的植物激素信号通路相关QTL和基因的研究现状,并对近年来取得较大进展的细胞分裂素、油菜素内酯、生长素、赤霉素、乙烯、茉莉酸和脱落酸相关通路与粒型调控的关系进行了总结和分析,进一步梳理了水稻粒型相关植物激素信号调控网络,旨在为鉴定和解析植物激素调控水稻粒型的分子机制提供参考,同时为水稻分子设计育种提供新的思路.

水稻种子粒型是影响产量的重要因素.GS3基因是水稻第一个被克隆的粒型基因,主要调控籽粒的粒长和粒重.GS3蛋白包含N端的OSR(Organ size regulation)和C端的Cys-rich功能结构域.GS3基因主要存在4种自然变异类型,分别为GS3-1至GS3-4.其中,GS3-1编码全长GS3蛋白;GS3-2编码的蛋白质插入1个氨基酸;GS3-3导致GS3完整蛋白缺失,表现为籽粒变长;GS3-4编码N端的OSR结构域,表现为籽粒明显变短.截至目前,在水稻自然变异中仍未发现仅编码C端的Cys-rich结构域的GS3变异类型,其对籽粒大小的调控也不清楚.本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在DNA序列两侧设计靶点删除大片段序列,创制出仅编码C端Cys-rich功能结构域的突变类型gs3-5,并获得纯合突变株系.与受体背景中花11相比,gs3-5纯合突变株系表现为粒长和千粒重增加.上述结果表明OSR结构域是GS3蛋白作为籽粒大小的负调控因子所必需的,为进一步解析OSR结构域对籽粒大小的调控以及探索新的育种改良方法提供了参考.

小麦籽粒大小和形态是决定产量的主要因素之一,挖掘籽粒大小和形态性状的关联位点,筛选相关候选基因对于提高小麦产量具有重要意义.本研究以国内外具有代表性的300份冬小麦自然群体为研究材料,对千粒重、粒长、粒宽、粒厚、籽粒长宽比、籽粒面积、籽粒周长、籽粒形状和籽粒饱满度等9个籽粒性状进行表型鉴定,利用小麦90 K SNP芯片进行基因型采集,通过混合线性模型(MLM+Q+K)对籽粒大小和形态性状进行全基因组关联分析.研究结果表明,小麦籽粒大小和形态性状表现出丰富的表型变异,变异系数范围3.80％～26.06％,广义遗传力在56.25％～91.98％之间.通过GWAS检测出66个与籽粒大小和形态相关的稳定关联位点(P≤0.001),分布在除3D、4D、5D外的18条染色体上,可解释3.74％～14.34％的表型变异.检测到37个与两个及以上籽粒性状关联的一因多效位点,其中3B染色体的BS00022512_51标记同时与4个籽粒性状(粒长、粒宽、粒厚和籽粒长宽比)关联,具有最大的表型贡献率(7.06％～14.34％),6D染色体的wsnp_Ex_c4480_8055475标记同时与除粒厚、籽粒形状和籽粒饱满度以外的6个籽粒性状关联,表型贡献率为3.81％～8.25％.将 BS00022512_51和wsnp_Ex_c4480_8055475标记进行单倍型分析,发现位于6D染色体上的wsnp_Ex_c4480_8055475位点存在GC-Hap1、AT-Hap2和AC-Hap3三种单倍型,单倍型GC-Hap1为籽粒较大的高千粒重单倍型.3种单倍型的整体分布频率分别为65.58％、32.25％和2.17％,单倍型GC-Hap1在中国4个冬麦区品种(系)中被大量选育.对37个一因多效位点进行发掘,筛选到9个籽粒大小和形态性状相关的候选基因.

选取适合湖南种植的48个水稻品种(系)在中轻度和重度镉污染土壤上进行盆栽试验,通过分析水稻籽粒产量、各器官富集系数、转运系数及植株净化效率,探明不同镉污染土壤对水稻镉富集、转运及净化效率的影响.结果表明:中轻度和重度镉污染土壤下糙米Cd含量、籽粒产量分别为0.010～0.048 mg·kg-1、96.63～152.55 g·盆-1和0.105 ～ 0.476mg·kg-1、101.10～ 165.12 g·盆-1,重度镉污染土壤明显促进糙米镉含量增加,但对籽粒产量影响不大;中轻度和重度镉污染土壤下糙米镉富集效率和产量均不存在显著相关性;依据产量和糙米镉富集效率进行聚类分析,将所有品种在中轻度镉污染土壤下分为低镉低产组、低镉高产组;重度镉污染土壤分为高镉低产组、高镉高产组;两种镉污染土壤水稻各器官镉富集大小顺序均为糙米＜叶＜茎秆＜根系,转运效率则为土-根＞茎-叶＞茎-糙米＞根-茎,土壤镉主要转运至根部并富集于根部;水稻镉富集及转运效率受产量因素影响较小,但受土壤镉浓度影响较大;重度镉污染土壤明显增强水稻各器官镉富集和根-糙米各环节镉转运效率,较中轻度镉污染土壤增幅显著;水稻根部的净化效率远高于地上部分.

选用2个品质类型和成熟期不同的新疆主栽小麦品种'新春11号'和'新春39号',分别进行花后灌浆早期高温(花后5~8 d,32 ℃,T1)和中期高温(花后15~18 d,38 ℃,T2)处理,分析花后高温对小麦籽粒发育及淀粉晶体的影响.结果显示:(1)T1处理明显降低了两品种籽粒长度和粒重,而 T2处理显著影响籽粒宽度和厚度;高温处理虽然降低了籽粒灌浆速率,但两品种灌浆最大峰值出现时间均在花后18 d.(2)T1处理对小麦籽粒A型淀粉粒形态的影响较大,中熟品种'新春11号'的A型淀粉粒表面在花后10 d时可观察到微孔,在花后15~20 d时其粒径明显小于同期对照,在花后20~25 d时淀粉粒表面压痕增多且A、B型淀粉粒表面出现明显缢缩;而早熟品种'新春39号'淀粉粒形态和粒径大小受花后高温的影响相对较小.(3)两品种在不同高温处理下,其淀粉粒晶体特性衍射峰出现的位置相同,但淀粉粒的尖峰强度不同,表明高温胁迫不影响淀粉粒的晶体类型,但可能改变了淀粉粒内部的层状结构.研究表明,花后早期高温不仅对小麦籽粒外部形态有较大的影响,同时也影响到籽粒内部淀粉粒的形态和晶体的特性.

水稻异源三聚体G蛋白系统中的非典型γ亚基GS3,是一个控制籽粒大小的主效数量效应基因座,在调节籽粒大小中发挥负调控因子的功能.BioID (proximity-dependent biotin identification)为邻近蛋白标记技术,其工作原理是生物素连接酶能使其周围的蛋白带上生物素,同时生物素又能和链霉亲和素紧密结合,所以能够利用链霉亲和素偶联的磁珠富集目标蛋白.该技术具有灵敏、高效和周期短等特点,为筛选互作蛋白提供了新方法.为了解析GS3的蛋白调控网络,该研究以水稻原生质体为材料,采用BioID 技术对GS3在水稻中的互作蛋白进行了筛选.Western-blot结果表明:融合蛋白BirAG-GS3在原生质体中成功表达并生物素化GS3邻近蛋白.使用链霉亲和素磁珠富集生物素化后的蛋白,并进行蛋白质谱测序,获得了与GS3邻近的可能存在直接或间接互作的蛋白.将获得的蛋白进行功能富集与注释,并构建蛋白-蛋白互作网络.对部分蛋白进行了BiFC 验证,发现GS3可能与ICL、PPDK、RPN7和RH15发生相互作用,涉及能量代谢的调节、种子淀粉物质的储存、泛素-蛋白酶体系统以及凋亡途径等生物过程.

分析花生种质资源表型性状的变异规律,构建花生种质资源的综合评价体系,筛选最优的评价指标.本研究以40份花生种质资源的17个表型性状为研究对象,利用变异系数与Shannon-Weaver指数对表型性状的多样性进行分析,采用聚类分析、主成分分析以及逐步回归分析对花生种质资源进行了综合评价和鉴定指标的筛选.结果表明:17个表型性状的变异系数变化范围为4.15％～31.82％,油酸、亚油酸以及蔗糖含量等性状变异丰富,出仁率、粗脂肪及蛋白质含量等性状较稳定;多样性指数变化范围为1.39 ～2.06,主茎高、百仁重及蛋白质含量等性状分布比较均匀,油酸、亚油酸及棕榈酸等性状分级及分布较不均匀.聚类分析把40份花生种质资源分为4个类群.主成分分析把17个表型性状归为5个主成分(累计贡献率80.41％,反映出17个表型性状的大部分信息),依次为花生籽粒含油量因子、籽粒含糖量因子及丰产性因子,以上因子可以较准确的评价花生种质.花生种质表型性状的综合评价由F值大小判定,F值均值为0.73,开农176的F值最高,阜花12号的F值最低.由逐步回归分析筛选出8个表型性状:单株鲜果重、百果重、出仁率、粗脂肪、蛋白质含量、棕榈酸、油酸和蔗糖含量.花生种质资源遗传多样性较丰富,综合评价F值可以为花生种质资源评价提供参考,筛选的8个表型性状可以作为花生种质资源性状评价指标.

本研究对引自国外的135份藜麦种质资源的15个农艺性状进行了数量和质量性状的遗传多样性、主成分和聚类分析,以及特异种质筛选.结果表明,该批藜麦种质具有丰富的遗传多样性,其中变异系数从大到小的7个数量性状依次为产量(57.8％)、单株粒重(57.4％)、茎粗(27.6％)、千粒重(22.5％)、株高(21.9％)、主花序长(19.4％)和生育期(13.9％);遗传多样性指数从大到小的8个质量性状依次为主花序色(1.44)、籽粒色(1.43)、茎色(1.38)、籽粒形状(0.88)、幼苗心叶叶色(0.79)、主花序形状(0.78)、籽粒光泽(0.63)和子叶颜色(0.08);藜麦产量与千粒重、单株粒重呈极显著正相关,与生育期呈极显著负相关;主成分分析的前5个主成分累计贡献率达到66.537％,第1主成分主要与株型、花序型和生育期有关,第2主成分主要与植株和花序颜色有关,第3主成分主要与产量有关,第4主成分主要与籽粒大小、形状有关,第5主成分主要与籽粒颜色有关;聚类分析在遗传距离为7.5时将135份藜麦种质划分为6类,其中第Ⅱ类群产量最高;有31份特异种质具有早熟、矮秆、粗秆、大粒、长花序、结实率好和产量高等特性.