因糖尿病发病机制的复杂性和受累脏器的多样性，目前尚未见可完全复现人类糖尿病疾病进程的动物模型。传统糖尿病及其并发症动物模型缺乏统一的模型建立方法和成模标准，在模型诱导和表型方面存在一定局限性。应用基因编辑和遗传育种新技术构建的糖尿病及其并发症动物模型则克服了传统诱导方法的不足，具有较好的应用价值。选择合适的糖尿病及其并发症动物模型对研究结果的可靠性和研究结论的严谨性至关重要，有助于完善糖尿病发病机制理论和新的糖尿病治疗药物筛选。

雄性不育性普遍存在于植物界,它的优点是省去了人工去雄的操作,能有效提高杂种子一代种子的纯度,利用雄性不育性进行育种,具有明显的优势和作用.水稻杂种优势的研究,历经"三系法""两系法"和"第三代"杂交水稻的3个发展阶段,这些方法的本质都是利用雄性不育系来生产种子.本文着重阐述雄性不育性的原理、分类及其在生物育种中的应用,结合高考题的考查方式,具体分析其对生物学学科核心素养的考查形式,展望多种育种原理在高考中的考查形式和考查前景.

在哺乳动物细胞中,利用同源引导修复(homology-directed repair,HDR)机制的基因编辑策略能够实现精准的点编辑和敲入,但是HDR的低效性严重制约了该策略在精准医疗和分子设计育种中的应用.鉴于HDR机制所需的供体DNA模板不能自主募集到基因组双链断裂(double-stranded break,DSB)处,本课题组提出了供体适配系统(donor adapting system,DAS)的概念并开发出CRISPR/SpCas9-Gal4BD供体适配基因编辑系统.由于SpCas9蛋白分子较大,与Gal4BD适配器结合不利于表达、病毒载体包装及活体递送等过程,因此本研究进一步采用两种小型化Cas蛋白——路邓葡萄球菌(Staphylococcus lugdunensis)源SlugCas9变体SlugCas9-HF与 氨基酸球菌(Acidaminococcus sp.)源 AsCasl2a,开发了新型的 CRISPR/Gal4BD-SlugCas9 和CRISPR/Gal4BD-AsCas12a供体适配基因编辑系统.通过SSA活性报告实验初步证明了 Gal4BD与SlugCas9、AsCasl2aN-端融合对其打靶活性影响较小.通过HDR效率报告实验进行功能验证并优化供体设计方案,结果表明:对于 CRISPR/Gal4BD-AsCasl2a DAS,适配器结合序列(binding sequence,BS)与供体 5'-端融合(BS-dsDNA)效果较好;对于CRISPR/Gal4BD-SlugCas9 DAS,则 BS与供体3'-端融合(dsDNA-BS)较佳.最终,利用CRISPR/Gal4BD-SlugCas9 DAS 对 HEK293T 细胞中的 EMX1、NUDT5、AAVS1 三个基因位点分别实现了 24％、37％、31％的精准编辑,相比对照组得到了显著提高.本研究为供体适配基因编辑系统的进一步优化提供了参考和借鉴,为后续动物分子设计育种应用研究提供了新的基因编辑工具.

杂种优势是指杂种后代的性能优于双亲群体的现象.杂交能有效提高后代的生长发育性能、繁殖性能和抗病性,因此被广泛应用于动植物生产.研究人员利用杂交育种技术培育了超优千号杂交水稻、小偃6号杂交小麦、杜蒙羊、山下黑猪等优秀的农牧新品系和配套系.然而当前的杂种优势研究仍存在一些亟待解决的问题:现有杂种优势理论只能部分解释动植物杂种优势现象,动物杂种优势理论研究较少,且现有的杂种优势预测方法准确性有限.我国是世界上最大的猪肉生产消费国,杂种优势能够有效提高生猪生产性能,在生猪产业的应用方面具有重要的经济和研究价值.但目前有关猪杂交生产研究还处于起步阶段,亟待进一步深入.本文综述了现有的杂种优势理论、杂种优势预测方法,及其在猪生产中的应用研究,以期为杂种优势在生猪育种中的应用提供借鉴与参考.

当前全球变暖趋势不可逆转,异常气候导致的温度胁迫频繁发生,给农业高产及稳产带来了巨大挑战.生物钟作为内源性且可遗传的计时机制,赋予了植物预测和快速响应环境因子周期性变化的能力,以确保诸多生理生化途径与环境同步,极大增强了植物的生存和繁衍能力.温度响应和补偿现象不仅涉及生物钟与环境信号"同步化",而且涉及农业生产中作物适应温度胁迫的实际应用.生物钟温度补偿是指在较宽范围的生理温度内,通过转录和转录后机制,生物钟可基本维持近日节律周期的长度不变,确保计时机制准确运行.自然环境中,光照、温度和湿度紧密耦联,作为授时因子将环境信号经过输入途径传递给生物钟核心振荡器,影响植物生长发育的全过程.该文回顾了植物生物钟温度响应和补偿机制的研究历史,详述了最新研究进展,展望了其在作物遗传育种和田间管理等方面的应用前景,为解决农作物温度胁迫适应性问题提供了全新的思路和方案.

在与病原菌的长期斗争过程中,植物进化出复杂而精细的免疫防御系统.抗病(resistant,R)基因的克隆和功能研究极大地促进了人们对植物免疫防御系统的理解.执行者(executor,E)基因作为一类新的植物抗病基因,具有独特的抗病特点,同时也是重要的抗病基因资源,因此成为植物免疫领域的研究热点.近年来,E基因的克隆和功能机制研究取得了一系列重要进展,但尚未见相关中文综述.该文全面总结了E基因的蛋白序列特征、与病原菌的互作机制、生物学功能及育种应用,以期为深入理解植物-病原菌互作机制和作物抗病育种提供重要参考.

菥蓂(Thlaspi arvense L.)属于十字花科菥蓂属,是一种兼具药食同源功效的草本植物,生态适应能力强,种子富含油脂,具备较高的资源开发利用价值.近年来,随着现代生命科学研究的不断进步,菥蓂的诸多优势得以被发掘,国内外已陆续开展了关于菥蓂的基础和应用研究.目前国内的报道多集中于菥蓂的功能活性物质提取及其在临床医疗上的作用,国外研究则偏向于探索菥蓂在农业生产循环中的生态价值与脂质代谢调控机制.大量研究表明,菥蓂具备开发生物柴油和补充油料生产的优异潜质,也是新型药物开发的良好备选原料.同时,得益于菥蓂全基因组信息的公布,对菥蓂开展分子育种改良已成为可能,例如通过基因编辑技术改变其种子脂肪酸构成以获得更符合食用油需求的品质,以及挖掘菥蓂的其他重要功能基因用于提高作物生产和抗逆性.利用代谢工程手段优化菥蓂的脂质特性以制备新型植物油甚至异源生产高价值脂肪酸(神经酸等)将潜力巨大,是菥蓂最具前景的开发方向之一.本文综述并展望了近年来菥蓂在资源开发利用和脂质代谢工程研究等方面的报道,以期为菥蓂在我国的基础研究和推广应用提供参考.

小麦穗发芽会造成小麦产量和品质的显著降低,近年来在黄淮地区逐渐加重,威胁我国、特别是黄淮区域小麦生产安全,抗性种质及功能分子标记的筛选和利用是减轻穗发芽危害的根本途径.本研究以多年田间自然鉴定的77份抗穗发芽种质及128份导入了 6个抗穗发芽种质的轮回群体创制的高代品系为材料,采用整穗发芽法和籽粒发芽法对穗发芽抗性进行鉴定和评价,明确穗发芽功能标记Vp1B3、Dorm-B1和PM19在抗性种质中的分布并评估其育种效果.结果表明种质资源中49.35％(38份)达到中抗水平,其中仅57.89％(22份)含有Vp1Ba或(和)Dorm-B1b抗性位点,西农172、Kalango、淮麦40、豫农186同时含有2个抗性位点;高代品系中36.72％(47份)达到中抗以上,其中87.23％含有抗性位点,17.02％(8份)同时含有2个抗性位点.抗性位点的累加可提升抗性水平.种质资源中不含有抗性位点的穗发芽率和发芽指数分别为36.65％和34.99％,而含有2个抗性位点的分别为18.17％和23.87％,高代材料也呈现相同的趋势.高代材料中达到中抗及以上水平的材料与其他材料之间含有的抗性位点数目存在显著差异,其中17.02％的中抗水平材料含有2个抗性位点,而未达到中抗水平的其他材料中仅有4.94％含有2个抗性位点,表明利用优异等位变异可显著改良抗性.本研究结合分子标记和表型鉴定进行抗穗发芽种质筛选,通过轮回选择进行种质创新,有望提升黄淮麦区的小麦穗发芽抗性水平.

穿心莲为我国重要的南药之一,用于清热解毒、凉血消肿,其主要活性成分穿心莲内酯具有抗癌、抗HIV病毒、抗炎、保肝等功效.然而,穿心莲内酯人工合成难度较大,主要从人工栽培的植物原料中提取,栽培植物原料的质量因受土壤、气候、水肥管理等各种因素的影响而参差不齐,穿心莲生长周期长且占用土地资源.植物离体培养技术在种苗快繁及活性成分积累等方面都具有显著优势,是实现穿心莲活性成分快速、高效生产的重要途径之一.穿心莲组织离体再生技术体系日益完善,从外植体到完整植株的组织离体再生技术日渐成熟,已在种苗繁育、倍性育种等方面有了一定的应用.同时,在穿心莲愈伤组织培养、细胞悬浮培养、不定根培养、毛状根培养过程中,通过优化培养条件和使用适宜的诱导子可大幅增加培养物中穿心莲内酯等活性成分的积累.该文分别从穿心莲组织、细胞、不定根及毛状根培养等方面,全面系统地综述了近年来国内外关于穿心莲离体培养技术以及其生产穿心莲内酯的研究进展,以期促进穿心莲离体培养技术的发展与应用,为离体生产穿心莲内酯的研究提供参考.此外,还提出了未来在穿心莲离体培养技术及通过该技术生产穿心莲内酯的研究中需重点关注的 3 个方面:(1)熟化完善穿心莲组织离体再生技术体系,建立全面系统的评价体系;(2)优化培养条件和高效诱导子联用,进一步提高穿心莲内酯等重要活性成分产量;(3)开展通过细胞悬浮培养技术生产穿心莲内酯的生物反应器培养研究.

在自然界中,植物会遭受各种环境或内源因素导致的DNA损伤,其中DNA双链断裂(double strand breaks,DSBs)的影响最为严重,如果修复不当,将导致基因组不稳定、基因突变甚至细胞死亡.一方面,植物进化出了强大且有序的损伤修复机制,以确保其存活及正常繁衍;另一方面,基于修复过程的容错性及致突变性,T-DNA插入、基因编辑、物理诱变等技术广泛应用于动植物品种改良.相较于哺乳动物,植物DSBs修复通路及其分子机制报道较为有限.本文综述了植物对DSBs损伤的响应、主要修复途径及关键因子,介绍了通路机制尚未完全解析的替代末端连接(alternative end joining,Alt-EJ)的最新研究进展;此外,探讨了重离子束引起的植物DSBs修复特征和多途径选择,以及基于不同DSBs修复途径的基因编辑技术的研究进展,旨在为深入了解植物DSBs损伤响应及修复的分子机制和研发高效生物育种技术提供参考.