蒙古冰草(Agropyron mongolicum)亦称沙芦草,为禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)冰草属(Agropyron)多年生疏丛型牧草,具有饲用价值高、抗寒耐旱以及耐盐、耐瘠薄、耐风沙等特性,是改良天然草场的适宜草种与挖掘优良耐逆基因资源的重要材料.然而,目前尚未建立蒙古冰草高效遗传转化体系,制约了该物种的基因资源鉴定与遗传改良应用.以蒙农1号蒙古冰草种子为来源的高再生效率的胚性愈伤系#89为外植体,建立了根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)EHA105介导的蒙古冰草稳定遗传转化体系,转化效率达30％.此外,针对多次继代后蒙古冰草愈伤系再生能力退化的难题,通过在再生培养基中添加1 mg·L-1 ABA或提高蔗糖浓度至45g·L-1,成功将再生能力衰退的蒙古冰草愈伤系再生效率由5％分别提高至35％与42％.研究结果为后续蒙古冰草基因编辑体系建立、基因功能鉴定和新品种培育奠定了重要技术基础.

蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))是我国北方代表性的多年生牧草之一,具有较强的耐寒和耐旱能力.在植物中,咖啡酸氧甲基转移酶基因(COMT)是参与木质素和褪黑素生物合成的关键基因,在调节植物生长、品质和抗逆性中发挥重要作用.通过分析蒙古冰草全长转录组数据,从蒙古冰草中克隆了COMT候选基因AmCOMT1.该基因在茎秆和根等木质素含量高的组织中高表达,且其表达受多种非生物胁迫诱导.在拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型(Col-0)和突变体(omt1-2)中过表达AmCOMT1,显著促进了转基因拟南芥的木质素合成,使突变体的木质素单体和组分恢复至野生型水平,同时Col-0135S:AmCOMT1中木质素总量提高11％.此外,AmCOMT1过表达显著提高了Col-0/35S:AmCOMT1转基因拟南芥的褪黑素含量.在盐胁迫条件下,该株系平均根长相比野生型拟南芥提高20.3％,表现出更强的抗逆性.综上,蒙古冰草AmCOMT1基因在木质素和褪黑素合成中发挥关键作用,可提高转基因拟南芥的抗逆性,在蒙古冰草等单子叶牧草遗传改良方面具有重要应用潜力.

肉桂醇脱氢酶(CAD)作为植物次生代谢尤其是木质素生物合成过程的关键酶,在调控植物生长发育和抵御生物/非生物胁迫等过程中发挥关键作用.蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))耐旱耐寒,在我国北方荒漠草原区域广泛分布.为探讨CAD基因在蒙古冰草木质素合成和非生物胁迫抗性中的作用,从蒙古冰草全长转录组数据中筛选并克隆到1个CAD基因,序列长度1 083 bp,命名为AmCAD.该基因编码361个氨基酸残基,同源序列比对发现蛋白质序列保守区域含有2个Zn2+结合基序和NADP(H)辅因子结合基序,属于典型的CAD蛋白,且三维结构与AtCAD5相似.AmCAD在茎秆中高表达,对AmCAD重组蛋白的酶学性质分析表明,该蛋白对不同肉桂醛类底物均具有很强的催化能力,其中对松柏醛和芥子醛的底物亲和力更强.用不同浓度甘露醇模拟干旱胁迫,蒙古冰草AmCAD基因表达受到显著诱导.研究结果表明,AmCAD在蒙古冰草木质素合成和干旱胁迫抗性中发挥重要作用,可为提高蒙古冰草品质和抗逆性分子育种提供有价值的基因资源.

microRNA是植物体内普遍存在的非编码RNA,参与调控干旱、盐害、寒冷等多种逆境胁迫响应,是mRNA表达的关键调控因子之一.为研究蒙古冰草抗旱相关非保守amo-miR5的功能,本试验通过Target Finder软件和在线PMTED数据库进行靶基因预测,用DNAStar MegAlign软件对预测得到的靶基因进行同源性分析,并构建amo-miR5表达载体.分析研究表明,预测到amo-miR5靶基因21个,有一部分靶基因功能与植物干旱胁迫有关,但大多功能未知;蒙古冰草的2个amo-miR5靶基因与小麦(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)中预测的靶基因间相似性指数在19.3％～53％之间,同源性较低,推测与amo-miR5的非保守特异性有关.利用双酶切手段,切除pBI121载体中GUS基因,连入amo-miR5前体,成功构建了以GaMV35S为启动子的表达载体pBI121-amo-miR5,为下一步遗传转化研究amo-miR5抗旱调控机理提供依据.

MYB转录因子是一类与植物抗逆相关的蛋白家族,通过激活植物抗逆应答基因的表达而提高其抗逆性.为挖掘蒙古冰草(A gropyron mongolicum)抗旱相关的MYB基因,本研究在已有转录组测序数据的基础上,用Plant TFDB数据库中的Prediction和Blast对MYB基因筛选及保守结构域分析,通过生物学方法对筛选出的MYB转录因子进行分析,预测其分子量和等电点等理化性质、基序、二级结构和三级结构;并用MEGA 7.0.21与已报道具有抗旱功能的29个MYB蛋白进行多序列比对分析并构建系统进化树.结果 表明:蒙古冰草中筛选出9个MYB基因,蛋白大小在113～576aa,分子量和等电点分别介于12.83～61.52kD和4.68～9.80 kD之间,都为不稳定的亲水性蛋白;基序预测得到2个特征基序,最长的基序含50个氨基酸;α-螺旋和无规则卷曲是主要的二级结构,三级结构中都含有螺旋-转角-螺旋结构;进化树分析中,38个基因很好的聚为两类,其中Unigene 25843、Unigene 42380、Unigene52355、Unigene 54016分别于AtMYB33、AtMYB61、OsMYB48-1、AtMYB20在同一分支上,高度同源,推测从蒙古冰草中筛选得到的MYB基因参与干旱胁迫应答,该研究为下一步蒙古冰草MYB基因功能的研究提供帮助.

MwMYB4基因是从蒙古冰草中克隆得到的MYB类转录因子家族成员之一.该研究以转MwMYB4基因的拟南芥后代为材料,通过在于旱和低温胁迫下对转基因植株进行表型分析、理化指标测试和分子鉴定,分析并验证MwMYB4基因的功能.结果 显示:(1)蒙古冰草MwMYB4基因已成功整合到转基因拟南芥T1代的基因组中并实现转录水平的表达.(2)转基因拟南芥T2代植株在干旱胁迫条件下,转基因植株叶片枯黄程度较轻,相对电导率较野生型变化幅度低,脯氨酸含量明显高于野生型对照,且MwMYB4基因的表达量随干旱胁迫时间延长而增加.(3)在低温胁迫条件下,转基因拟南芥叶片的枯白程度明显低于野生型,且MwMYB4基因的表达量随低温胁迫时间增加而增加.研究表明,过量表达蒙古冰草MwMYB4基因能够提高转基因拟青齐对干旱和低温的耐受性,该基因可能在干旱胁迫和低温胁迫调控机制中发挥调控作用,可作为改良农作物和其他牧草抗旱、抗寒性的重要候选基因.

植物种群空间分布格局是多种生态过程综合作用的结果.明确植物优势种群个体的空间分布格局与形成机制有助于认识种群生态适应对策与群落多样性维持机制.以宁夏荒漠草原优势种群蒙古冰草、短花针茅、牛枝子和牛心朴子为研究对象,采用完全空间随机零模型分析其种群空间分布格局特征,并通过异质泊松零模型与泊松聚块零模型探讨生境异质性、扩散限制等因子在其空间分布格局形成过程中的作用.结果 显示:(1)完全空间随机零模型下,4个物种在＜4 m尺度范围内表现为聚集分布,随尺度增大,逐渐过渡到随机分布和均匀分布.(2)在排除生境异质性的异质泊松零模型下,蒙古冰草种群在整个研究尺度上表现为随机分布;牛枝子、短花针茅和牛心朴子种群仅分别在0-0.2、0.1-0.4 m与0-0.2 m尺度范围内发生偏离,表现为均匀分布与聚集分布,其他尺度均为随机分布.(3)在排除扩散限制的泊松聚块零模型下,所研究种群均表现为随机分布.综上,荒漠草原优势种群在小尺度范围内主要表现为聚集分布;生境异质性与扩散限制均是驱动其空间分布格局形成的重要因子,相对而言,小尺度空间范围内扩散限制的作用更为显著.

基于转录组测序数据,该研究采用PCR扩增方法从蒙古冰草中克隆AmWRKY 1-like的全长cDNA,并对其进行了生物信息学和亚细胞定位分析,为深入研究AmWRKY 1-like在蒙古冰草干旱胁迫响应中的调控作用提供理论基础.结果发现:成功克隆得到了AmWRKY 1-like基因,其开放阅读边框(ORF)为1182 bp、编码393个氨基酸,含有典型的WRKY转录因子保守结构域;qRT-PCR表明,在自然干旱和15％PEG-6000模拟干旱下,蒙古冰草叶片中AmWRKY 1-like均可诱导表达,较对照呈下调表达趋势;亚细胞定位表明,AmWRKY 1-like基因在细胞核中特异表达.

探究植物叶功能性状随降水梯度的变化规律,对揭示干旱区优势植物对环境变化的响应和适应策略至关重要.以盐池荒漠草原为研究对象,采用遮雨棚和喷灌系统控制降水梯度,分析了优势植物蒙古冰草(Agropyron mongdicum)、短花针茅(Stipa breviflora)及达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)叶功能性状变异,以及土壤水分、养分和微生物特性与响应性状间的相关关系.结果表明:HW(增水50％)处理下3个植物LA(叶面积)、LDMC(干物质含量)显著增大,LW处理(减水50％)下短花针茅和达乌里胡枝子LA、LDMC显著减小,降水处理对短花针茅和达乌里胡枝子SLA(比叶面积)影响不显著,LW处理显著提高了蒙古冰草SLA;LW处理显著提高了蒙古冰草和短花针茅LNC(叶氮含量)和LPC(叶磷含量);HW显著降低了土壤C、N含量,LW和HW均显著减少了真菌数量,而放线菌数量、微生物生物量C、N显著增加;3种优势植物LA均与土壤水分显著正相关,蒙古冰草和短花针茅通过提高SLA、LNC及LNP来适应干旱生境,蒙古冰草和短花针茅LNC及LNP是表征土壤P、微生物生物量有效性的关键指标,达乌里胡枝子通过自我调节养分利用策略来适应C、N、P含量和微生物活性较低的生境,从而决定其在群落中的优势地位.

以柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)灌丛引入形成荒漠草原-灌丛地镶嵌体为研究对象,选择其内部荒漠草地(DG)、草地边缘(GE)、灌丛边缘(SE)、灌丛地(SL)为试验样地,开展荒漠草原向灌丛地人为稳态转变过程土壤水分与植被变化特征研究.结果如下:各样地0-200 cm 土层水分含量随着转变过程呈显著降低趋势(P＜0.05),其中荒漠草地、草地边缘和灌丛边缘样地的土壤水分均在秋季雨水补充期增加,灌丛地由于深层土壤水分过度消耗而愈加降低,且灌丛边缘和灌丛地深层水分显著低于荒漠草地、草地边缘(P＜0.05),垂直动态不显著;地上植被随样地转变除优势度指数表现为灌丛地多样性、均匀度、丰富度指数均显著低于各样地(P＜0.05),多年生优势草本蒙古冰草(Agroppyron mongolicum)、短花针茅(Stipa breviflora)逐渐被一年生草本刺藜(Dysphiania aristata)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)所代替;土壤种子库萌发种类随样地转变逐渐减少,种子库密度则显著升高(P＜0.05),灌丛地以一年生草本植物为主(占总密度的97.51％),荒漠草地则以多年生草本萌发为主,且各样地土壤萌发种子库及多年生草本多集中于0-5 cm 土层(P＜0.05);转变过程荒漠草原和灌丛地植被地上地下相似度分别为0.14和0.19,均显著低于两边缘样地0.35,较两边缘样地群落更为稳定,呈现草原灌丛化过程中草地-灌丛共存的植被双稳态特征.