[目的]探究谷子CPP基因家族成员特征及在外源硒处理下的响应模式,为谷子富硒高叶酸新品种选育提供遗传材料.[方法]借助生物信息学工具鉴定谷子CPP家族成员,用qRT-PCR技术对CPP基因在不同组织及外源硒处理下的表达水平进行检测.[结果](1)谷子基因组中包含9个CPP基因,定位于6条染色体上,分别命名为SiCPP1-SiCPP9,所有成员均定位在细胞核,蛋白质二级结构中无规则卷曲占比最重.(2)谷子CPP蛋白可分为4个亚家族,相同亚家族之间保守基序和结构域的数目及分布相似.(3)启动子分析发现谷子CPP家族中存在大量光、生长发育、激素及胁迫响应元件.(4)谷子CPP家族成员在根、茎、叶和穗中差异表达,SiCPP5、SiCPP6、SiCPP7和SiCPP8对外源硒响应最强烈.[结论]谷子CPP家族成员具有组织表达特异性,且对外源硒存在不同程度响应.

2023年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2022年大幅提高,在柱头受体调控十字花科种内和种间生殖隔离,叶绿体TOC-TIC超级复合物结构,作物高产、耐逆及抗病机制,葡萄和柑橘属植物的起源和传播,现代玉米、谷子和马铃薯种质资源演化等方面取得了重要研究进展.其中,"农作物耐盐碱机制解析及应用"和"新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵"入选2023年度中国科学十大进展,"植物远缘杂交过程中'花粉蒙导效应'的分子机制"入选2023年度中国生命科学十大进展.该文总结了2023年度我国植物科学研究取得的成果,并简要介绍了30项有代表性的重要进展,梳理了植物科学研究中所使用的实验材料,以帮助读者了解我国植物科学的发展态势,进而思考如何更好地开展下阶段研究和服务国家重大战略需求.

本研究利用不同浓度NaCl溶液对10份谷子(Setaria italica L.)种质进行处理,通过分析其萌发期的相对发芽势、相对发芽率、相对芽长以及相对根长等 4项指标,明确了适于谷子萌发期耐盐性鉴定的NaCl浓度为180 mmol/L.在该浓度下,利用主成分分析和聚类分析等方法,对180份种质资源进行了耐盐性综合评价和等级划分.结果显示,除相对发芽率和相对芽长之间相关性不显著以外,其余指标之间均呈极显著正相关;主成分分析结果表明,这4项指标可作为谷子耐盐性评价的重要指标;聚类分析结果将180份谷子种质分为极端耐盐、耐盐、盐敏感和极端盐敏感4类;进一步采用隶属函数进行综合评价,筛选到硷谷、衡谷12、齐头白、K-3606和晋谷 20等 5份极端耐盐种质材料.最后,在该浓度处理下,对黑枝谷×长农 35号(极端盐敏感×耐盐)F7 代重组近交系遗传群体进行了初步分析,发现40份株系耐盐性等级频率分布近似正态分布,表明该群体适宜耐盐QTL挖掘.研究结果说明,在180 mmol/L NaCl处理下,通过谷子萌发期相对发芽势、相对发芽率、相对芽长和相对根长等4个指标能较好地区分不同种质耐盐性的差异.

天冬氨酸蛋白酶(AP)是一类重要的水解酶,在植物生长发育及抵御生物和非生物胁迫方面发挥着重要作用.谷子(Setaria italica)作为禾本科C4 植物抗逆研究的模式作物,目前关于天冬氨酸蛋白酶家族基因功能的研究较少.为深入探究AP基因家族在谷子中的功能作用,本研究基于AP保守Pfam序列全基因组筛选鉴定谷子AP基因家族的成员,并通过生物信息学方法对其理化性质、亚细胞定位、基因结构、保守结构域、系统进化发育、启动子顺式作用元件及共线性等分析,同时利用荧光定量PCR技术对其在非生物胁迫下的表达模式进行了研究.结果表明,谷子基因组中共有AP基因家族成员 58 个;系统进化树显示该基因家族可分为 5 个亚家族,其中Group B编码非典型天冬氨酸蛋白酶,其他亚家族编码类nucellin天冬氨酸蛋白酶;基因结构和保守基序分析表明,谷子AP家族同一亚家族成员具有较高的保守性;共线性分析结果显示,谷子AP基因家族与水稻(Oryza sativa)和玉米(Zea mays)AP基因家族成员之间存在大量的同源基因对;启动子顺式作用元件分析表明,SiAPs基因家族中大部分成员含有与非生物胁迫和生物激素响应相关的顺式元件,如响应干旱和低温胁迫的顺式作用元件、水杨酸有关的应答元件等.进一步RT-qPCR结果发现,SiAPs基因家族成员在谷子根、茎、叶、穗中差异表达;在低温胁迫下,SiAP3、SiAP9、SiAP48 基因表达量显著升高;在干旱胁迫和水杨酸处理下,部分基因表达的变化趋势基本一致.SiAPs对谷子响应非生物胁迫起重要的调控作用,本研究结果可为SiAPs的抗逆功能分析提供参考.

《大麦与谷类科学》创刊于1984年,由江苏省农业科学院主管、江苏沿海地区农业科学研究所主办,属中国作物学会大麦专业委员会与江苏省农学会学术性期刊,内容具有创新性、应用性、系统性、导向性.40年来,期刊主要报道大麦、小麦、水稻、玉米、高粱、谷子、燕麦等谷类作物的研究动态和科研成果,内设栏目有:专论与综述、生理与生态、育种与栽培、土肥与植保、资源与环境、贮藏与加工、种质与品种、现代大农业、简讯与信息、人物介绍等.主要作者与读者为从事农业科研与农技推广的科技人员、农业企业经营管理人员及农业大中专院校师生等.

为探讨超氧化物歧化酶(superoxide dismutasc,SOD)基因在玉米抗逆反应中的作用,研究选用2个抗旱性有明显差别的玉米品种为试验材料,采用RT-PCR、实时荧光定量PCR(qRT-PCR)及二维凝胶电泳(2-DE)耦联的基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱(MALDI-TOF)法,对ZmSOD基因的序列结构及其在干旱胁迫下的表达特性进行分析.结果表明:(1)从干旱敏感品种'登海605'(DH605)和抗旱品种'蠡玉35'(LY35)玉米叶片中分别成功克隆出ZmSOD1和ZmSOD2基因.DH605中ZmSOD1开放阅读框(ORF)全长456 bp,编码151个氨基酸,编码的蛋白等电点为5.76,分子量为15.05 kD.LY35中ZmSOD2ORF全长459 bp,编码152个氨基酸,编码的蛋白等电点为5.65,分子量为15.11 kD;ZmSOD1和ZmSOD2是亲水性稳定蛋白,都含有Cu/Zn-SOD结构域,蛋白序列N端无信号肽及无跨膜结构域.同源性和系统进化分析表明,玉米ZmSOD和谷子Cu/Zn-SOD2的亲缘关系最近,相似性高达96.05％.(2)在干旱条件下,ZmSOD1在DH605中转录水平明显降低,LY35中ZmSOD2转录水平显著升高;2-DE耦联的质谱分析显示:ZmSOD1在DH605中表达量明显降低,LY35中ZmSOD2表达量无显著性变化,却检测到Mn-SOD蛋白表达量显著增加.(3)相关分析显示,干旱条件下,DH605叶片中ZmSOD1转录水平和其蛋白丰度及SOD酶活性呈极显著性正相关,LY35叶片中ZmSOD2转录水平与SOD酶活性呈显著性正相关.研究结果为进一步探索SOD基因在调节玉米抗性以及逆境胁迫应答过程中的作用机制提供了基础.

为探究林农复合对土壤团聚体、土壤有机碳、土壤微生物生物量碳的影响,在辽西地区选取樟子松-花生、樟子松-谷子、樟子松纯林(对照)为研究对象,对其土壤团聚体、团聚体有机碳、土壤微生物生物量碳以及土壤有机碳含量及其分布特征进行研究.结果表明:(1)研究区土壤团聚体以0.053～0.25 mm粒级为主,占团聚体总量的37％ ～ 45％,其中樟子松-谷子的大团聚体(＞0.25 mm粒级)含量最高.(2)两种林农复合各粒级团聚体有机碳含量变化显著不同(P＜0.05),樟子松-花生团聚体有机碳随粒径增大呈现“倒N”型分布,而樟子松-谷子土壤团聚体有机碳随粒径增大呈现“N”型分布.(3)0～20 cm表层土壤微生物生物量碳和有机碳含量大小顺序为:樟子松-谷子＞樟子松纯林＞樟子松-花生.(4)试验区土壤有机碳的积累主要受0.053～0.25 mm和＞2 mm粒级团聚体含量的影响;另外,0～50 em土壤剖面微生物生物量碳和有机碳相关分析表明,樟子松-谷子土壤微生物生物量碳与有机碳具显著相关性,而在樟子松-花生复合林地内无显著相关性;这说明不同营林措施对土壤有机碳和微生物的影响存在差异.综上,辽西地区樟子松-谷子复合措施有利于改善土壤结构,促进大团聚体的形成,对提高土壤保水、供肥能力,实现对土壤的保护和可持续利用具有较为明显的作用.

以黄独微型块茎为材料,进行了4℃低温离体保存,并对其进行了转录组分析.结果表明:原始数据进行质量预处理后,对照组(Con25)和处理组(Con4)的reads有效比分别为98.67％和98.69％;对拼接序列去重复后最终得到了219 792个长度大于200bp的transcripts(177 Mb)和161066个Unigenes (99 Mb);Unigenes的NR注释数目最多的10个物种分别为出芽短梗霉EXF-150、葡萄、可可、水稻粳稻组、无油樟、谷子、出芽短梗霉变种nami-biae CBS 147.97、麻疯树、短至生黑醋杆菌CBS 110374和无花果拟盘多毛孢w106-1;样本注释基因最多的5个KOG是一般的功能预测、信号转导机制、翻译后修饰和蛋白质周转以及伴侣、翻译和核糖体结构和生物合成、能源生产和转换;样本KEGG注释Unigenes最多的5个pathway分别为碳代谢、氨基酸生物合成、糖酵解途径、淀粉蔗糖代谢和丙酮酸代谢.注释到的Unigenes个数为26006,注释到的不同酶数为1 177,映射到的不同pathway数为327;样本基因的功能在Biological Process分类中主要聚集于cellular process和metabiolic process,在Cellular Component分类中主要聚集于cell和cell part,在Molecular Function分类中主要聚集于binding和catalytic activity;在黄独微型块茎低温离体保存中,共获得164 145个差异表达基因,其中有63 305个基因表达上调,有100 840个基因表达下调;差异表达基因部分极其显著的GO term有液泡继承、单链断裂修复、纺锤体伸长、麦芽糖分解代谢过程、甘露糖基转移酶的活性、甘露糖磷酸转移酶活性、细胞壁甘露糖蛋白的生物合成过程、G1期细胞有丝分裂周期早期细胞芽和有丝分裂纺锤体定位的建立;差异表达基因部分极其显著的pathway有原发性胆汁酸的生物合成、类固醇激素的合成、氯代环己烷和氯苯降解、双酚A降解、氟苯甲酸降解、糖胺聚糖合成硫酸软骨素、糖胺聚糖合成硫酸乙酰肝素、甲苯降解、萘的降解和核黄素代谢.本实验结果可为黄独微型块茎的种质保存和后续萌发提供理论依据.

通过5年10季的小麦/谷子轮作盆栽试验,持续观测了每季0、2.25和22.5 t·hm-2黑炭施用下作物生长和土壤性质变化及氨挥发数量.结果表明:相同NPK肥施用下,与不施黑炭处理相比,黑炭处理能促进作物生长,提高土壤养分供应.22.5 t·hm-2黑炭处理下5年作物累积籽粒和秸秆产量分别增加24.1％和74.1％;相应地上部N、P和K累计吸收量分别增加93.5％、71.2％和46.3％;轮作结束后土壤有效P、K含量及阳离子交换量分别提高262％、274％和58.3％,有机碳提高843％,C/N增至25,容重降低46.6％,土壤pH值则无明显变化.2.25和22.5 t·hm-2黑炭处理的黑炭表观分解率为每年3.5％～5.7％.高量黑炭施用可导致氨挥发数量增加,22.5 t · hm-2黑炭处理下10季氨挥发总量增加102％.

蔗糖在植物的生长过程中发挥至关重要的作用,蔗糖磷酸合成酶(SPS)是蔗糖合成的关键限速酶.生物信息分析显示,在谷子中,SPS-Si000130m与海藻糖6-磷酸合成酶基因TPS-Si016303m、尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶基因UGD-Si035452m存在显著的相互作用.高通量测序对谷子3种基因的表达谱研究进一步表明,在谷子根、茎、叶、穗中SPS-Si000130m基因与TPS-Si016303m基因的表达模式呈正相关,与UGD-Si0354-52m基因的表达模式呈负相关.但无论是正相关还是负相关,TPS-Si01 6303m和UGD-Si035452m沿谷子叶片梯度的表达模式均与SPS-Si000130m基因存在差异.SPS-Si000130m的表达集中在叶片光合作用的功能部位,而TPS-Si016303m的转录物在叶片梯度各部位均可检测到,可见即使这两个基因呈现正相关,它们之间仍存在自身独特的表达、调控特点;负相关基因(即UGD-Si035452m和SPS-Si000130m)沿叶片梯度相反的表达模式则反映出植物通过基因表达的区域化,避免这两个酶彼此竞争相同底物,防止无效循环的进行.进一步通过生物信息学软件预测三种蛋白的功能结构域和3D结构则显示,SPS-Si000130m和TPS-Si016303m之间存在相同功能结构域—糖基转移酶功能结构域;而SPS-Si000130m和UGD-Si035452m之间没有相同功能结构域.总之,深入研究3种蛋白功能和结构的特点及它们之间的相互作用,将加深对谷子糖类代谢调控网络的认识,并有助于我们改善谷子品质的研究.