柱花草磷高效种质筛选及根系形态对低磷胁迫的响应分析

为筛选磷高效柱花草（Stylosanthes guianensis）种质并解析其根系适应低磷胁迫的机理,本试验水培了31份柱花草,开展了磷效率评价,分析了低磷胁迫对柱花草根系的影响,并检测了6个扩展蛋白基因（Expansins,EXP）响应低磷胁迫的表达模式。结果表明,低磷胁迫显著降低柱花草的干重和全磷含量。磷效率分析结合根系表型显示,TF291为磷高效高响应型,且低磷胁迫显著促进其根系生长,TF343为磷低效低响应型,且低磷条件下其根系生长显著受抑制。荧光定量PCR表明,低磷处理（-P）使SgEXPB2在TF291和TF343根系中的表达分别增加3.73倍和1.52倍（P<0.05）,SgEXLB1在TF291根系中表达增加1.61倍（P<0.05）。综上所述,本研究筛选到磷高效高响应型柱花草种质为TF291,且根系中SgEXPB2和SgEXLB1基因上调表达,可能参与柱花草适应低磷胁迫。     

柱花草磷转运蛋白SgPT1的克隆和表达分析

磷是植物生长所必需的大量元素。高亲和磷转运子是控制植物对磷吸收和转运的主要蛋白。本研究以磷高效的柱花草基因型TPRC2001-1为对象,首先建立低磷胁迫下TPRC2001-1根系全长cDNA文库。通过同源克隆的方法,首次克隆到编码柱花草高亲和磷转运蛋白的基因,SgPT1。该基因全长cDNA为1 994 bp,编码538个氨基酸残基,蛋白分子量为59 kD。SgPT1蛋白具有高亲和磷转运子的结构特点,即含有“6+6”跨膜结构。而且,定量PCR分析结果表明低磷胁迫显著促进SgPT1在根部的表达,表明该基因可能参与低磷胁迫下磷的吸收和转运的过程。总之,以上结果表明SgPT1的加强表达可能是TPRC2001-1适应低磷胁迫的分子机制之一,为进一步研究柱花草适应低磷的分子机制提供候选基因。     

地毯草铝响应基因AcABCG1的克隆与表达分析

铝毒抑制植物根系生长,是酸性土壤上限制作物产量的重要因素之一。ABC转运蛋白在金属离子转运和非生物胁迫应答等方面起作用。本研究以地毯草（Axonopus compressus）为材料,克隆了地毯草编码ABC转运蛋白AcABCG1基因,并对其进行了生物信息学和基因表达模式分析。结果表明,AcABCG1基因cDNA全长为2 434 bp,编码811个氨基酸残基,蛋白分子量为91.85 kD。亚细胞定位预测表明AcABCG1定位于细胞质膜上。定量PCR结果发现,金属铝（Al）、镉（Cd）和镧（La）处理均能显著增强AcABCG1基因在地毯草根系中的表达。不同铝浓度和时间处理进一步表明了AcABCG1基因在转录水平上响应铝胁迫。此外,AcABCG1基因在根中的表达量显著高于茎和叶中的表达量,且AcABCG1基因主要在0~1 cm根尖中表达。本研究结果为进一步挖掘AcABCG1基因参与地毯草耐铝毒的生物学功能奠定基础。     

草地早熟禾SnRK2.2基因克隆及非生物胁迫响应分析

逆境胁迫期间蔗糖非发酵相关的蛋白激酶2(SnRK2)通过磷酸化在植物胁迫信号转导途径中起关键作用，参与代谢和应激信号之间的相互作用。为发掘并利用草地早熟禾(Poa pratensis L.) SnRK2家族基因，本研究利用RT-PCR技术得到SnRK2.2基因，借助生物信息学及实时荧光定量PCR技术分别对其进行分子特征、组织部位以及非生物胁迫下该基因表达模式的研究。研究结果：草地早熟禾SnRK2.2包含典型STKc_SnRK2结构域、蛋白激酶ATP结合信号区、N-肉豆蔻酰化位点等功能域，其与燕麦、小麦同源性最高；实时荧光定量PCR结果表明，草地早熟禾SnRK2.2基因在组织部位中相对表达量为穗＞叶＞茎＞根，该基因可积极响应干旱、盐、低氮、低磷、ABA、BR诱导处理。研究结果为丰富草坪草SnRK2抗逆机制提供理论基础。     

星星草PtGAPDH基因的克隆与表达分析

本试验利用RACE(rapid amplification of cDNA ends)克隆技术从星星草中克隆得到抗盐碱相关基因甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)的cDNA全长序列,其GeneBank登录号为JX411954。PtGAPDH基因开放阅读框为1014 bp,编码337个氨基酸。该氨基酸序列与高羊茅、大麦、小麦、水稻等禾本科作物具有较高的序列相似性。系统进化分析表明,PtGAPDH基因编码蛋白与单子叶植物的GAPDH具有较近的亲缘关系。Northern杂交分析显示,在一定盐碱胁迫条件下,随着处理试剂Na₂CO₃溶液浓度的增加,PtGAPDH基因在盐碱胁迫下的叶片和根部表达量都显著升高;超过最大耐受量后,PtGAPDH基因表达丰度逐渐降低。PtGAPDH基因的表达模式代表了星星草在盐碱胁迫下其自身的生理生化变化对分子水平上的基因表达丰度产生的影响趋势。     

柱花草根系分泌物对缺磷胁迫的响应分析

为探索柱花草(Stylosanthes guianensis)根系分泌物对缺磷胁迫的响应，本研究以‘热研5号’柱花草为材料，通过水培试验，分析了正常供磷(+P)和缺磷(-P)处理对柱花草生长及根系分泌物的影响。结果表明，相对于+P处理，-P处理显著降低了柱花草植株干重和全磷含量。随后，代谢组共检测到101个根系分泌代谢物，可被分为有机酸、氨基酸、类黄酮、糖及醇类等七类，其中-P与+P处理间的差异累积代谢物25个。属于有机酸的咖啡酸、1-氨基环丙烷-1-羧酸和α-酮戊二酸在-P处理下的分泌量显著增加，且其中α-酮戊二酸对磷酸铝具有较强的溶解能力。此外，荧光定量PCR分析发现，柱花草根系中参与α-酮戊二酸合成的柠檬酸脱氢酶基因SgICDH在-P处理下的表达量显著增加。因此，柱花草根系通过上调SgICDH基因的表达，促进α-酮戊二酸的合成与分泌，从而增强对难溶性磷的活化利用，以适应缺磷胁迫。     

低磷胁迫对崖州硬皮豆生长及酸性磷酸酶活性的影响

本试验为探究硬皮豆（Macrotyloma uniflorum）对低磷胁迫的响应机制,以‘崖州硬皮豆’为材料,采用水培方法,分析了不同磷浓度（5 μM,100 μM和250 μM KH₂PO₄）处理对硬皮豆生长和生理特性的影响。结果表明：与100 μM和250 μM磷处理相比,5 μM低磷处理抑制了硬皮豆株高、复叶数、叶面积、总根长,根表面积和根体积以及植株干重。同时,5 μM磷处理显著降低了地上部和根部磷含量、降低了叶片和根系可溶性磷含量和细胞壁磷含量;与100 μM和250 μM磷处理相比,5 μM磷处理增加了叶片和根系总酸性磷酸酶（Acid phosphatase,ACP）活性和细胞壁ACP活性;5 μM磷处理下叶片和根系总ACP活性是250 μM磷条件下的1.5~1.6倍,而叶片和根系细胞壁ACP活性是250 μM磷条件下的1.2~1.3倍。因此,提高酸性磷酸酶活性可能是硬皮豆响应低磷胁迫的重要机制。     

低磷胁迫对太空诱变耐低磷柱花草酸性磷酸酶活性和磷效率的影响

低磷胁迫是酸性土壤限制牧草生产的主要障碍因子之一。本课题组前期的研究中,通过太空诱变获得了一个耐低磷柱花草突变体TPRC2001-84,但其适应低磷胁迫的机制仍不清楚。以TPRC2001-84及其亲本热研2号(RY2)为试验材料,通过水培方法,比较正常供磷(+P,250 μmol·L^-1 KH₂PO₄)和低磷(-P,5 μmol·L^-1 KH₂PO₄)处理对TPRC2001-84和RY2生物量、磷吸收效率、磷利用效率、可溶性磷浓度、细胞壁磷含量和酸性磷酸酶(ACP)活性的影响。结果表明,相对于正常供磷处理,低磷处理显著降低了两份柱花草材料的植株干重和磷吸收效率(P<0.05),但显著提高了两份柱花草材料的磷利用效率(P<0.05)。并且,TPRC2001-84在低磷处理下的植株干重和磷利用效率分别是RY2的1.6和1.4倍。在低磷胁迫下,虽然TPRC2001-84叶片和根系的细胞壁磷含量只有RY2的70%左右,但是,TPRC2001-84叶片和根系的可溶性磷浓度分别比RY2高36.8%~42.6%,细胞壁ACP活性分别比RY2高46.6%~53.6%。以上结果说明,柱花草TPRC2001-84在低磷胁迫下具有较高的细胞壁ACP活性,有利于其对细胞壁中贮存磷的活化利用,从而获得较高的磷利用效率。这将为选育磷高效柱花草新品种提供理论依据和种质材料。     

结缕草ZjCSD基因的克隆及表达分析

铜锌超氧化物歧化酶是植物响应逆境胁迫过程中的关键酶,其含量和活性与植物抗逆性密切相关。本研究以结缕草cDNA为模板,利用同源克隆法,从结缕草转录组数据库中克隆获得了结缕草ZjCSD基因,该基因编码一个含有152个氨基酸的蛋白质。生物信息学分析结果显示:ZjCSD基因编码蛋白为稳定的、亲水的、酸性、非分泌脂溶蛋白,定位于细胞质中,含有CSD蛋白家族特有的保守结构域,具有典型的Cu²⁺和Zn²⁺结合位点;与小米、玉米等禾本科植物具有较高的同源性,进化关系较近。采用实时荧光定量PCR研究该基因在不同组织中、不同胁迫处理下的表达模式,结果表明,ZjCSD基因在根、茎、叶中都有表达,叶中表达量最高;干旱胁迫(30% PEG)、盐胁迫(150 mmol/L NaCl)和Cd²⁺胁迫(200 mg/L Cd²⁺)均能诱导ZjCSD基因表达量上调,Pb²⁺胁迫(1 g/L Pb²⁺)诱导ZjCSD基因表达量下调。故推测结缕草ZjCSD基因在结缕草应对干旱、盐和重金属胁迫的过程中发挥作用。     

低磷胁迫对太空诱变耐低磷柱花草酸性磷酸酶活性和磷效率的影响

低磷胁迫是酸性土壤限制牧草生产的主要障碍因子之一。本课题组前期的研究中,通过太空诱变获得了一个耐低磷柱花草突变体TPRC2001-84,但其适应低磷胁迫的机制仍不清楚。以TPRC2001-84及其亲本热研2号(RY2)为试验材料,通过水培方法,比较正常供磷(+P,250μmol·L-1 KH2PO4)和低磷(-P,5μmol·L-1KH2PO4)处理对TPRC2001-84和RY2生物量、磷吸收效率、磷利用效率、可溶性磷浓度、细胞壁磷含量和酸性磷酸酶(ACP)活性的影响。结果表明,相对于正常供磷处理,低磷处理显著降低了两份柱花草材料的植株干重和磷吸收效率(P0.05),但显著提高了两份柱花草材料的磷利用效率(P0.05)。并且,TPRC2001-84在低磷处理下的植株干重和磷利用效率分别是RY2的1.6和1.4倍。在低磷胁迫下,虽然TPRC2001-84叶片和根系的细胞壁磷含量只有RY2的70%左右,但是,TPRC2001-84叶片和根系的可溶性磷浓度分别比RY2高36.8%~42.6%,细胞壁ACP活性分别比RY2高46.6%~53.6%。以上结果说明,柱花草TPRC2001-84在低磷胁迫下具有较高的细胞壁ACP活性,有利于其对细胞壁中贮存磷的活化利用,从而获得较高的磷利用效率。这将为选育磷高效柱花草新品种提供理论依据和种质材料。     

假地豆响应缺磷胁迫的代谢衍生物分析

为探究假地豆（Desmodium heterocarpon）对缺磷胁迫的生理和代谢响应,本研究通过水培试验,分析了正常供磷（+P处理）和缺磷（-P处理）对假地豆生长及代谢物积累的影响。结果表明：缺磷胁迫降低了假地豆地上部干重和磷含量,但促进了根系生长。随后,代谢组共检测到假地豆叶片和根系的267个代谢物,可被分为12类。其中,叶片和根系的缺磷胁迫差异累积代谢物（DAMs）均为79个。缺磷处理导致假地豆叶片和根系的原花青素、槲皮素及其衍生物的积累显著增加,而2'-脱氧腺苷5'-单磷酸（dAMP）的积累显著减少。此外,缺磷处理使根系的8个有机酸和4个糖及醇类的积累显著增加。综上,假地豆通过促进根系生长和调整代谢物积累来提高对缺磷胁迫的适应性。本研究将为进一步解析假地豆适应缺磷胁迫的机理提供理论参考。     

MT 1象草新品系与Mott矮象草形态特征及产量性状的比较

于2007-2009年分别在每年的营养生长期和生殖生长期,对MT 1象草新品系(Pennisetum purpureum cv.MT 1)和Mott象草(P.purpureum cv.Mott)的形态特征进行了比较,并对MT 1象草新品系和Mott象草的各构件生物量、株丛产量进行了分析比较。结果表明,MT 1株高和丛径极显著高于Mott(P＜0.01);Mott分蘖数高于MT 1;MT 1叶生物量（营养生长期）、枯叶生物量、茎秆生物量、花序生物量和单株生物量均极显著高于Mott;Mott叶茎比极显著高于MT 1。MT 1株丛产量高于Mott,在营养生长期,MT 1株丛产量是Mott的1.42～1.84倍;在生殖生长期,MT 1株丛产量是Mott的1.07～1.87倍。MT 1和Mott象草的年生物产量分别为31 246.50～48 838.60和18 201.70～36 306.60 kg·hm-2。     

低温处理下外源水杨酸和脱落酸与内生真菌互作对醉马草共生体的影响

醉马草是我国西北地区的一种天然烈性毒草,其所携带的内生真菌(Epichloё)能促进共生体的生长和提高共生体的生物与非生物抗性。以5 ℃下正常生长一个月的带内生真菌(E⁺)醉马草幼苗和不带内生真菌(E^-)醉马草幼苗为实验材料,测定了外源SA和ABA处理下醉马草幼苗生理生化指标。结果表明,与对照比较,SA和ABA处理增加了叶绿素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性和过氧化物酶活性,降低了丙二醛含量;SA处理下,在胁迫第4天时,内生真菌显著(P<0.05)提高了脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性,分别提高了51.8%和62.1%。胁迫第6天时,叶绿素含量、丙二醛含量、可溶性糖含量和过氧化物酶活性均达到显著(P<0.05)水平,且SA⁺比SA^-分别显著(P<0.05)提高了23.0%,25.4%,23.7%,18.0%;ABA处理下,内生真菌能显著(P<0.05)提高叶绿素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性和过氧化物酶活性,但在胁迫第6和8天时,内生真菌却显著(P<0.05)降低了丙二醛含量,ABA⁺比ABA^-分别显著(P<0.05)降低了21.1%和34.3%。表明一定浓度的SA或ABA与内生真菌互作能缓解低温胁迫对醉马草幼苗的伤害。     

水分胁迫下钾对岸杂一号(Cynodon dactylon(L.)Pars.)光合作用的影响

研究了两种浓度PEG—6000造成的水分胁迫下,钾对C_4型牧草良种岸杂一号狗牙根光合作用的影响,同时探讨了光合作用的气孔限制问题。试验结果表明,-2.5bar胁迫下,高钾使气孔阻力变化更加明显,而叶肉细胞的羧化活性并未受到影响;-4.7bar胁迫下,气孔因素对光合速率的影响,高K~+处理大于低K~+处理,且高K~+可减轻净光合速率的降低,还可维持相对较大的共质体体积,推测这可能是高K~+部分地逆转水分胁迫抑制光合作用的机制之一。因此认为,C_s的大小并不总是光合作用的主要限制因素。     

基于转录组测序分析象草木质素合成的研究

采用高通量测序技术Illumlna HiSeq 2000对高木质素的象草品系eg7和低木质素的象草品系eg87(对照)茎组织进行转录组比较测序。测序获得了169630902个序列读取片段(reads),包含13788439920nt碱基信息。对reads进行序列组装,获得87641个单基因簇(unigene),平均长度580nt。从长度分布、GC含量等方面对unigene进行评估,数据显示测序质量好,可信度高。将获得的unigene与Nr、Nt、Swiss-Prot、COG、GO和KEGG数据库进行序列同源性比较和功能分析,62557个unigene与其他生物的已知基因具有不同程度的同源性,象草与高粱序列同源性最高。共鉴定出33323个差异表达基因,其中上调基因9704个(29.12%),下调基因23619个(70.88%);GO分析显示39968个unigene归为54个功能类别,大量unigene与细胞进程、代谢过程、催化活性等相关;KEGG pathway分析富集得到127条代谢通路,包括光合作用、betalain生物合成、苯丙烷类代谢、苯丙氨酸代谢等,苯丙烷类代谢途径差异基因富集程度高、差异基因数目最多,达285条,该途径中64条木质素单体合成酶基因表达上调,79条ClassⅢ型植物过氧化物酶基因表达下调、22条上调。挑选9个差异基因进行qRT-PCR验证,9个基因的表达趋势与高通量测序结果一致。为象草的分子生物学研究提供了宝贵的基因组数据,对于了解象草茎生物合成与木质素调控基因挖掘和多用途定向育种具有指导意义。     

不同原花青素含量的6种象草体外消化性能比较

试验通过体外产气法,分析比较桂闽引象草、桂牧1号杂交象草、王草、紫色象草、矮象草、巨菌草这6种象草作为粗饲料时山羊瘤胃的降解能力,评定紫色象草高花青素含量对山羊的饲喂价值。试验测定鲜草原花青素含量,分别将6种象草于65、105℃条件下烘干、粉碎,测定96 h内体外产气量以及产气速率。结果显示,各象草品种65℃烘干比105℃烘干具有更高的产气量和产气速率,前者各象草96 h平均总产气量38.51 mL,后者平均总产气量35.47 mL。两种烘干温度条件下,紫色象草在各品种象草中产气量和产气速率均居于中间水平,24 h内产气速率最高,48 h后产气速率降低到0.12 mL/h以下。原花青素含量紫色象草最高,为26.6 mg/100 g,但原花青素含量对产气量和产气速率均没有显著相关性。紫色象草可较好地被反刍动物消化利用,且富含花青素,有利于动物机体免疫能力的增强,促进动物生长。紫色象草可作为山羊等反刍动物优质的粗饲料资源。