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[硕士论文] 张婷
控制工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:我国农业种植面积广大,而且一直都是农民凭借经验进行人工灌溉,故用于灌溉的水资源消耗一直很大。随着近几年环境的恶化,大部分地区的小河、水井等都已经干枯,所以提高水资源的利用率、加快转变农业的发展方式迫在眉睫。国家也一直在号召农业现代化,随着国家政策的推出,越来越多的技术被逐渐地应用在农业上,比如智能控制、物联网技术、云计算等。针对目前的形式,本文以小麦田为例,设计了一套基于物联网的小麦智能灌溉系统。
  基于物联网的小麦智能灌溉系统主要包括四部分:下位机的终端监控设备模块、网关模块、上位机的智能灌溉决策模型和交互界面。终端监控设备用于监测小麦的环境参数和控制电磁阀的开关,该部分主要完成了ZigBee芯片、各类传感器和电源模块的软硬件设计。网关模块是整个智能灌溉系统的协议转换设备,它将来自终端监控模块的数据包进行分析、压缩和融合后,利用4G网络传输到上位机,此部分主要是ZigBee、处理器、4G模块的硬件电路设计和网关处理数据的软件工作流程设计。上位机的智能灌溉决策模型主要包括规则模型和数学模型,规则模型是根据小麦灌溉管理的专家知识和种植人员的经验设计的,数学模型是利用彭曼公式和水平衡方程对小麦需水量和所需灌溉量进行的建模,这两种模型均可对小麦的灌溉进行预报和决策,从而达到节水灌溉的目的。最后设计了可实时显示的监控界面,将采集的信息和灌溉决策更直观的展现给用户。
  本文设计的基于物联网的小麦智能灌溉系统以ZigBee技术和4G技术相结合的方式实现无线传输,解决了有线传输中布线麻烦、不易维修等问题。同时,该系统的智能灌溉决策模型给出了两种基于不同的灌溉策略下的灌溉决策方法,提高了小麦智能灌溉的准确性,为小麦节水灌溉提供了参考,具有一定的实际意义。
[硕士论文] 王涛
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:棉花是主要的经济作物,在分子生物学快速发展的今天,传统的育种方法存在较多的局限性,因此结合体细胞胚胎再生技术获得优良转基因品种已是大势所趋。到目前为止,只有少数的棉花品种具备快速高效获得再生植株的特性,而大部分栽培推广品种不具备这一特性。棉花体细胞胚再生过程中,影响胚性愈伤的分化和植株再生的因素有很多,其中供体的基因型、培养基的类型是体胚发生中影响较大的因素。通过正向遗传学的策略定位控制棉花体胚发生能力的位点,将控制高再生能力的基因从再生能力高的品种转移到再生能力低的品种中去,从而提高优良品种的再生能力,以获得高再生能力的优良棉花品种。
  本研究主要是以可快速获得再生植株的棉花品种(YZ-1)和长江流域主栽培品种(Emian22)为亲本,通过杂交后和多年的自交,构建的重组自交系群体,选取其中164个家系,采用IBA+KT(IK)和2,4-D+KT(DK)两种不同激素组合的培养体系,分别对重组自交系群体YE的愈伤组织诱导率(CIF)、愈伤组织继代繁殖力(CSC)、愈伤组织的出胚率(CRE)以及愈伤组织出胚时间(CET)进行统计分析,以及对两个体系下愈伤的颜色质地,培养流程进行对比分析。结果如下:
  1.利用IK和DK体系对YE家系进行再生能力筛选,结合愈伤继代繁殖力、胚性愈伤分化时间、分化率等数据,以及愈伤组织的颜色质地和不同体系下组织培养流程对比的综合分析,结果表明IK培养体系比DK体系更适合YE家系的培养。
  2.通过IK体系筛选得到36个可再生家系,DK体系筛选得到35个可再生家系,共获得46个可再生家系,两个体系下都可再生的家系有25个,获得31个可再生阔叶棉家系,得到16个再生能力接近YZ-1农艺性状较好的阔叶棉家系,并获得再生植株。
  3.基于本实验室构建的海陆种间高密度遗传图谱,以10cM遗传距离挑选了494个覆盖全基因组的标记,对每个培养体系筛选出的5个高再生能力家系材料进行全基因组背景检测。通过对5个高再生能力材料的YZ-1等位基因的鉴定,将其具有YZ-1等位基因的位点作为可能控制再生能力的遗传效应候选位点,共在15条染色体上筛选到25个控制再生能力的候选位点。
[硕士论文] 黄慧
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:棉花是我国重要的经济作物,也是世界上最重要的天然纤维作物。我国是棉花消费和进口第一大国,也是纺织服装生产贸易第一大国。由于纺织工业的不断进步,人们生活水平及对衣着品质要求的提高,纺织业对棉花纤维品质的要求越来越高,因此寻找优质基因,对棉花纤维品质进行定向分子改良显得十分重要。纤维伸长期和次生壁增厚期对纤维的长度,细度及强度具有重要影响,因此本实验将对一个伸长期和次生壁增厚期优势表达的基因进行功能验证,以期能创制优质棉花材料。
  实验室早期克隆了在纤维伸长期及次生壁增厚期优势表达的基因GhPCBER,本研究通过转基因的方法改变GhPCBER在纤维中的表达,探究其在纤维发育中的作用,取得的主要结果如下:
  1.对陆地棉中GhPCBER家族进行了序列及表达分析,发现GhPCBER与拟南芥AtPCBER1较为同源,具有NADPH结合区,且在进化上保守。海岛棉与陆地棉中GhPCBER的表达模式较为类似。
  2.通过表达量和Southern杂交检测得到符合预期表达量的低拷贝转基因植株。对成熟纤维品质进行考察发现干涉株系马克隆值变低,长度没有明显变化,EXPA2启动子驱动的超量表达株系纤维长度明显变长,马克隆值变低,35S启动子驱动的超量表达株系手梳纤维长度显示纤维长度变长。通过扫描电镜观察纤维横切面芨现EXPA2启动子驱动的超量表达株系纤维细胞的细胞壁变薄。
  3.木质素含量测定发现干涉株系中木质素含量升高,与木质素合成相关的基因CAD上调表达,在超量表达株系中正好相反,CAD表达下调。
  以上结果可以推测改变GhPCBER的表达可能改变体内木质素合成,进一步影响纤维发育,导致GhPCBER超量表达的棉花纤维变长变细,品质变好。本研究通过探究GhPCBER对纤维发育的作用为棉花纤维品质改良提供了一定的参考。
[硕士论文] 杨红
生理学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:甘蓝型油菜(Brassica napus,AACC)是我国主要的油料作物之一,由白菜(Brassica rapa,AA)和甘蓝(Brassica oleracea,CC)天然杂交形成的异源四倍体物种。在甘蓝型油菜基因组中,大多数基因有多个拷贝,功能冗余严重,这阻碍了油菜基因组学的功能研究。CRISPR/Cas9基因组编辑技术广泛应用于动植物突变体的创制和基因的功能研究,但在甘蓝型油菜中CRISPR/Cas9产生的突变模式以及突变体的遗传特征尚不清楚。本研究中,我们针对12个甘蓝型油菜基因构建了10个CRISPR/Cas9基因编辑载体,以Westar为受体材料,对转基因株系的突变类型进行检测,分析了基因编辑在甘蓝型油菜中的模式、特异性和遗传规律。
  结果表明,在T0代转基因植株中,靶向单基因的sgRNAs平均突变频率为65.3%;靶向多基因的sgRNAs诱导突变的平均频率为66.3%。在T0代转基因株系中检测到多种基因型,其中基因型为纯合、双等位和杂合的株系,其突变位点以典型的孟德尔遗传规律稳定地遗传给下一代,并且在T1代中没有新的突变产生。在所有检测的T0代植株中发现了没有Cas9插入的一个突变体株系,这可能是由于Cas9的瞬时表达或者在愈伤组织再生过程中丢失所致。另外,在T0和T1代株系中未检测到脱靶情况的发生,表明CRISPR/Cas9介导的基因编辑在甘蓝型油菜中具有高度特异性。同时,对转基因材料的表型分析表明,赤霉素信号通路中的负调控因子BnaA6.RGA功能获得型突变体植株明显矮小;BnaRGA功能缺失型四突变体株高明显增高。
  以上结果表明,CRISPR/Cas9是一种有效的基因编辑工具,利用CRISPR/Cas9创制突变体大大加速甘蓝型油菜功能基因组学的研究,同时也为油菜的遗传育种提供重要的种质资源。
[硕士论文] 程云
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:大麦是我国重要的粮食作物、饲料作物、轻工业原料作物,广泛应用于农业、养殖业、啤酒酿造业、医药保健业等领域。植物代谢组学技术的兴起为发展大麦生产与拓宽其应用空间带来了新的机遇,大麦代谢组学研究对解析作物物质代谢基础、完善作物代谢网络具有重要价值。本研究以华矮11和华大麦6号(DH群体亲本)为材料,通过基于LC-MS/MS的广泛靶向代谢组学方法,结合自建数据库和开放数据库,在灌浆期籽粒中检测并鉴定出182种代谢物(包括80种类黄酮、19种氨基酸、17种酚胺、14种核酸衍生物和12种脂质等),对其进行比较分析,主要研究结果如下:
  对华矮11和华大麦6号不同灌浆时期样本代谢谱进行PCA分析,结果显示,不同灌浆时期和不同品种样本分别能被PC1和PC2明显分开。ASCA分析结果显示,受灌浆时期显著影响的代谢物有9种,受品种显著影响的代谢物有7种,2因素互作显著影响的代谢物有10种(P<0.05),这些代谢物主要为类黄酮和酚胺。
  分别对华矮11和华大麦6号灌浆过程中的7个不同时期进行代谢物比较分析,筛选出11、10、7、25、33、29和33种有显著性差异的代谢物(VIP>1&P<0.01),其中,华矮11比华大麦6号相对含量高的代谢物分别有11、7、5、16、22、20和23种,华大麦6号比华矮11相对含量高的代谢物分别有0、3、2、9、11、9和10种,差异代谢物主要为类黄酮、酚胺和氨基酸。
  对华矮11灌浆过程中的7个不同时期代谢物进行差异分析,灌浆14d与7d比较、21d与14d比较、28d与21d比较、35d与28d比较、42d与35d比较、49d与42d比较,显著上调的代谢物分别有2、6、4、10、4和4种,显著下调的代谢物分别有6、10、1、10、27和2种。同样对华大麦6号灌浆过程中的7个不同时期进行差异分析,显著上调的代谢物分别有2、8、2、3、4和2种,显著下调的代谢物分别有5、6、4、15、6和2种(|log2(FoldChange)|>1&P<0.05)。这些显著上调或下调的代谢物主要为类黄酮、氨基酸和酚胺。
  对两品种间差异较大的类黄酮、氨基酸和酚胺进行积累模式分析,结果表明这些物质的积累存在一定的品种和时间特异性。类黄酮在两品种灌浆期积累模式差异较大,其中,3种六碳糖的氧黄酮和2种麦黄酮衍生物可作为两品种间的生物标志物;大部分游离氨基酸在两品种灌浆期积累模式相似,均为从灌浆初期至后期逐渐下降;不同修饰类型的亚精胺在两品种灌浆期含量表现为华大麦6号高于华矮11,而大多数胍丁胺和腐胺表现为华矮11高于华大麦6号,不同修饰类型的亚精胺在华大麦6号中呈现相似的积累模式,即从灌浆21d起含量显著上升。
[博士论文] 张圣奎
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:木薯,一种典型的热带作物,具有高光效、高生物量、耐旱、耐贫瘠等优良特性,是非常重要的粮食作物和潜在的生物质能源作物。木薯基因组高度杂合,遗传变异多样,这为品种改良提供了丰富的供试材料,然而常规育种周期较长,选育效率低下。木薯的许多农艺性状如淀粉含量、干物质含量、块根产量、产后生理衰变(PPD)等,都是微效多基因控制的数量性状,其遗传研究目前仍然十分有限。因此,挖掘木薯重要性状的优异等位基因变异及其标记,发展基因组选择育种技术,对于木薯品种改良有重要的指导意义。
  本研究以158份不同来源(包括中国、南美洲、东南亚等地)的木薯种质作为研究对象,对包括叶型、株型、产量及品质三类性状及抗产后生理性衰变PPD等23个性状、进行连续3年4点12个环境下的表型鉴定,获得大量表型多样性数据,综合评价木薯种质资源;通过扩增片段单核苷酸多态性和甲基化(AFSM)简化基因组测序方法,获取该木薯群体的全基因SNP、indels以及甲基化分子标记,并对该群体进行遗传多样性分析、群体结构分析和全基因组关联分析。
  主要结果如下:
  1.木薯表型变异度较大,叶型、株型和产量与品质23个性状在不同环境下变异程度不同,11个数量性状中,广义遗传力变化在0.38-0.92之间,其中叶长宽比最高(0.92),而干物质产量最低(0.38)。木薯采后生理衰变(PPD)研究中,我们优选出了糯米木薯、海南细叶、桂热4号、罗勇5号、ZM8625、ZM8641、SC205、G16、BRA258和E40710个抗PPD品种。对种质资源进行综合评价,根据综合指数筛选出桂热6号、CH16、BRA274、CM7595-1、SC124、SC205、10J、16P、17Q和2B共10个优异品种。
  2.采用AFSM简化重测序总计获得34.98万个多态性标记(SNP+Indel),较均匀覆盖18条染色体,平均分布密度达到1.48Kb/SNV。利用25,989个SNP和indels标记对木薯群体进行遗传多样性评估,,发现其遗传多样性指数(π)为1.21×10-4。群体结构分析表明这些木薯材料可划分为3个亚群,主成分分析和进化树分析表明木薯的亚群主要受其起源地影响而与采集地没有明显的分化关系,即在我国尚未形成明显的地理分化,这与其引进历史较短有关。亚群间的群体分化系数(FsT)在0.034-0.07之间,表明各亚群之间存在较低或中等水平的遗传分化。
  3.利用158份木薯材料对各个性状进行全基因组关联分析,多个环境下总共得到115个显著性位点。其中质量性状有4个显著性位点;株型性状共检测到22个显著性位点,其中5个位点在多个环境下重复,贡献率在0.12-0.21之间;叶型相关性状共检测到35个显著性位点,7个显著性位点在多个环境下重复,贡献率在0.12-0.25之间;产量组成和品质性状共检测到54个显著性位点,多个环境下同时检测到2个位点。其中淀粉含量共获得4个关联位点,贡献率0.12-0.18;干物质含量获得10个显著性位点,贡献率0.13-0.19,;块根条数共获得9个显著性位点,贡献率0.12-0.16;块根产量获得9个显著性位点,贡献率在0.13-0.18;干物质产量获得8个显著性位点,贡献率0.13-0.18。
  4.对显著性位点进行整合分析,共发现了14个显著性位点和不同的性状存在同样的关联性。块根重量和干物质重量这两个性状在2、4、18号染色体上分别有3个、1个和1个同样的位点。淀粉含量和干物质含量这两个性状定位到两个相同的位点,分别位于13号和9号染色体。块根条数与块根重量有一个相同的位点,该位点位于9号染色体。叶长宽比和中间裂叶长这两个性状在1、2、5和6号染色体上分别得到一个相同的位点。中间裂叶宽和叶长宽比这两个性状定位到2个相同的位点,分别位于3号和10号染色体上。同时,相关性分析表明这些表型之间有极显著的相关性。
  5.对所有的显著性位点进行候选基因分析,鉴定出195个候选基因。其中131个基因用于组织差异表达分析。我们发现与株型和叶型相关的候选基因68个,除了20个基因在根和叶组织中表达量低外,其余48个基因在根和叶组织中表达量较高;块根产量和品质相关性状的候选基因有63个,其中10个基因在根和叶中的表达都很高,37个基因中等表达水平,仅有16个基因在根和叶中的表达量很低。对165个候选基因GO注释发现其大部分为细胞组分、催化活性以及参与细胞代谢等生物学过程的基因。
[硕士论文] 杨媛
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:苎麻(Boehmeria nivea L.)属于荨麻科苎麻属宿根性多年生草本纤维植物,是我国重要的天然纺织纤维作物,同时也是重要植物蛋白饲料的来源。全球干旱频发,长江流域麻区常受伏旱、秋旱与“火南风”的影响,使纤用苎麻二、三季麻生长不良,饲用苎麻也大幅减产。因此,研究苎麻遭受干旱胁迫时的变化机理,为改良和提高苎麻抗旱性已成为苎麻生产中必须解决的重大课题。本实验通过在不同时期对纤用苎麻(华苎5号)和饲用苎麻(中饲苎1号)进行干旱胁迫处理,测定叶片相对含水量、可溶性糖、脯氨酸、丙二醛、超氧化物岐化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等7个生理指标,成熟收获后纤用苎麻测定株高、茎粗、单株鲜重、单茎鲜重、单株麻皮鲜重、皮厚等农艺性状和纤维含胶率、断裂强力、断裂伸长率、纤维细度等品质指标,饲用苎麻测定株高、茎粗、总鲜重、单株鲜重、单株干重、茎叶比等农艺性状和茎叶中营养品质成分的含量。分析干旱对苎麻生理指标及产量品质的影响;同时,对苎麻植株进行连续干旱处理,动态取样测定各项生理指标,分析干旱胁迫下苎麻生理生化指标变化趋势,研究苎麻受到干旱胁迫时的变化机理,为改良和提高苎麻抗旱性提供理论基础。主要结果如下:
  1.在苗期、旺长期和成熟期3个时期对纤用苎麻植株进行干旱胁迫处理,叶片相对含水量均比正常灌水处理显著减小,植株中的可溶性糖含量、脯氨酸含量、丙二醛含量均比正常灌水处理增加,抗氧化保护酶系统中的SOD活性、POD活性、CAT活性均比正常灌水增加。苗期干旱胁迫处理,株高、茎粗、单株鲜重、单茎鲜重、单株麻皮鲜重以及皮厚等较正常灌水相比均未受到显著影响;旺长期干旱胁迫下株高、茎粗、单株鲜重、单茎鲜重、单株麻皮鲜重均显著减小,皮厚未受到显著性影响;成熟期干旱胁迫时,苎麻株高、单株鲜重、单茎鲜重、单株麻皮鲜重也会显著减小,而茎粗和皮厚较正常灌水处理无显著性差异。
  2.纤用苎麻植株在苗期、旺长期和成熟期进行干旱胁迫,纤维中蜡脂质、水溶物、果胶和木质素含量与正常灌水处理相比均没有显著性变化;在苗期干旱胁迫下纤维中半纤维素的含量会显著减少,旺长期和成熟期干旱胁迫处理则无显著性影响;苗期和成熟期干旱胁迫处理对纤维素含量无显著性影响,但是旺长期干旱胁迫处理会显著增加。在苗期和旺长期干旱胁迫下,纤维断裂强力均未受到显著性影响,成熟期干旱胁迫处理会使断裂强力显著性下降;断裂伸长率在苗期、旺长期和成熟期3个时期干旱胁迫处理下均无显著性变化。分析可知,在苗期和旺长期适度的干旱胁迫能提高纤维的综合品质,成熟期干旱胁迫时纤维断裂强力下降,不利于纤维的品质,但纤维细度提高,利于纤维品质的形成。
  3.在苗期、旺长期对饲用苎麻进行干旱胁迫处理,苎麻叶片相对含水量均比正常灌水处理减小,植株中的可溶性糖含量、脯氨酸含量、丙二醛含量均比正常灌水处理增加,同样,抗氧化保护酶系统中的SOD活性、POD活性比正常灌水增加,但是CAT的活性在苗期干旱胁迫时增加,而在旺长期干旱胁迫时降低。在苗期和旺长期进行干旱胁迫处理,苎麻株高、茎粗、总鲜重、单株鲜重以及单株干重均会受到显著影响而降低,茎叶比则是在苗期干旱胁迫下显著升高,旺长期干旱胁迫下显著降低。
  4.饲用苎麻苗期干旱胁迫时,粗蛋白含量无影响,粗脂肪含量显著高于正常灌水处理,粗灰分含量显著下降,表明在苗期遭遇干旱胁迫时,苎麻植株的饲用营养价值提高;在旺长期干旱胁迫时,粗蛋白和粗脂肪含量均显著减少,且粗纤维含量显著增加,苎麻饲用品质下降,因此旺长期干旱胁迫会显著影响苎麻植株的饲用品质,要充分满足饲用苎麻旺长期的水分需求情况。
  5.纤用苎麻和饲用苎麻随胁迫时间延长,土壤相对含水量均随之减小。纤用苎麻的可溶性糖含量随着胁迫程度的加深呈现先上升后下降趋势,而饲用苎麻的可溶性糖含量则呈现先下降后上升的趋势;两种苎麻的脯氨酸和丙二醛含量均随胁迫时间延长而上升;随胁迫时间延长,SOD、POD以及CAT等3种酶活性均呈现先上升后下降的趋势。
[硕士论文] 郭翔
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:甘蓝型油菜隐性核不育系7365A是由两个位点控制的复等位遗传模式(BnaMs3/Bnams3,Bnams4a/Bnams4b/Bnams4c),其中BnaMs3和Bnams4a为恢复基因,Bnams4b为不育基因。Bnams4b会导致油菜雄蕊退化,不能产生成熟的花粉,BnaMs3则能恢复这种不育的表型,而且这种遗传模式在拟南芥也同样的适用。研究认为Bnams4a是在转录水平上调控Bnams4b表达,BnaMs3是在蛋白水平上与Bnams4b互作。BnaMs3的进化分析和遗传转化实验表明,BnaMs3是一个功能获得性变异基因,而且功能获得变异位点可能存在功能结构域TPR和Hop的六个氨基酸残基内。本研究利用CRISPR/Cas9技术对编码与BnaMs3和Bnams4b都互作蛋白的基因A41进行编辑,对BnaMs3的作用机理进行初步探究。另一方面对BnaMs3的六个预测功能变异位点定点突变,结合转有Bnams4b不育材料,探究BnaMs3的功能变异氨基酸位点和功能结构域。主要研究结果如下:
  1.A41基因编辑
  A41是编码通过酵母双杂实验筛选到的与BnaMs3和Bnams4b都互作蛋白的基因,A41有蛋白酶抑制剂功能报道,猜测它参与了BnaMs3恢复Bnams4b的过程。对野生型拟南芥的A41基因CRISPR编辑,结果获得了纯合A41编辑并且无转基因的植株。通过杂交方式转入BnaMs3和Bnams4b都存在的植株中,结果并没有得到预期关于育性改变的表型,推测A41可能并没有参与BnaMs3恢复Bnams4b的过程。
  2.BnaMs3功能变异氨基酸位点探究
  针对预测的六个BnaMs3功能变异氨基酸位点,分别构建六个BnaMs3的定点突变表达载体转化野生型拟南芥,并与转有Bnams4b的拟南芥杂交。对后代的表型观察和醋酸洋红染色结果表明,BnaMs3的321氨基酸位点突变之后,BnaMs3失去恢复功能,推测该氨基酸突变之后改变了BnaMs3的蛋白质结构,从而影响了BnaMs3的功能。
  3.BnaMs3在转录水平上调控Bnams4b的表达
  定点突变结果表明,在结构域TPR上的一个氨基酸变异,会导致BnaMs3失去恢复功能。TPR蛋白在质体发育和基因表达上有重要功能,参与了质体的RNA剪切。qRT-PCR结果表明,BnaMs3降低了Bnams4b表达水平。推测BnaMs3是在转录水平上调控Bnams4b的表达,BnaMs3作为TPR蛋白,恢复了质体的RNA剪切缺陷,从而解除了Bnams4b对质体的破坏使得育性恢复。
[硕士论文] 陈乾
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:再生稻是在头季收割后,头季残留稻桩上的腋芽重新生长成穗而获得再生季产量的一种水稻栽培模式,目前我国再生稻主要以移栽种植方式为主。直播稻以其省工、轻简化的特点成为近年来在我国迅速扩大的一项水稻栽培技术,直播再生稻是指在水稻头季直播的基础上蓄留再生稻,结合了直播稻和再生稻的特点,具有更加轻简化的优势。
  但是,品种是限制直播再生稻发展的重要因素。水稻“直播-再生”模式要求品种同时具有直播和再生的品种特征,如合适的生育期、较强的抗倒伏能力、较高再生力和再生季产量。为探究适合在华中地区作“直播-再生”种植的品种特征,本试验将12个供试品种分为不同组别类型,如早中晚稻品种、杂交稻和常规稻品种、高中矮秆品种,分别用来确定适合华中地区直播再生稻系统的生育期、再生季和周年产量、抗倒伏能力等。此外,本试验还研究了再生力与粒叶比和头季收获后残留稻桩的单茎干重的相关性,以期为直播再生稻品种的育种工作提供理论依据。
  研究结果如下,(1)中稻品种的平均周年生育期分别为198天,晚稻品种的平均周年生育期和中稻相近,而早稻品种的平均周年生育期却比中稻品种短34天,造成较大温光资源的浪费,应选用中晚稻品种在本地区作“直播-再生”种植;(2)倒伏是限制直播再生稻头季和再生季产量形成的重要因素,不同类型品种间高秆品种的倒伏指数最大、倒伏风险最大,应选用中秆和矮秆水稻品种在华中地区作“直播-再生”种植,以减小倒伏风险;(3)杂交稻的再生季产量(5.35t ha-1)和周年产量(13.07t ha-1)显著高于常规稻的再生季产量(3.58t ha-1)和周年产量(11.18t ha-1),应选用杂交稻品种在华中地区作“直播-再生”种植,以获得更高的再生季产量和周年产量;(4)再生力和头季粒叶比呈显著负相关关系(R=0.62,P<0.05),而再生力和头季收获后残留稻桩的单茎干重呈显著正相关关系(R=0.60,P<0.05),粒叶比和头季收获后残留稻桩的单茎干重都可作为判断再生力强弱的指标;(5)综合生育期、抗倒伏能力、再生季产量和周年产量等因素,供试品种中“天优华占”和“徽两优898”适合在华中地区作“直播-再生”种植。
[硕士论文] AHMAD ALI
作物生物技术 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:甘蓝型油菜(Brassica napus L.)是芸薹科的一个异源四倍体作物,是世界上重要的油料作物,并有其它多种用途。随着全球对食用油、蛋白饲料及工业用品等日益增长的需求,甘蓝型油菜育种面临的主要挑战之一是提高单产。每角粒数是油菜产量构成因子之一,且每角果初始胚珠数与每角粒数紧密相关,但目前有关油菜初始胚珠数遗传调控的研究报道较少。本研究利用甘蓝型油菜自交系7-5(初始胚珠数多)和ZY50(初始胚珠数少)杂交F1所构建的包含180个DH系的群体为材料,重点对每角果初始胚珠数(ON)展开遗传解析,同时亦分析了每角粒数(SN)、初始胚珠数与每角粒数的差异(ON-SN)相关的QTL。获得主要结果如下:
  1、该DH群体中ON、SN和ON-SN均呈正态分布,各DH系基因型方差达到极显著水平,表明各性状均由多基因控制,且该群体可以用于相关性状的QTL解析。相关性分析表明,ON和SN极显著正相关,ON-SN和SN极显著负相关。
  2、利用本实验室前期构建的该DH群体的遗传连锁图(包含2236个SNP标记和66个SSR标记的遗传连锁图,覆盖了1951.5cM的遗传距离,标记的平均图距0.85cM),整合该DH群体在武汉和鄂州两年两点的表型数据,通过QTL扫描,总共检测到上述3个性状的14个QTL。其中,和ON相关的5个,包括qON-A3,qON-A7-1,qON-A7-2,qON-A10和qON-C6,其中qON-A7-1、qON-A7-2和qON-A10等三个位点具有较大的效应。SN、ON-SN相关的QTL,与ON既有重合,亦有独立遗传。
  3、针对ON相关的两个效应较大的QTL位点(qON-A7-1和qON-A7-2),采用回交和标记辅助选择的方式,利用分别包含各位点增效基因型且遗传背景与轮回亲本接近的DH系与对应亲本回交构建近等基因系,目前已经获得了BC3F1株系。而针对qON-A10的位点,目前已经得到了BC1F1单株。
  本研究通过对初始胚珠数、每角果粒数和二者差异的遗传解析,获得了控制上述性状的多个QTL位点,暗示不同的QTL可能在不同层面上共同调控每角果粒数的形成。本研究为油菜每角果粒数遗传机制的较全面分析奠定了良好的基础。
[硕士论文] 胡新鸽
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:角质层是保护植物适应外界胁迫的屏障,与植物的抗逆性有密切关系,角质是角质层的主要成分,也是角质层的基本结构,通过对角质的研究有助于阐明角质层形成和调控的分子机制,为角质层的功能研究奠定基础。本研究优化了油菜角质提取的方法,通过气相色谱-质谱技术(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)技术分析鉴定角质含量与成分,比较了两种环境下生长的油菜角质含量与成分的差异和油菜不同组织(茎,叶片,角果)中角质含量的差异,研究不同程度的干旱胁迫对8个抗旱性存在显著差异的油菜品种叶片角质的影响,并进行RNA-Seq测序检测油菜不同组织(根,茎,叶片,花,角果,种子)和干旱胁迫下的基因表达量,分析角质基因表达量,筛选出角质基因,并分析了398个油菜品种的角质含量与成分。
  主要研究结果如下:
  甲醇-浓硫酸-氯仿这种裂解液效果最好,分离鉴定出的角质单体成分最多,角质单体总量高于其他3种方法,适合用于油菜角质提取。
  实验田种植的油菜叶片的角质成分较为全面,且大多数角质成分的相对含量高于温室的。
  在中双11号油菜的角果,茎和叶片检测到81个角质单体,角果,茎和叶片中角质成分相对含量最高的都是2-hydroxy-Tetraco sanoic acid。其中Tetradecanoic acid、14-methyl-pentadecanoie acid、2-hydroxy-Tetracosanoic acid、hexadecanoic acid、20-methyl-2-hydroxy-docosanoic acid5种角质成分相对含量在角果,茎和叶片中差异较大。
  采用RNA-Seq测序技术分析中双11号油菜不同组织中基因表达量,经过对118个角质合成相关的基因表达情况的分析,结果表明有6个基因在不同组织中均无表达。BnaA05g09070只在种子中特异性表达,BnaC05g04230D只在花中特异性表达。其中BnaCnng13910D在根中和叶片中的表达量最高,BnaA04g20340D在花中的表达量最高,BnaC04g51420D在茎中的表达量最高,BnaA02g32750D在角果和种子中的表达量最高。
  比较8个油菜品种在不同干旱条件下角质含量。随着干旱胁迫程度的加深,与对照组相比,干旱胁迫组的角质总量呈现升高的趋势,而且在这8个品种中有27个角质成分的相对含量呈现显著性差异变化。
  分析中双11号油菜在干旱胁迫不同时间段(0h,1h,8h)的118个角质合成相关的基因表达量,有108个差异基因,其中有7个基因差异性显著,4个基因表达量显著上升,3个基因表达量显著下降。
  已经对398个品种油菜角质含量,成分进行分析,下一步对角质成分做全基因组关联分析(Genome-wide association studies,GWAS)分析来定位一些与角质合成相关的位点。
[博士论文] 陈千思
细胞生物学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:马铃薯(Solanum tuberosum L.)是全球继小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物,由致病疫霉(Phytophthora infestans)引起的晚疫病是马铃薯生产中最为严重的病害。马铃薯进化出两个分支的免疫反应来应对晚疫病原菌的侵染,包括由病原相关分子模式(Pathogen associated molecular pattern,PAMPs)激发的PTI(PAMPs triggered immunity)和由效应子(Effector)引起的ETI(Effecter triggered immunity),激发一系列抗病反应相关基因来抵抗病原菌的侵染,有时会诱导产生过敏性坏死反应(Hypersensitive response,HR)来抑制病原菌的进一步扩展。
  本实验室前期克隆到了一个可能与过敏性反应相关的基因StPOTHR1,该基因受晚疫病原菌、机械伤害、盐胁迫和茉莉酸诱导表达,但在马铃薯晚疫病抗性上的作用机制及其与HR的关系尚不明确。本课题研究了StPOTHR1与HR的关系、在晚疫病抗病反应中的作用机制及其介导的免疫信号途径,为马铃薯晚疫病持久抗性育种研究提供了新的思路及潜在的基因资源。主要研究结果如下:
  1.获得了可以高丰度组成型稳定表达GFP且具有与野生型菌株致病力相当的转基因P.infestans菌株W8-G20,为定性和定量研究马铃薯与晚疫病原菌互作机制提供了直观和简便的技术手段;利用WS-G20接种马铃薯晚疫病水平抗性基因型386209.10和感病基因型鄂马铃薯1号(E1),能够清晰的观察到两个基因型表现出明显不同的发病症状,E1叶片上的荧光强度显著高于386209.10,386209.10可以显著地抑制病原菌的增殖速度,说明抑制病原菌在体内的定殖和扩展可能是水平抗性的一个重要防御机制。
  2.通过生物信息学分析发现StPOTHR1含有NHL(NDR/HIN1-like)家族的3个保守结构域,属于NHL家族成员。通过系统进化树分析进一步发现,其与NHL基因家族成员NtHIN1和AtNHL3亲缘关系最近,推测其与植物的过敏性反应、抗病性等生物学过程相关。原位杂交(ISH)和qRT-PCR实验表明,在垂直抗性基因型鄂马铃薯3号(E3)与晚疫病致病菌株W8互作产生HR的过程中,StPOTHR1只在过敏性病斑部位大量表达,而在其他位置几乎不能诱导表达,表明StPOTHR1的表达与HR紧密相关,可能是马铃薯抗病反应中的起重要作用的基因。
  3.通过研究StPOTHR1在马铃薯对晚疫病在亲和互作(感病)、非亲和互作(垂直抗性)以及水平抗性(小种非特异抗性)过程的表达模式,发现StPOTHR1在垂直抗性基因型E3中能迅速响应,并维持在较高的表达水平;而在感病基因型E1中则一直维持在较低的水平,只在后期有上调表达的趋势;在水平抗性基因型386209.10中,表达水平处于则前两者之间。研究结果表明StPOTHR1基因的表达量与马铃薯的抗性反应发生的强度呈正相关。
  4.在感病基因型E1中超量表达StPOTHR1,能显著抑制病原菌孢子囊的数量,显著提高植株对晚疫病的抗性,表现出与水平抗性基因型386209.10相似的抗性特征,但在垂直抗性基因型E3中,抑制StPOTHR1的表达不能抑制HR的产生;同时,在本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中瞬时沉默StPOTHR1的同源基因NbPOTHR1后,也不会影响由主效R/Avr基因(Sto/Ipio、Rvnt-1/Avrvnt-1、Pto/AvrPto、Cf4/Avr4、Cf9/Avr9和R3a/Avr3a)等介导产生的HR,说明StPOTHR1介导的抗性反应可能独立上述已知的R/Avr介导的HR。
  5.研究主效R/Avr基因对(Sto/Ipio、Rvnt-1/A vrvnt-1、Pto/AvrPto、Cf4/Avr4、Cf9/Avr9和R3a/Avr3a)介导的HR过程中POTHR1的表达模式发现,POTHR1只响应特异的R/Avr基因对(Pto/AvrPto)介导的HR;同时其也受到能激活PTI的晚疫病原菌效应子INF1和细菌PAMPs flg22的诱导,并且POTHR1也能调控PTI早期响应marker基因的表达,表明POTHR1可能参与了PTI和ETI的crosstalk。
  6.在烟草上瞬时表达GFP-StPOTHR1融合表达载体,发现GFP-StPOTHR1定位于细胞膜上,通过Western Blot证明了该蛋白的完整性,说明GFP-StPOTHR1的定位能准确反应StPOTHR1在植物体内执行功能的位置;同时,我们还发现GFP-StPOTHR1的实际电泳条带大于其理论值,其可能是翻译后修饰所导致,通过利用LC-MS/MS技术,对StPOTHR1的翻译后修饰进行了探究,结果发现StPOTHR1受到多种翻译后修饰调控,GFP-StPOTHR1条带的迁移可能与这些翻译后修饰相关。本研究首次全面地探究了NHL家族成员StPOTHR1的翻译后修饰位点,对这些位点潜在功能的探究将进一步增强对植物免疫调控的认识。
  7.通过利用IP-LC-MS/MS分析,筛选到一个植物MAPK级联途径上的可能与StPOTHR1互作的组分NbMKK5L,进一步通过Co-IP确证了NbMKK5L与StPOTHR1的直接互作,该结果暗示过表达StPOTHR1导致的马铃薯晚疫病抗性的增强可能与激活植物免疫相关的MAPK级联途径相关;本研究构建了StPOTHR1基因原核表达载体并在体外获得了大量纯化活性蛋白,为体外进一步直接研究MKK5L与StPOTHR1间的调控作用,如MKK5L能否直接将StPOTHR1磷酸化等研究提供了基础。
[博士论文] 叶莺
生物化学与分子生物学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是世界近一半人口的主要粮食来源,其产量和品质一直是人们关注的重点。磷(P)是植物必需的大量元素之一,在植物生长发育过程中发挥重要作用。水稻对磷的吸收和转运主要依靠磷酸盐转运蛋白完成,包括Pht1家族13个转运蛋白。此外,砷元素(As)作为一种类金属元素,对水稻的生长发育有毒害作用。由于具有与磷酸盐类似的化学结构,砷酸盐可以通过磷酸盐转运蛋白通道被水稻吸收。本研究对Pht1家族基因的时空表达模式进行了研究,并且深入探究了其中一个成员OsPT4在水稻磷和砷吸收转运过程中的作用。
  水稻Pht1家族有13个成员,分布在第1、3、4、6、8和10号染色体上。生物信息学分析结果显示Pht1家族的蛋白质序列保守,亲缘关系接近。Realtime-PCR结果表明该家族大部分基因缺磷诱导表达,同时启动子融合GUS蛋白染色结果显示该家族基因在水稻根部均有表达,且各个基因表达的部位不同。在缺失高亲和磷酸盐转运蛋白PHO84的酵母突变体中异源表达水稻Pht1家族基因,能够恢复突变体的表型,说明该家族基因都具有磷酸盐转运活性。
  OsPT4属于Pht1家族,启动子融合GUS蛋白染色结果显示该基因在水稻根部和地上部均有表达,并且在根表皮细胞特异性地表达。缺磷处理后,OsPT4的表达增加,同时在根表皮和外皮层有表达。亚细胞定位结果显示OsPT4定位于细胞质膜。在正常磷环境(0.3mmol/LP)和高磷环境(1.5mmol/LP)下,超表达OsPT4会导致植株根部的磷浓度较野生型增加1.6和2.1倍,而OsPT4-RNAi植株的主根数和分蘖数较野生型显著减少。这些结果说明OsPT4是一个具有功能的磷酸盐转运基因,参与水稻的磷吸收过程。
  由于砷酸盐的化学结构与磷酸盐类似,许多磷酸盐转运基因参与植物的砷吸收。当日本晴加砷处理后,OsPT4的表达量在植株的地上部和地下部均缓慢增加并维持在较高状态。OsPT4超表达材料在高砷环境(25μmol/L As和50μmol/L As)下萌发一周后出现砷毒害表型,植株生长受阻,株高变矮,根长变短,根部砷浓度增加了33%。而OsPT4-CRISPR材料则表现出相反的表型,其根部砷浓度较野生型降低30%。此外,OsPT4超表达植株对砷酸盐的最大吸收速率较野生型增加23-45%。以上结果说明磷酸盐转运基因OsPT4在水稻砷吸收过程中发挥了作用。
  OsPT4超表达植株和野生型种植于正常施肥的大田中,发现OsPT4超表达植株成熟期的秸秆和籽粒中的总磷浓度较野生型有显著增加,而砷浓度差异不显著。OsPT4可以作为一个现阶段水稻生产实际应用的一个候选基因。
[硕士论文] 石颜鸽
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水分是影响水稻产量的关键因子之一。适度干旱不仅能节约水资源,而且也能提高水稻产量。在灌浆期,花后功能叶片光合产物和抽穗前茎鞘积累的非结构性碳水化合物主要以蔗糖形式通过维管束运输到籽粒。杂交水稻的培育使水稻产量有了大幅度提高,然而其弱势粒充实度低限制了产量进一步提高。因此,研究茎鞘同化物向弱势粒转运的机制,对提高产量潜力和对保证我国粮食安全具有十分重要的意义。本研究于2016和2017年5月-10月在湖北省武汉市华中农业大学盆栽场进行。试验以2个结实率差异较大的杂交水稻品种两优培九和汕优63为材料,从开花后6天至成熟设置正常灌溉和适度干旱两个水分处理,旨在研究适度干旱对茎鞘非结构性碳水化合物转运的影响及其与弱势粒灌浆的关系。主要结果如下:
  (1)与正常灌溉相比,适度干旱处理显著增加了汕优63和两优培九的结实率和千粒重,最终提高了产量。
  (2)两个不同水分处理对水稻强势粒灌浆没有影响。但与正常灌溉相比,适度干旱显著增加了弱势粒的粒重和平均灌浆速率;减少了弱势粒的活跃灌浆期,加快了灌浆进程。
  (3)在正常灌溉和适度干旱条件下水稻叶片SPAD值、气孔导度和光合速率均无差异,但适度干旱降低了叶片绿叶面积。适度干旱对茎鞘大、小维管束数量和横截面积也没有影响,但显著增加了韧皮部大、小维管束的流速。
  (4)与正常灌溉相比,适度干旱促进茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)向籽粒转运,提高了其转运量、转运率和表观贡献率。适度干旱增加了水稻茎鞘α-淀粉酶、β-淀粉酶和蔗糖磷酸合成酶的活性,从而加速了淀粉的水解和蔗糖的合成,促进茎鞘同化物向籽粒的再分配。
  (5)两个不同水分处理对水稻强势粒细胞壁转化酶活性、细胞壁转化酶和蔗糖转运蛋白基因和蛋白表达没有影响;但与正常灌溉相比,适度干旱显著增加了弱势粒细胞壁转化酶活性、细胞壁转化酶和蔗糖转运蛋白基因和蛋白表达。适度干旱显著增加SE-CC和CC-PC胞间连丝的密度。这表明适度干旱处理增加弱势粒韧皮部卸载过程。
  (6)两优培九和汕优63强弱势粒具有明显的异步灌浆特性,强势粒在灌浆前期迅速启动灌浆且籽粒充实性高,而弱势粒在中期才开始启动灌浆且籽粒充实性差。同时,灌浆前期(灌浆后6-12天期间)强势粒腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶分解方向酶活性明显高于弱势粒,强势粒在第12天达到最大活性,而弱势粒在灌浆中期(灌浆期第18)达到最大值。另一方面,腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶分解方向酶活性与灌浆速率分别与呈显著正相关。这些结果表明强势粒灌浆启动早与籽粒快速的蔗糖水解和淀粉合成有关。适度干旱增加弱势粒腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶分解方向酶活性,促进了弱势粒的灌浆。
  本研究发现适度干旱处理促进了弱势粒的灌浆速率。适度干旱处理对水稻叶片光合速率没有影响和降低了叶片绿叶面积,也没有影响到强势粒重和结实率。这表明适度干旱处理下叶片为弱势粒籽粒灌浆提供的同化物并没有增加。然而适度干旱处理促进了茎鞘非结构性碳水化物的转运及卸载,提高了其对产量形成的贡献;同时适度干旱处理提高了弱势粒的粒重与结实率。此外,研究结果表明α-淀粉酶、β-淀粉酶和蔗糖磷酸合成酶、大小维管束流速、弱势粒细胞之间胞间连丝密度、蔗糖转运蛋白和细胞壁基因蛋白表达、SSc和AGP与茎鞘NSC、淀粉转运和弱势粒灌浆速率呈现显著的相关性。这些结果表明适当干旱处理下弱势粒灌浆的增加可以归因于茎鞘非结构性碳水化合物的再分配及卸载。
[硕士论文] 李双哲
生理学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻的氮素吸收利用对产量形成具有重要作用。随着全球气候变化,气候因子对水稻生长和产量的影响受到越来越多的关注,气候因子对水稻氮素吸收利用影响的研究也深受重视。目前,氮素吸收利用的环境效应研究大都集中于不同生态区水稻氮素吸收利用的差异,对同一地点不同温光条件对水稻氮素吸收利用影响的研究还较少。为此,本研究以长江中下游稻区的早晚稻种植模式为基础,探究不同温光条件对水稻氮素吸收利用的影响及生理基础,为进一步实现氮肥高效利用奠定理论基础。本试验于2016年和2017年,以在长江中下游地区推广面积较大的两个品种:常规稻鄂早18和杂交稻两优287为材料(早、晚季相同),探究了不同种植季节(早、晚季)不同施氮水平对水稻产量的影响规律;研究了不同种植季节不同施氮水平对氮素吸收利用的影响规律及生理基础。主要试验结果如下:
  (1)同一季节内(早季、晚季),产量随施氮水平的提高而逐渐增加,但晚季产量增幅较低;同一品种晚季产量高于早季,早、晚季产量的差值随施氮水平的提高而减小。同一季节内,施氮量增加导致的产量增加主要是由于单位面积颖花数(11%-84%)和生物量(11%-81%)增加所致;同一品种与早季相比,晚季的单位面积颖花数增加(61%),结实率降低(8%),粒重降低(12%),生物量增加(33%),晚季颖花数和生物量的增加是晚季高产的主要原因。
  (2)同一季节内,不同施氮水平间辐射拦截量的差异,分别与不同施氮水平间颖花数差异和产量差异显著正相关。随施氮量增加,早、晚季间辐射拦截量差异与产量差异、颖花数差异、结实率差异、粒重差异及生物量差异表现一致。这些结果表明,施氮水平和辐射拦截量间存在相互作用,增加施氮量可增加辐射拦截量利于产量形成。
  (3)同一季节内,随施氨水平的提高,植株总氮积累量增加,干物质生产效率和籽粒生产效率均降低。晚季总氮积累量高于早季,然而干物质生产效率和籽粒生产效率均低于早季。辐射拦截量与氮素积累量呈显著正相关,而与氮素利用效率呈负相关。
  (4)同一季节内,叶片氮素积累和转运量随施氮水平的提高而逐渐增加;然而晚季施氮量提高引起的叶片氮素积累和转运的增幅低于早季。晚季叶片氮素积累与转运量高于早季。辐射拦截量与叶片氮素积累和转运均呈极显著正相关,表明了不同氮水平间辐射拦截量差异与叶片氮素积累和转运差异有紧密关系。
  (5)同一季节内,随施氮水平的提高,幼穗分化期(PI)和齐穗期(HD)叶片谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)活性逐渐升高;然而,晚季施氮水平提高引起的叶片GS和GOGAT活性的增幅低于早季。晚季叶片GS和GOGAT活性高于早季,早晚季间叶片GS和GOGAT活性差异随施氮水平提高而减小。PI和HD期旱季日平均温度和日平均辐射量(24.5℃和15.2MJ m-2d-1)低于晚季(28.8℃和16.4MJ m-2d-1)。这些结果表明晚季较好的温光条件(较高的温度)有利于GS和GOGAT活性,增加施氮量也可缓解温光条件差异对GS和GOGAT的影响。因此,施氮水平和温光条件之间存在相互作用,共同影响着GS和GOGAT活性。
  (6)幼穗分化期(PI)和齐穗期(HD)叶片GS和GOGAT活性与叶片氮素积累和转运均呈显著正相关关系,表明GS和GOGAT活性可以促进叶片氮素积累和转运。
  总体上,种植季节和施氮水平之间存在相互作用。晚季充足的温光条件,有利于氮素积累和转运,有利于产量形成。早、晚种植季间温光条件存在着一定差异,增加施氮量可减缓温光条件不同造成的产量差异。
[硕士论文] 任丹凤
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:棉花是一种主要的经济作物,并且其副产物棉籽中含有丰富的蛋白质、脂肪酸等营养物质。棉酚虽然是棉花自身的植保素,但同时也对单胃动物和人具有较大的毒性,使得棉籽产品的利用价值受到很大的限制。培育出植株有酚而种子低酚或无酚的棉花品种一直是棉花科技人员的目标。本研究期望通过以下途径来降低种子中的棉酚含量,利用杜松烯合酶基因(CADl)在棉酚合成路径中所起的关键作用,一方面通过RNAi技术和种子特异启动子来降低种子中CAD1基因的表达量,另一方面利用CRISPR/cas9系统对CAD1基因进行编辑,以此使种子中棉酚合成量减少,最终获得种子低酚的新材料。本试验主要研究结果如下:
  (1)将αGP-CAD1-RNAi载体转入棉花中,得到52个转基因阳性再生植株,通过测定种子棉酚含量,初筛得到8个种子棉酚含量较低的株系。
  (2)对株系4的T1代不同单株间,蕾、铃、萼片、种子组织进行了棉酚含量的测定,其中蕾、铃、萼片三种组织中棉酚含量在单株间没有明显差异,而在不同单株的种子中,棉酚含量有着比较显著的差异,达到了降低种子中棉酚的目的。
  (3)从不同株系T1代的单株中,筛选出了13个CAD1基因表达量显著降低的单株。它们的种子棉酚含量介于1.58μg/mg-2.61μg/mg之间,与野生型材料相比,棉酚含量降低了38.4%-62.7%。对种子进行显微观察发现,转基因植株色素腺体的可见度比野生型对照要低。
  (4)对13个转基因T1单株进行了农艺性状的考察,与对照相比,它们的株高、百粒重、纤维品质等都没有明显的变化,证明了干涉CAD1基因对植株的正常发育没有明显影响。
  (5)构建并转化了CRISP R-CADl-A/C载体,目前己获得9株阳性的转CRISPR-CAD1-A基因的再生棉花,其种子的棉酚含量降低了25.7%。
[博士论文] 张彤
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:自交不亲和反应是高等植物进化出的一种阻止自花授粉、促进异花授粉的繁殖机制,有利于防止自交衰退,在育种及遗传上具有重要的研究价值。近年,甘蓝型油菜自交不亲和反应分子机制的研究取得了较大突破,然而其下游信号传导因子的鉴定仍非常有限。本研究以甘蓝型油菜Westar及拟南芥Col-0生态型为材料,利用序列分析、遗传转化、表达分析、酵母双杂交、转录组测序等手段,通过对亲和及不亲和反应信号传导途径的研究,成功鉴定甘蓝型油菜自交不亲和反应正调控因子BnCIMS1(Cobalamin-Independent Methionine Synthase1),为自交不亲和反应分子机制的研究提供了新的思路;同时证明了AtCIMS1在拟南芥自交不亲和反应中具有保守功能,为探索拟南芥属植物与芸薹属植物间自交不亲和系统的保守性提供新的证据。取得结果如下:
  1.BnCIMS1在甘蓝型油菜自交不亲和反应中的作用
  经共线性和进化树分析,发现CIMS1及其同源基因CIMS2的基因组序列和蛋白序列在十字花科物种中都是高度保守的。时空表达分析发现,BnCIMS1在甘蓝型油菜Westar柱头和茎的表达量最高,在其它部位表达量相对较低。BnCIMS2在Westar各部位中表达量极低,在柱头中几乎不表达。在甘蓝型油菜Westar柱头中通过RNAi技术下调BnCIMS1的表达,可部分打破甘蓝型油菜的自交不亲和性,说明BnCIMS1是自交不亲和反应的正调控因子。亚细胞定位结果显示BnCIMS1主要在胞质中表达。通过酵母双杂交技术验证BnCIMS1与自交不亲和反应相关基因BnSRK-1及BnARC1间的相互作用关系,发现BnCIMS1与两个基因间均无互作关系,说明BnCIMS1以一种新的未知途径调控自交不亲和反应。
  2.转基因自交不亲和拟南芥的创建及CIMS1功能保守性分析
  将自交不亲和A.halleri最显性的S13单倍型AhSRK13和AhSCR13以及自交不亲和相关基因AhARC1共同转入拟南芥Col-0生态型中,成功得到部分转基因自交不亲和拟南芥,而只转入AhSRK13和AhSCR13的转基因株系全部表现为自交亲和。说明ARC1确实为自交不亲和反应所必须。为验证AtCIMS1和AtCIMS2在拟南芥自交不亲和反应中是否具有保守功能,分别构建了转基因自交不亲和拟南芥与cims1、cims2T-DNA插入突变体的杂种F1,筛选纯合突变体背景的F2转基因株系,各单株均为自交亲和,证明AtCIMS1和AtCIMS2都在维持拟南芥自交不亲和反应中起作用,且CIMS1在甘蓝型油菜和拟南芥自交不亲和反应调控中具有保守功能。
  3.BC等其它自交不亲和反应候选基因的功能研究
  (1)BC的下调导致甘蓝型油菜和拟南芥叶片发育异常
  分别在甘蓝型油菜Westar和拟南芥Col-0中下调BC(Biotin carboxylase)的表达,发现转基因BnBC RNAi Westar株系和AtBC RNAi Col-0株系叶片发育异常,主要表现为叶片皱缩,且转基因AtBC RNAi Col-0株系柱头对花粉粘附力下降。
  (2)SLR1启动子的特异性分析
  克隆甘蓝型油菜Westar SLR1基因启动子,并连接GUS报告基因,转入拟南芥Col-0中。通过GUS染色分析SLR1启动子特异性,发现SLR1启动子在开花当天的雌蕊柱头特异表达,同时在幼苗期除子叶外其它部位及成熟叶片中均有表达。证明SLR1启动子在拟南芥中并非柱头特异启动子。
  (3)ANN1等三个候选基因的功能研究
  在甘蓝型油菜Westar柱头中特异下调自交不亲和反应候选基因ANN1(膜联蛋白基因)、FBA2(果糖二磷酸醛缩酶基因)以及MUR5(可逆的磷酸化多肽)的表达,发现三个基因分别被干涉后不能影响甘蓝型油菜的自交亲和性,且在转基因植株中未观察到其它表型变化。
  4.转录组分析亲和/不亲和反应基因表达的时相变化
  对甘蓝型油菜亲和及不亲和授粉后不同时间点的柱头进行转录组分析。根据差异表达基因的分布情况,将授粉事件分为早期授粉事件和晚期授粉事件,并发现自交不亲和反应信号传导路径比亲和反应更复杂。通过对差异表达基因的功能注释,提出了一些可能调控花粉-柱头互作机制的假设。根据对柱头富集表达基因的代谢途径的注释,发现SAM循环中所有基因都在柱头中高表达,包括本文已验证的自交不亲和反应正调控因子BnCIMS1。
[硕士论文] 韩少卿
作物遗传育种 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:CLE(CLAVATA3/Embryo surrounding region-related)基因家族编码一类小的分泌肽,广泛参与植物细胞间的信号转导、细胞增殖分化、自我调节以及响应外界刺激。目前,已在拟南芥、水稻、大豆、番茄和杨树等植物中鉴定了大量的CLE基因家族成员,而在油菜中还没有进行过系统地分析。在本研究中,我们对甘蓝型油菜的CLE基因家族成员进行了系统地鉴定和生物信息学分析,利用体外多肽处理的方法对一些油菜特异的CLE基因功能进行验证,并对BnCLE基因的组织表达特异性进行了分析。主要结果如下:
  1.在甘蓝型油菜全基因组中共鉴定出116个CLE基因家族成员,其中包括5个含有多个CLE基序、7个未注释的新基因。并对它们进行了信号肽、等电点、分子量大小和基因结构等特征的分析。
  2.染色体定位分析发现,A和C亚基因组各包含53和61个BnCLE基因。整体上,BnCLE基因总是成对的出现在两个亚基因组的同源区域。BnCLE基因家族的扩张方式以大片段复制为主(68%,79/116),其次为全基因组随机转录事件(27%,31/116),串联重复的形式很少(5%,6/116)。
  3.通过多序列比对和进化树构建,并参照拟南芥中AtCLE基因的功能将BnCLE基因分为三大类:A类主要作用于侧根的生长发育,B类主要维持根和茎顶端分生组织的干细胞动态平衡,C类主要对维管束的发育发挥作用。
  4.对5个含有多个CLE基序基因进行分析,发现它们各含有2-5个CLE基序,都主要在子房和角果中的表达量较高,暗示它们可能参与了种子的生长发育。
  5.共发现45个BnCLE基因具有29种新的CLE基序。通过体外多肽处理实验对其中的27种CLE多肽进行了功能验证,发现大部分多肽中的氨基酸变异并未导致其功能的显著分化,而少数CLE基序的变化会导致其功能的改变。
  6.对48个基因进行了组织表达特异性分析,发现大部分BnCLE基因存在一定的组织表达特异性,同时一些BnCLE基因的不同拷贝间出现表达分化。
  以上研究结果为油菜中深入开展CLE基因功能、鉴定油菜特异的CLE基因奠定了理论基础。
[硕士论文] 宋维周
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:水稻是我国最主要的粮食作物之一,同时也是耗水量最大的作物,近年来区域性、季节性干旱频繁发生,进一步提高水稻产量面临严峻考验。通过合理的水分管理方式结合不同水稻品种的优势,协调产量与水分利用效率之间的关系,提高水稻水分利用效率的同时降低产量损失的补偿效应成为亟待解决的问题。为探索节水灌溉下不同水稻品种的产量形成规律,于2016-2017年开展了大田试验,以节水抗旱稻旱优113(HY113)、高产水稻扬两优6(YLY6)与甬优4949(YY4949)为研究材料,设置传统淹灌(F)、干湿交替(AWD)与干旱(D)处理,研究了水稻农艺性状、光合特性、同化物积累与分配的变化,进一步分析了光合特性与同化物积累分配与产量和产量构成、稻米品质以及水分利用效率间的关系,主要研究结果如下:
  1.与F处理相比,AWD和D处理下生育期分别延长了3d与6d,AWD处理下YLY6的生殖生长期比HY113与YY4949长5d;AWD处理下YLY6株高在齐穗期显著高于HY113与YY4949,D处理下所有品种的株高在孕穗期与齐穗期均显著降低;D处理下植株的抗倒伏能力显著升高,YLY6、HY113与YY4949的弯曲力矩、基部第一节间与第二节间的长度与基部外径显著降低。
  2.与F处理相比,AWD处理下气叶温差(ALTG)在乳熟期显著降低,D处理下ALTG在分蘖盛期显著降低,AWD处理下YLY6在乳熟期ALTG显著高于YY4949,而显著低于HY113;与F处理相比,AWD和D处理下气孔导度显著降低,并且AWD处理下YLY6在分蘖盛期和抽穗开花期净光合速率显著高于其他处理,乳熟期YLY6功能叶叶面积、叶面积指数、气孔导度与蒸腾速率显著高于HY113。
  3.与其他处理相比,AWD处理下YLY6成熟期干物质积累量与收获指数显著升高。生育后期(乳熟期到成熟期)具有较高的茎鞘(46%)与叶片(54%)干物质向籽粒的输出转化率,乳熟期YLY6叶片具有较高的蔗糖合酶与蔗糖磷酸合酶活性,并且成熟期AWD处理下YLY6茎鞘可溶性糖含量显著低于YY4949,茎鞘淀粉含量显著低于HY113与YY4949,籽粒淀粉含量显著高于YY4949,显著低于HY113。
  4.与F处理相比,AWD处理下产量升高3.22%-20.27%,而D处理下产量显著降低,主要是每穗粒数显著降低,并且与其他处理相比,AWD处理下YLY6产量显著升高,主要是有效穗数显著升高。F处理下,YLY6产量显著高于HY113,而HY113的产量又显著高于YY4949,主要是YLY6的结实率显著高于HY113与YY4949;D处理下,YLY6产量显著高于HY113,比YY4949高9.30%,主要是D处理下YLY6的结实率显著高于HY113与YY4949。
  5.节水灌溉对不同水稻品种的稻米品质影响不同。与传统淹灌相比,AWD和D处理下YLY6的精米率与整精米率显著升高,直链淀粉含量显著降低,并且AWD和D处理下YLY6与YY4949的垩白粒率显著升高;而HY113的垩白粒率与垩白度在AWD与D处理下均显著低于对照,D处理下直链淀粉含量显著升高。
  6.与F处理相比,AWD和D处理下节约灌溉用水量42.37%与88.81%,主要是与F处理相比,AWD和D处理下平均灌水周期延长了3-4d与8-9d,AWD和D处理下平均灌水量减少6.11%与83.97%,从而节约劳动力的投入,并且YLY6在三种土壤水分处理下灌溉用水量均高于HY113与YY4949。节水灌溉能显著提高不同水稻品种的灌溉水分利用效率。F处理下,YLY6的灌溉水分利用效率比HY113与YY4949高12.24%与24.49%。AWD处理下,YLY6的灌溉水利用效率显著高于HY113与YY4949,D处理下,YLY6的灌溉水利用效率显著高于HY113,显著低于YY4949。
  综上所述,AWD处理下YLY6生殖生长期延长,并且在分蘖盛期与抽穗开花期净光合速率显著升高,乳熟期具有较高的光合叶面积、叶绿素含量、蔗糖合酶与蔗糖磷酸合酶活性等,从而维持较高的光合生产能力,并且乳熟期到成熟期具有较高的干物质分配与转运能力,成熟期籽粒中适宜的淀粉含量,支持着产量与品质的形成。在提高水分利用效率的同时,保证高产优质,该模式可作为江汉平原水稻高产节水栽培技术的一种节水模式。
[硕士论文] 肖森
作物栽培学与耕作学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:再生稻是一种播种一次、收获两次的种植模式,具有节水、省种、省工、生产成本低和效益高等优点。发展再生稻是我国水稻生产转型期间一项种植模式的重要创新。目前农业机械化进程不断加快,但适合再生稻机械化生产的栽培技术却相对薄弱,再生稻头季机收时收割机会碾压部分稻桩导致再生季减产,这在一定程度上制约了机收再生稻的发展。在生产中人们发现再生稻头季机收后碾压区再生苗萌发迟、生长慢,造成非碾压区边行的通风透光和养分供应状况发生改变。这些改变可能有利于非碾压区产生产量上的边际效应,从而弥补再生稻头季机收碾压造成再生季的产量损失。针对这一假说,本研究于2016-2017年在湖北省蕲春县赤东镇酒铺村通过两年大田试验,设置了四种不同的头季收割方式:头季机械收割;头季机械收割后去除碾压区稻桩;头季手工收割后按照机割碾压区位置和大小去除稻桩;头季手工收割。其目的在于(1)探究再生稻头季机械收割与头季手工收割相比再生季的产量损失率;(2)探究头季机收后再生季碾压区产量损失所造成的减产效应;(3)探究头季机收后再生季非碾压区边际效应的增产效应;(4)比较头季机械收割和头季手工收割后再生季稻米品质的差异。试验结果如下:
  1.在两年的大田试验中,头季手工收割后黄华占和两优6326再生季两年的产量范围分别是4.93-5.61t ha-1和5.87-6.60t ha-1,头季机械收割后黄华占和两优6326再生季两年的产量范围分别是3.94-5.30t ha-1和4.77-6.85t ha-1。2016年头季机械收割再生季的产量与头季手工收割相比差异不显著;2017年两个品种头季机械收割再生季的产量比手工收割的低18.7%-20.1%。造成两年头季机械收割后再生季产量产生差异的原因是:①2016年的机械碾压率设置为25.0%,低于2017年的33.3%(为了与生产实际相符,通过改变收割机单次收割的行数实现)。②2016两个品种碾压区的产量为2.44-4.70t ha-1,显著高于2017年两个品种碾压区的产量1.01-1.10t ha-1。
  2.与头季手工收割后再生季的产量相比,头季机收后碾压区产量降低。黄华占碾压区产量降低导致的减产效应是14.1%-26.5%,两优6326是7.2%-27.1%。头季机收后碾压区的减产效应主要是由于碾压区的稻桩受到破坏,导致碾压区的单位面积总颖花数和干物质量显著低于头季手工收割。
  3.非碾压区边行与手工收割对照相比的边际效应为0.9%-54.2%,机收后非碾压区边际效应主要体现在边行单位面积总颖花数和地上部干物质比头季手工收割处理高。与头季手工收割后再生季的产量相比,头季机收后非碾压区由于产生了边际效应而使产量升高。黄华占非碾压区产量升高造成的增产效应是6.8%-8.9%,两优6326的是8.3%-11.0%。
  4.与头季手工收割相比,头季机收后再生季非碾压区的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率和垩白度无显著区别;碾压区的糙米率、精米率、整精米率显著下降,垩白粒率和垩白度分显著上升,但碾压区米质的变化对机收再生稻再生季的整体米质影响较小。总体上,头季机械收割再生季稻米的加工品质和外观品质与手工收割相比无显著差异。
  综上所述,再生稻头季机械收割后非碾压区产生的边际效应能够在一定程度上弥补头季机械收割碾压区产量下降对再生季造成的产量损失,但是采取有效措施减少碾压区产量的损失率才是提高机收再生稻再生季产量的关键。与再生稻头季手工收割相比,头季机械收割没有显著降低再生季稻米的外观品质和加工品质。
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