叶绿体作为一种离散、高度结构化、半自主的细胞器。叶绿体的小基因组能成为合成生物学极有前途的平台。叶绿体基因工程作为一种特殊的合成生物学手段,对重建植物体内各种复杂的代谢途径具有巨大的潜力,例如提高作物的光合能力,植物的抗逆性或者合成新的药物和疫苗。然而,许多植物的叶绿体遗传转化效率低或无法进行。因此,新的转化技术和工具正在不断被开发。为了进一步拓展和促进叶绿体基因工程的应用,本文综述了近年来在叶绿体遗传转化方面的新技术,并对选择合适的合成生物元件用以构建高效的叶绿体转化载体进行了探讨。
千粒重(TGW)、穗粒数(GNS)和穗粒重(GWS)是小麦产量的重要组成部分。为了解析其遗传学基础,我们构建了一个由8762/Keyi5214衍生的198个系组成的DH群体,利用基因芯片对该DH群体进行基因型鉴定,并将产量相关性状千粒重、穗粒数和穗粒重表型整合并进行QTL定位。最后,我们共获得18,942个多态性SNP标记,并鉴定出41个与这些性状相关的关键QTL。我们在染色体2D和6A上鉴定出三个稳定的千粒重QTL (QTgw-2D.3, QTgw-2D.4, QTgw-6A.1),其增效等位基因均来自亲本8762,解释了4.81%-18.67%的表型变异。在染色体3D、5B、5D和6A上鉴定出5个稳定的穗粒数QTL,其中QGns-5D.1来自亲本8762,其余4个来自亲本Keyi5214的QTL解释了5.89-7.08%的表型变异。此外,还发现了一个稳定的小麦穗粒重遗传位点QGws-4A.3,该位点来自亲本8762,可解释6.08-6.14%的表型变异。为了应用鉴定到的QTL,我们为四个重要的QTL (Tgw2D.3-2, Tgw2D.4-1, Tgw6A.1 和 Gns3D.1)开发了STARP标记。本研究结果可为后期小麦千粒重、穗粒数和单穗重相关基因的鉴定和克隆奠定基础。
由于劳动力投入少、经济效益高,水稻直播已成为中国南方地区主要的种植方式。旱直播方式在单季水稻栽培技术方面运用广泛。然而,对早籼稻机械旱直播试验的研究还少有报导。通过两年大田间试验,以2个籼稻品种(中嘉早17和株两优819)为材料,研究旱直播、淹水直播和湿直播模式下的水稻倒伏特性和产量形成。结果表明,在旱直播方式下,株两优819和中嘉早17的年均产量分别比湿直播和淹水直播高14.42-26.34%和6.64-24.58%,这主要是由于穗数的提高。旱直播方式显著提高了早籼稻品种的出苗率,增加总干重和作物生长速率。同时,与淹水直播和湿直播相比,旱直播基部节间较短,茎粗和茎壁较厚,倒伏指数较低。尤其是旱直播提高了茎秆的抗倒伏能力。本研究结果表明,适宜的直播方式有利于提高早籼稻的产量和抗倒伏能力。
东北平原是中国最大的玉米产区。近年来滴灌技术开始在该区推广应用,以解决玉米生产中干旱频发和水分利用效率(WUE)低下的问题。为确定高效和环境友好的灌溉措施,2016-2018年针对滴灌结合不同农田保水措施进行了大田试验研究,处理如下:(1)塑料薄膜覆盖+滴灌(PI),(2)生物降解膜覆盖+滴灌(BI),(3)秸秆深翻还田+滴灌(SI),(4)浅埋滴灌(OI),以传统沟灌(FI)为对照。PI和BI处理根长密度(RLD)和营养生长期间土温较高,其产量、WUE和氮素利用效率(NUE)最高。与BI相比,PI处理在20-60 cm和60-100 cm土层中消耗了更多的土壤水分,且0-20 cm土壤上层根系较大,生殖生长期间土温较高,根系和叶片衰老进程加快。SI处理能有效提高土壤水分和硝态氮含量,促进深层RLD增加,从而维持了花后较高的生理活性。FI处理与滴灌相比,60-100 cm土壤深层硝态氮含量较高,增加了氮素淋溶损失的风险。0-20 cm土层中,RLD与产量、WUE和NUE极显著正相关(P<0.001),与根系氮利用效率(NRE)显著负相关(P<0.05),这一相关性随土层加深而减弱。在干旱条件下,降解膜覆盖与滴灌耦合有利于玉米稳产和提高土壤水氮利用效率,是一项东北区玉米可持续生产与环境友好的推荐技术。
长期秸秆还田是提高农田土壤有机碳储量的重要碳源,秸秆焚烧还田在我国南方也屡见不鲜。然而,长期稻草管理对土壤有机碳组分、酶活性及其相互关系的影响,以及其影响是否存在季节差异却尚未明确。我们基于2009年开始建立的长期定位试验平台,通过设置3个N、P、K等养分输入(包括秸秆/灰分和化学养分)的处理:秸秆不还田(CK)、秸秆还田(SR)和秸秆焚烧还田(SBR),探讨长期秸秆还田条件对南方双季稻田土壤有机碳组分及土壤酶活性的影响。结果表明,与CK相比,长期秸秆还田有利于提高早稻产量(P=0.057),并显著增加早晚稻田土壤的总有机碳(TOC)和微生物量碳(MBC)含量。而稻草焚烧还田对TOC无显著影响,但降低了早稻轻组有机碳(LFOC)和晚稻易氧化有机碳(EOC)含量,而显著增加了可溶性有机碳(DOC),且显著降低了土壤pH。我们研究还表明,长期秸秆还田条件下,MBC是评估双季稻系统土壤有机碳变化最敏感的指标;此外,SBR和SR对土壤酶活性的影响早晚稻稻田土壤呈现相反趋势,进而导致土壤有机碳组分含量存在季节差异,尤其是改变了土壤DOC含量,而早晚稻DOC与β-木糖苷酶均呈正相关。可见,秸秆还田较秸秆焚烧还田更有利于土壤有机碳组分的固持与提高,但其对晚稻土壤酶活性的负作用有待进一步研究。