Ca2+离子在维持细胞壁以及细胞膜的完整性中具有重要作用,是植物生长和发育中必不可少的矿质营养元素之一。解析Ca2+离子在糖代谢和脂代谢中的作用能够为理解棉花纤维快速伸长阶段细胞膜和细胞壁的动态变化提供有意义的参考。本研究利用胚珠培养系统发现缺Ca2+会促进纤维和胚珠细胞的膨大,但同时也会诱导组织的褐化。RNA-seq差异表达基因分析发现缺Ca2+使细胞处于一个较高的氧化态,并且激活与糖代谢和脂代谢相关的基因的表达。尤其以糖酵解途径变化最为显著,其代谢途径中的9个酶相关的基因上调表达,缺Ca2+处理细胞中的葡萄糖含量显著下降,改变了糖酵解途径的流动。低K+能够恢复缺Ca2+诱导糖酵解途径相关基因的表达以及葡萄糖的含量。采用电喷雾电离串联质谱技术检测了不同Ca2+、K+离子处理条件下细胞中脂质组成分的动态变化。缺Ca2+处理细胞中自由脂肪酸(FA)、二酰甘油(DAG)和糖脂含量降低,三酰甘油(DAG)磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰甘油(PG)、磷脂酰胆碱(PC)含量增加。低K+与缺Ca2+的互作信号能够恢复FA、磷脂、糖脂含量至正常水平,有效缓解缺Ca2+效应。本研究通过在转录和代谢水平的比较分析,揭示了Ca2+和K+信号互作在维持纤维快速伸长过程中糖酵解和脂代谢中发挥着重要作用。
水稻穗型和籽粒大小不仅对产量形成有显著效应,对稻米品质尤其是外观品质也有重要影响。直立穗性状一般由qpe9-1/dep1等位基因控制,已广泛应用于高产粳稻育种,但其稻米的外观品质往往不够理想。GS9是水稻粒形的重要调控因子,该基因突变后可使稻谷适当变细长,从而改良稻米的外观品质。然而,GS9和qPE9-1/DEP1基因都位于第9染色体,两位点紧密连锁,且两者间的互作关系还不明确,这就制约了它们在现代水稻育种中的应用。蛋白和mRNA表达水平的比较分析显示GS9和qPE9-1独立发挥功能。以含有GS9和qpe9-1等位基因的高产粳稻品种2661(GS9/qpe9-1)为背景,创建了3个近等基因系(NIL),分别携带不同等位基因组合,包括NIL(gs9/qpe9-1)、NIL(GS9/qPE9-1)和NIL(gs9/qPE9-1)。结果显示,GS9和qPE9-1对籽粒大小的调控具有加性效应,在含有qpe9-1等位基因的直立穗粳稻品种中导入功能缺失型gs9等位基因,可在不影响株型和穗型的前提下,降低籽粒垩白,改良籽粒外观。此外,在另一推广的高产粳稻品种武育粳27(WYJ27)背景中,导入gs9等位基因,也表现出相同的效应,进一步证实利用gs9等位基因改良高产粳稻品种籽粒外观的可行性。本研究为直立穗粳稻及相关品种稻米外观品质改良提供了有效策略。
植物促生真菌具有产生生物活性物质、促进植物生长以及增强植物免疫抗性的能力,其作为有应用价值的有益微生物在作物栽培中受到越来越多关注。本研究从健康番茄植株根际土壤中分离筛选到一株木霉菌株TM2-4,将其鉴定为非洲哈茨木霉(Trichoderma afroharzianum)。菌株TM2-4发酵滤液中含有多种生物活性物质且对番茄种子发芽具有明显促进作用,发酵滤液100倍稀释液处理,番茄胚轴、胚根长度,种子活力指数分别增加28.7%、19.4% 和 62.1%。为了评价菌株TM2-4的促生作用及其相关机制,通过盆栽试验和转录组测序分析了非洲哈茨木霉菌制剂TM2-4处理对番茄植株生物学指标和基因表达型的影响。结果表明,非洲哈茨木霉TM2-4能够通过在植株根际土壤和根系有效定殖,显著提高番茄株高、干重、单株叶片数及根系活力等生物学指标。转录组分析发现,木霉菌制剂处理番茄根系较对照共获得984个差异表达基因,主要集中在激素平衡、抗氧化活性以及苯丙烷类生物合成和谷胱甘肽代谢等生物学过程。相关研究结果为阐明菌株TM2-4对番茄的促生作用机制提供有效信息,并为非洲哈茨木霉微生物菌剂在蔬菜作物生产中的进一步开发应用奠定理论基础。