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基于机器学习的马铃薯叶片叶绿素含量估算

光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1117-1127页

作者：李成举刘寅笃秦天元王一好范又方姚攀锋孙超毕真真白江平甘肃农业大学农学院甘肃兰州730070 省部共建干旱生境作物学国家重点实验室甘肃兰州730070 甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室甘肃兰州730070

为了提高马铃薯叶绿素含量估算模型的精度,使用无人机平台搭载多光谱相机,获取对照处理和干旱处理下马铃薯关键生育期的遥感影像,选取13种植被指数作为叶绿素含量反演模型的输入变量,使用多元线性回归(MLR)、支持向量回归(SVR)、随机森... 详细信息

为了提高马铃薯叶绿素含量估算模型的精度,使用无人机平台搭载多光谱相机,获取对照处理和干旱处理下马铃薯关键生育期的遥感影像,选取13种植被指数作为叶绿素含量反演模型的输入变量,使用多元线性回归(MLR)、支持向量回归(SVR)、随机森林回归(RFR)、决策树回归(DTR)构建马铃薯叶绿素含量估算模型。首先分析了植被指数与叶绿素含量之间的相关性,结果表明,在对照处理块茎形成期,CIre、GNDVI、NDVIre、NDWI、GRVI、LCI与叶绿素含量之间的相关系数绝对值在0.5以上,且存在显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)相关性;在马铃薯其他生育时期,13种植被指数与叶绿素含量之间的相关系数绝对值均在0.5以上,且存在极显著(p<0.001)相关性。然后对MLR、SVR、RFR和DTR等模型的精度进行比较,结果表明:SVR模型在对照处理块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的预测效果均是最佳,R 2和RMSE在块茎形成期为0.89和2.11,块茎膨大期为0.59和4.03,淀粉积累期为0.80和3.18;RFR模型在干旱处理块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的预测效果均是最佳,R 2和RMSE在块茎形成期为0.90和1.57,在块茎膨大期为0.87和2.16,在淀粉积累期为0.63和3.01。该研究为马铃薯叶绿素含量监测提供一种新的方法,后期可根据不同试验处理选择相应的估算模型。

关键词：马铃薯叶绿素含量多光谱支持向量回归随机森林回归决策树回归

80份CIP引进的马铃薯种质资源抗旱性鉴定及评价指标的筛选

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江西农业大学学报 2024年

作者：张莹李成举刘寅笃张春利张锋蒲转芳孙超姚攀锋刘玉汇刘震毕真真白江平甘肃农业大学农学院甘肃农业大学省部共建干旱生境作物学国家重点实验室

【目的】中国马铃薯种质资源相对缺乏，遗传背景单一，亲缘关系较近是制约我国马铃薯种质创新与优良新品种选育的重要原因。此外，干旱是马铃薯（Solanum tuberosum L.）生产的主要影响因素之一。因此，筛选出优良且抗旱的种质资源不仅... 详细信息

【目的】中国马铃薯种质资源相对缺乏，遗传背景单一，亲缘关系较近是制约我国马铃薯种质创新与优良新品种选育的重要原因。此外，干旱是马铃薯（Solanum tuberosum L.）生产的主要影响因素之一。因此，筛选出优良且抗旱的种质资源不仅能够有效应对干旱带来的马铃薯生产挑战，也将为解决中国马铃薯遗传背景狭窄和种质资源短缺提供重要的解决途径。【方法】本研究以从国际马铃薯中心（CIP）表型观测评价的TON panel 约300份高世代品系种质资源中筛选出80份表现良好的四倍体种质资源为试验材料，于甘肃省定西市马铃薯研究所进行田间试验，对正常灌溉（CK）和干旱处理（D）下的15个主要农艺性状、产量性状和品质性状进行测定。利用相关性分析、主成分分析、隶属函数分析、聚类分析和逐步回归等分析方法对80份马铃薯种质资源的抗旱性进行综合评价。【结果】通过计算各单项指标的抗旱系数(PI)和变异系数（CV）筛选到12个代表性指标进行后续分析。通过主成分分析，将12个单项指标的抗旱系数转换为6个相互独立的综合指标（累计贡献率达80.45%），根据综合评价值（D值）和聚类分析，可将80份马铃薯种质资源材料分为3类：B20、B40、B55等9个品系属于I类高度抗旱类型；B32、B77、B28等62个品系属于II类中度抗旱类型；B73、B42、B19等9个品系属于III类低抗类型。进一步利用逐步回归分析建立了抗旱性评价回归模型Y=-0.138+0.198PH+0.080RL+0.109LAI+0.144RFW+0.162TDW+0.079RSC (R2=0.917，P=0.000)，估计精度均在86.6％以上，表明该模型可用于马铃薯抗旱种质资源筛选。【结论】B20、B40、B55等9个品系为高度抗旱品系，可作为优良的杂交亲本选育马铃薯抗旱品种。株高、总根长、叶面积指数、根总鲜重、单株薯块干重、还原糖含量可作为快速筛选抗旱马铃薯种质资源的预测指标，使马铃薯抗旱性评价鉴定工作更为便捷。

关键词：马铃薯种质资源干旱胁迫品系筛选评价指标综合评价

施用立收谷在不同水分处理下对马铃薯品质的影响

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作物杂志 2024年

作者：庞敏昡王瀚李志涛史宁帆蒲转芳张锋姚攀锋毕真真白江平孙超甘肃农业大学农学院省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室

立收谷是一种催枯剂，施用后利于马铃薯的机械化收获。为了探究立收谷对正常浇水和干旱胁迫下不同贮藏期马铃薯品质的影响，此试验选用三个抗旱性不同的马铃薯品种，采用盆栽控水法进行干旱胁迫。种植后50 d时进行干旱处理，于收获前10 ... 详细信息

立收谷是一种催枯剂，施用后利于马铃薯的机械化收获。为了探究立收谷对正常浇水和干旱胁迫下不同贮藏期马铃薯品质的影响，此试验选用三个抗旱性不同的马铃薯品种，采用盆栽控水法进行干旱胁迫。种植后50 d时进行干旱处理，于收获前10 d施用立收谷后进行测产。在25℃环境中贮藏，于0、30和60 d时测块茎产量及各营养品质含量、薯皮厚度及块茎硬度。除品种‘陇薯六号’在正常灌溉下施用立收谷后对产量有显著提升（P＜0.05）外，其它品种在正常浇水和干旱胁迫下施用立收谷后，对其产量均无显著影响（P＞0.05）。但施用立收谷对不同品种马铃薯的块茎硬度和薯皮厚度均有显著提高（P＜0.05），这对减轻机械化收获马铃薯和运输贮藏过程中产生的块茎物理损伤起重要作用。对所测指标进行主成分分析和隶属函数法进行综合评价，起主要作用的有三种主成分，累计贡献率达到85.544%，贡献最大的因子为硬度、蛋白、钙，可作为主要代表性指标用于施用立收谷的其他薯类作物施用效果评价。且耐旱中间型‘陇薯6号’综合评价最高，敏感型‘大西洋’最低，说明立收谷对‘陇薯6号’品质影响最大。

关键词：马铃薯块茎干旱胁迫立收谷主成分分析隶属函数法

马铃薯PYL5基因对非生物胁迫的响应分析及其启动子的活性鉴定

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江西农业大学学报 2024年第2期46卷 302-313页

作者：张春利解潇飞张莹张锋孙超毕真真刘玉汇刘震姚攀锋白江平甘肃农业大学农学院甘肃兰州730070 甘肃农业大学省部共建干旱生境作物学国家重点实验室甘肃兰州730070

【目的】脱落酸(ABA)作为一种“应激激素”在植物生长发育和响应干旱、盐等非生物胁迫过程中发挥重要作用,PYR/PYL/RCARs(以下简称“PYL”)作为ABA受体在多种植物中也被广泛研究。基于对马铃薯StPYL5基因生物信息学及表达模式分析,并通... 详细信息

【目的】脱落酸(ABA)作为一种“应激激素”在植物生长发育和响应干旱、盐等非生物胁迫过程中发挥重要作用,PYR/PYL/RCARs(以下简称“PYL”)作为ABA受体在多种植物中也被广泛研究。基于对马铃薯StPYL5基因生物信息学及表达模式分析,并通过对其启动子活性鉴定,为进一步揭示马铃薯StPYL5功能及抗逆育种提供依据。【方法】根据转录组数据克隆得到StPYL5基因,通过DNAMAN、MEGA等软件分析了StPYL5的分子特征;通过qPCR检测了StPYL5基因的组织特异性及其对非生物胁迫的响应;利用PlantCARE网站对StPYL5基因启动子进行了分析,并通过瞬时转化烟草对其活性进行了鉴定。【结果】StPYL5基因全长534 bp,共编码177个氨基酸,蛋白质分子量20.19 ku,理论等电点(pI)为5.97。系统进化分析显示,StPYL5与SpPYL9-like亲缘关系较近。组织特异性分析结果显示,青薯9号(QS9)中StPYL5在根和叶中表达量较高,其次分别是茎和花,在块茎中表达量较低。不同胁迫下StPYL5表达量分析表明,青薯9号(QS9)中StPYL5在干旱、低温、盐和ABA胁迫下的表达量先升高后降低,且StPYL5的表达受Me JA和SA的诱导。此外,笔者成功克隆得到2 000 bp的StPYL5基因启动子。在烟草中的瞬时转化后的组织化学染色结果表明,StPYL5基因启动子具有成功启动下游GUS报告基因表达的启动子活性。【结论】全面分析了StPYL5基因的分子特征及其在多种非生物胁迫下的表达谱,并成功克隆到具有活性的pStPYL5启动子,该结果为深入研究StPYL5基因的功能以及马铃薯抗逆育种提供依据。

关键词：马铃薯 ABA信号通路 StPYL5 基因克隆非生物胁迫表达分析

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马铃薯ARM基因家族的全基因组鉴定及表达分析

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作物学报 2024年第6期50卷 1451-1466页

作者：刘震陈丽敏李志涛朱金勇王玮璐齐喆颖姚攀锋毕真真孙超白江平刘玉汇甘肃农业大学省部共建干旱生境作物学国家重点实验室甘肃兰州730070 甘肃农业大学农学院甘肃兰州730070 甘肃省教育厅甘肃兰州730030

ARM蛋白重复序列(Armadillo repeats)广泛存在于高等植物中,它们参与多种细胞过程,如信号转导、核转运以及对多种生物/非生物胁迫的响应。本研究在马铃薯(Solanum tuberosum L.)全基因组水平下鉴定出了54个马铃薯ARM基因家族成员(StARM... 详细信息

ARM蛋白重复序列(Armadillo repeats)广泛存在于高等植物中,它们参与多种细胞过程,如信号转导、核转运以及对多种生物/非生物胁迫的响应。本研究在马铃薯(Solanum tuberosum L.)全基因组水平下鉴定出了54个马铃薯ARM基因家族成员(StARMs),它们不均匀的分布在12条染色体上。根据其蛋白结构和系统发育特征,将54个StARMs分为3个亚家族。片段重复事件在马铃薯ARM基因家族的扩展中起主要作用。共线性分析发现,StARMs与番茄(Solanum lycopersicum)、拟南芥(Arabidopsis)、甘蓝(Brassica oleracea)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)分别有51对、17对、25对、6对和10对直系同源基因,这些基因均在纯化选择下进化。RNA-seq数据分析发现,4个StARM基因在匍匐茎中特异表达,2个StARM基因在根和心皮中特异表达,1个StARM基因在块茎中特异表,还有一些StARM基因参与了马铃薯对生物/非生物胁迫的响应。此外,本研究对3个不同颜色马铃薯块茎组织(薯皮和薯肉)进行了RNA-seq测序,分析了54个StARMs在不同颜色马铃薯块茎组织中的表达模式,并利用qPCR分析了StARMs在3个不同颜色块茎杂交子代薯肉中的相对表达量,筛选出了4个可能参与马铃薯块茎花色素苷生物合成的候选基因。本研究为进一步了解StARM基因家族的特征,深入分析StARM基因在马铃薯抵御生物/非生物胁迫和调控块茎花色素苷生物合成中的功能提供了理论依据。

关键词：马铃薯 ARM基因家族生物/非生物胁迫花色素苷生物合成表达分析

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耐亚磷酸盐马铃薯的筛选与评价

植物学报 2024年第4期59卷 544-557页

作者：张锋 Richard Dormatey 刘寅笃李成举王云姣张春利张莹范又方姚攀锋毕真真刘玉汇白江平孙超甘肃农业大学农学院/干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室兰州730070

磷是植物生长发育不可或缺的营养元素之一,正磷酸盐(P)在土壤中含量丰富,但由于土壤的固定作用,其中能被植物吸收利用的有效磷含量并不高,提高植物对土壤磷的吸收利用能力,或优化磷肥施用,已成为亟待解决的问题。土壤中亚磷酸盐(PH)的... 详细信息

磷是植物生长发育不可或缺的营养元素之一,正磷酸盐(P)在土壤中含量丰富,但由于土壤的固定作用,其中能被植物吸收利用的有效磷含量并不高,提高植物对土壤磷的吸收利用能力,或优化磷肥施用,已成为亟待解决的问题。土壤中亚磷酸盐(PH)的含量仅次于正磷酸盐,其具有更高的溶解度,可在植物木质部与韧皮部之间进行双向运输,不易被土壤固定,但亚磷酸盐作为磷肥替代正磷酸盐和选育耐亚磷酸盐作物品种的研究鲜有报道。基于此,该研究选取5份引进的马铃薯(Solanum tuberosum)品种和1个商业品种青薯9号(QS9)为实验材料,经驯化炼苗后直接栽入试验田,设置正常磷肥处理和亚磷酸盐替代处理,测定不同品种的表型、光合作用效率和干物质等指标,以各单项耐亚磷酸盐系数(PTC)为衡量依据,利用主成分分析等方法对不同马铃薯品种的PH耐性进行综合评价。结果表明,6个马铃薯品种可分为高度耐亚磷酸盐型(C115和D13)、弱耐亚磷酸盐型(C20、C31和QS9)和亚磷酸盐敏感型(C80)3类。该研究评价了不同马铃薯品种对亚磷酸盐的耐受性,旨在为马铃薯耐亚磷酸盐品种选育和亚磷酸盐新型肥料开发提供科学依据。

关键词：马铃薯耐亚磷酸盐系数主成分分析隶属函数分析聚类分析综合评价

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耐低钾马铃薯品种的筛选与评价

植物学报 2024年第1期59卷 75-88页

作者：刘寅笃脱军康李成举张锋张春利张莹王云姣范又方姚攀锋孙超刘玉汇刘震毕真真白江平甘肃农业大学农学院/干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室兰州730070

土壤缺钾严重降低了我国马铃薯(Solanum tuberosum)的产量。而不同品种马铃薯对低钾的响应差异较大。因此,采用耐低钾马铃薯品种可通过提高钾素利用效率减少钾肥施用量,成为我国农业可持续发展和绿色发展的重要途径。该研究对30个马铃... 详细信息

土壤缺钾严重降低了我国马铃薯(Solanum tuberosum)的产量。而不同品种马铃薯对低钾的响应差异较大。因此,采用耐低钾马铃薯品种可通过提高钾素利用效率减少钾肥施用量,成为我国农业可持续发展和绿色发展的重要途径。该研究对30个马铃薯品种在正常钾处理(202.5 kg·hm^(-2)K_(2)O)和低钾处理(0 kg·hm^(-2)K_(2)O)下的17个指标进行测定,并对9个代表性指标,包括叶面积指数、根冠比、茎叶干质量、根干质量、单株产量、单株大薯产量、单株小薯产量、块茎干质量和块茎钾积累量进行后续分析。结果表明,在低钾条件下,各项指标均有不同程度的下降。主成分分析表明,这9个指标可转换为4个独立的综合指标,累计贡献率达87.1%。根据综合评价值(D值)和聚类分析,将30个品种分为6类,其中第1类为高度耐低钾品种,包括Lucinda、Favorita、Kexin1、Xisen6、Xingjia2、Helan15和Chuanyin2,第2类为中度耐低钾品种,包括Longshu20、Dingshu3、Jizhang12(W)、Jiuen1、Longshu19和Jizhang12(Y)。此外还建立了耐低钾性评价回归模型Y=–0.595+0.247X_(5)+0.155X_(4)+0.138X_3+0.167X_8+0.088X_(1)+0.081X_(6)+0.097X_9+0.053X_(2)(R^(2)=0.999,P=0.000),利用回归方程对30个品种的估计精度均在90%以上。在低钾条件下,可利用单株产量、根干质量、茎叶干质量、块茎干质量、叶面积指数、单株大薯产量、块茎钾积累量和根冠比快速鉴定耐低钾马铃薯品种。

关键词：马铃薯低钾综合评价品种筛选绿色农业

松材线虫lin-39基因的表达特性与功能验证研究

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松材线虫lin-39基因的表达特性与功能验证研究

作者：毕真真浙江农林大学

学位级别：硕士

松材线虫病是一种由松材线虫引起的林业毁灭性病害,在我国多个省市严重发生,造成了巨大经济损失。迄今为止,国内外对松材线虫病开展了大量的研究,但针对松材线虫本身的基础性研究相对薄弱。HOX基因是一类进化保守的发育调控基因家族,在... 详细信息

松材线虫病是一种由松材线虫引起的林业毁灭性病害,在我国多个省市严重发生,造成了巨大经济损失。迄今为止,国内外对松材线虫病开展了大量的研究,但针对松材线虫本身的基础性研究相对薄弱。HOX基因是一类进化保守的发育调控基因家族,在动物的胚胎发育和器官形成过程中具有重要的轴向调控作用。lin-39基因是松材线虫HOX基因家族的五个成员之一,研究松材线虫lin-39基因的表达特性和调控功能,有助于揭示松材线虫的个体发育调控机制,为进一步探索特异性的松材线虫病防控措施提供基础。为此,本研究对松材线虫lin-39基因的表达调控开展了系统研究,应用生物信息学分析该基因启动子保守的结构域motifs,预测编码区蛋白功能结构域,构建lin-39基因在多种生物之间的进化树;应用mRNA原位杂交和转基因荧光标记技术分析其时空表达特性,实时定量PCR展示其在个体发育的动态表达;采用RNAi技术及行为学测定,进一步验证该基因在松材线虫个体发育中的调控功能。研究结果如下:1、启动子分析结果表明,松材线虫与秀丽隐杆线虫共享3个保守且排列顺序相同的motifs,显示lin-39基因在线虫个体发育过程中调控机制的保守性。蛋白结构预测结果显示,lin-39是含有保守同源结构域的转录因子,进一步通过蛋白序列比对,发现即使在线虫分支内部,保守区域也仅限于同源结构域,表明高度保守的HOX基因在不同线虫种类之间也存在较大的差异;进化树分析结果表明,lin-39基因能够很好地反应线虫内部不同种类之间的亲缘关系。2、应用mRNA原位杂交技术,明确了lin-39基因在松材线虫的不同发育时期和不同性别个体上的时空动态表达,即胚胎期的表达部位为身体的中前部,J3期的表达部位为身体中后部,成虫期在雌虫阴户和雄虫交合刺尖端表达,但J2和J4期均未见其表达。3、首次采用转基因显微注射技术分析了松材线虫lin-39在秀丽隐杆线虫中的表达特性研究。应用in-fusion克隆技术,将松材线虫lin-39的启动子区域或全长区域包括启动子、内含子和外显子插入到m Cherry报告基因上游,构建表达载体,再将上述表达载体注射到秀丽隐杆线虫的性腺,观察其在蛋白水平上的动态表达,并与mRNA水平的原位杂交结果进行比较,进一步确认了松材线虫lin-39的动态表达特性。4、通过荧光实时定量PCR技术分析了lin-39基因在松材线虫不同发育时期的动态表达,发现lin-39基因在松材线虫胚胎期的表达量较高,其次是幼虫期,成虫期的表达量相对较低,不同发育阶段的表达差异达显著水平。这表明lin-39基因对松材线虫早期胚胎发育的躯体定位和轴向发育具有重要的调控作用,并在胚胎期和幼虫期完成对晚期器官(如阴户等)发育的调控作用。5、采用RNAi干扰技术,明确了lin-39基因对松材线虫不同发育时期的调控作用。在胚胎期,lin-39基因被干扰之后会引起胚胎畸形,卵的孵化率明显下降,只有±2.5%,显著低于对照±95%的孵化率;在J2早期,lin-39基因被干扰之后会导致雌虫阴户发育明显滞后;在J3期和J4期,均未见显著表型差异。行为学测定结果表明,在J2早期和J4期,lin-39基因被干扰之后会导致松材线虫交配时间缩短,交配次数增加,但产卵量和卵孵化率均无明显变化。

关键词：松材线虫 lin-39基因 RNA干扰转基因表达调控

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水稻OsL-LecRK7基因的功能研究

水稻OsL-LecRK7基因的功能研究

作者：毕真真河南师范大学

学位级别：硕士

植物中的类受体激酶(receptor-like kinases, RLKs)是一种几乎参与植物所有发育过程的蛋白，如雄性不育、花粉发育、自交不亲和、抗病、抗逆等。而凝集素类受体激酶(lectin receptor-like kinases, lecRLKs)是类受体激酶家族中的一个亚... 详细信息

植物中的类受体激酶(receptor-like kinases, RLKs)是一种几乎参与植物所有发育过程的蛋白，如雄性不育、花粉发育、自交不亲和、抗病、抗逆等。而凝集素类受体激酶(lectin receptor-like kinases, lecRLKs)是类受体激酶家族中的一个亚家族，由N端的凝集素结构域、C端的激酶结构域以及跨膜区组成。通过N端收集来自胞外的各种信号，并将信号传递到胞内C端的激酶结构域，来行使各种各样的功能。基于本实验室前期的水稻花粉转录组工作，发现一个可能参与花粉发育的凝集素样受体激酶(lectin-like receptor kinase)基因--OsL-LecRK7，通过对其编码的蛋白质功能结构域分析发现，其包含一个豆科样植物凝集素结构域，属于L-LecRLKs (Legume-likelectin receptor kinases)亚家族。为了揭示该基因在水稻花粉发育中的作用，本研究分别对野生型Dongjin和该基因的突变体型osl-lecrk7分别进行了研究。半定量RT-PCR分析显示，OsL-LecRK7是一个组成型表达的基因，但是在花粉发育阶段，随着花粉的发育，其表达量从单核期花粉到三核期花粉不断积累。说明OsL-LecRK7的表达受花粉发育的调控。通过构建该基因融合GFP的过表达载体稳定转化水稻愈伤组织，发现该基因编码的蛋白定位于细胞膜，与该基因所属的受体激酶家族的蛋白结构域特征相一致。在对osl-lecrk7突变体的研究中发现，该突变体表现出结实率显著降低的表型。并且由于T-DNA的插入，导致该基因沉默，在mRNA水平无表达。对osl-lecrk7突变体遗传学分析发现，osl-lecrk7突变体为孢子体遗传，由隐性单基因控制，可能通过参与孢子体周围组织的发育而影响花粉的发育。为了探究osl-lecrk7突变体在哪些方面影响花粉的发育，对osl-lecrk7突变体的花粉、花药等进行了一系列细胞学观察。花粉Alexander染色观察显示，该突变体花粉活性无异常但是花粉出现明显的粘连。与野生型正反交实验证明该突变体在雌雄配子体活性、柱头与花粉的识别等方面均无异常。散粉后柱头上花粉量以及花药散粉情况等观察、统计发现，散粉后的osl-lecrk7突变体柱头上花粉量极少并且散粉后的花药内仍残留大量的花粉。我们同时做了人工抖穗增加散粉的处理组，其柱头上花粉量显著增加，花药的散粉也得到显著改善，最终结实率也显著提高。因此osl-lecrk7突变体可能是通过引起花粉粘连而影响花粉的正常散出，进而导致结实率明显降低。构建了amiRNA载体以及互补载体，观察amiRNA植株是否能产生和osl-lecrk7突变体相似的表型;而互补植株的表型能否得到恢复，来进一步确定该基因的表型及功能。本研究为进一步研究OsL-LecRK7基因在水稻花粉发育中的作用奠定了基础，OsL-LecRK7基因可能参与花粉壁或绒毡层的发育，为以后深入的研究指明了方向，为研究水稻花粉发育提供了新的线索。

关键词：水稻凝集素类受体激酶花粉粘连散粉