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谷子苗期氮高效转录组分析与基因挖掘

中国农业科技导报 2024年第10期26卷 41-57页

作者：夏雪岩崔纪菡黄玫红郭帅刘猛赵宇鲁一薇赵文庆王京新李顺国河北省农林科学院谷子研究所国家谷子改良中心农业农村部特色杂粮遗传改良与利用重点实验室(部省共建)河北省杂粮重点实验室石家庄050035

氮利用效率是影响谷子产量和品质的重要因素。筛选氮高效谷子品种、挖掘控制氮利用效率的重要基因及解析其作用机制对于提高谷子氮利用效率、减少肥料使用、保护环境和保障粮食安全具有重要意义。通过比较氮高效和氮低效谷子品种在不同... 详细信息

氮利用效率是影响谷子产量和品质的重要因素。筛选氮高效谷子品种、挖掘控制氮利用效率的重要基因及解析其作用机制对于提高谷子氮利用效率、减少肥料使用、保护环境和保障粮食安全具有重要意义。通过比较氮高效和氮低效谷子品种在不同氮水平条件下表型性状和氮吸收能力发现,氮高效品种比低效品种具有较高的铵态氮和硝态氮吸收能力。设置3个氮素水平(0、3和6 mmol·L^(-1)),在谷苗两叶一心期处理7 d后,运用转录组测序(RNA-seq)技术比较不同品种在各个处理之间的差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)。结果表明,以0 mmol·L^(-1)氮处理为对照,共获得16000个DEGs。通过GO和KEGG富集分析发现,氨基酸合成与代谢、防御相关代谢、乙醛酸和二羧酸代谢、光合生物的碳固定、丙酮酸代谢、卟啉与叶绿素代谢、MAPK信号通路-植物、氨基糖和核苷酸糖代谢在调控氮代谢生物反应过程中发挥重要作用。并预测到3348个转录因子,分属46个家族,其中预测转录因子数量最多的是MYB-related家族(189个),其次为bHLH家族(182个)、WRKY家族(158个)、MYB家族(156个)和HB-other家族(153个)。通过WGCNA分析筛选出KME值排名前30位的基因,其中有7个基因被注释到基因信息。RT-qPCR结果显示,Seita.9G488700、Seita.2G368800和Seita.5G063300表达趋势与RNA-seq结果一致,主要调控糖转运蛋白和碳水化合物运输与代谢过程。说明氨基酸合成与代谢、光合生物的碳固定、乙醛酸和二羧酸代谢途径等信号通路在谷子氮高效利用方面发挥重要作用。研究结果筛选到3个与氮高效利用相关的基因,完善了谷子氮高效基因组注释信息,为氮高效基因资源的挖掘利用提供理论指导。

关键词：谷子氮高效转录组学氮高效基因

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水稻氮高效相关基因的研究进展

中国农业科学 2022年第8期55卷 1479-1491页

作者：桑世飞曹梦雨王亚男王君怡孙晓涵张文玲姬生栋河南师范大学生命科学学院河南省作物遗传改良与种质创新工程研究中心河南省种子管理站

提高氮肥利用率，降低农业生产中的氮肥投入，对实现中国提出的“化肥零增长”目标至关重要。氮素可通过植物根部以硝态氮或者铵态氮的形式从土壤中被吸收，并在植物体内转运合成氨基酸、核苷酸等生命必需物质，是农作物生长和产量形成... 详细信息

提高氮肥利用率，降低农业生产中的氮肥投入，对实现中国提出的“化肥零增长”目标至关重要。氮素可通过植物根部以硝态氮或者铵态氮的形式从土壤中被吸收，并在植物体内转运合成氨基酸、核苷酸等生命必需物质，是农作物生长和产量形成的必要性元素。然而，氮肥过量则会破坏土壤理化性质，导致土壤盐碱化、生态环境污染；减少氮肥用量难以发挥当前水稻、小麦等大田农作物品种的高产潜力，极大地制约了农作物的产量，同时也会过度消耗土壤中的氮素，威胁中国的粮食安全。为提高氮肥利用效率，确保粮食安全，挖掘氮高效基因（如NRT1.1B、OsGRF4等），通过分子设计育种对当前现有品种进行遗传改良，有助于培育高效利用氮素的水稻新品系，挖掘当前水稻品种的生产潜力，提升中国农业可持续绿色发展水平。本文基于目前水稻研究中挖掘的氮高效基因，根据其功能和特点将其分为四类：NRT/PTR类、AMT类（铵转运蛋白家族）、NLP家族类及其他种类；并对具有潜在育种价值的氮高效基因的利用及当前存在的问题进行分析与展望。

关键词：氮水稻氮肥氮高效基因

甘薯苗期氮高效利用性状的GWAS分析及候选基因的筛选与验证

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中国农业科学 2023年第18期56卷 3500-3514页

作者：于永超范文静刘明张强强赵鹏靳容王静朱晓亚唐忠厚江苏徐淮地区徐州农业科学研究所/江苏徐州甘薯研究中心/农业农村部甘薯生物学与遗传育种重点实验室

【目的】解析甘薯氮高效利用的遗传机制，挖掘氮利用性状的关联位点及氮高效候选基因，为甘薯氮高效型分子育种、品种遗传改良提供支持。【方法】以来自世界各地的129个甘薯栽培种为材料，设置缺氮(0 mmol·L-1纯氮)和正常氮(14 mmol·... 详细信息

【目的】解析甘薯氮高效利用的遗传机制，挖掘氮利用性状的关联位点及氮高效候选基因，为甘薯氮高效型分子育种、品种遗传改良提供支持。【方法】以来自世界各地的129个甘薯栽培种为材料，设置缺氮(0 mmol·L-1纯氮)和正常氮(14 mmol·L-1纯氮)处理，采用水培试验对甘薯苗期地上部生物增加量、地下部生物增加量、地上部氮累积量、地下部氮累积量、地上部氮生理利用效率和地下部氮生理利用效率共6个表型性状进行基于混合线性模型(mixed linear model,MLM)的全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)。根据分析结果确定氮高效候选基因，并对候选基因进行RT-q PCR验证。【结果】6个甘薯苗期氮高效利用性状在正常氮和缺氮处理条件下存在着广泛变异。其中，缺氮处理条件下，地上部生物增加量变异系数最大，为69.5%；地下部氮生理利用效率变异系数最小，为12.1%。除地下部氮生理利用效率外，其他5个性状彼此均显著相关。GWAS定位到与地上部生物增加量、地下部生物增加量、地下部氮累积量和地上部氮生理利用效率4个性状显著关联的134个区段内888个SNP位点。筛选、过滤得到与地上部氮生理利用效率显著关联且可靠性较高的10个区段内的93个SNP标记，基因注释得到6个甘薯氮高效候选基因。RT-q PCR验证认为3个候选基因(itf01g08120.t1、itf01g22030.t1和itf01g22100.t2)分别编码谷氨酸脱氢酶、NPH3蛋白和TIP41-like蛋白，具有进一步研究价值。【结论】在129份甘薯种质资源中共检测到888个与甘薯苗期氮高效利用性状关联的SNP位点，其中，与地上部氮生理利用效率显著相关的SNP位点93个，筛选、鉴定到6个甘薯氮高效利用的候选基因。itf01g08120.t1、itf01g22030.t1和itf01g22100.t2存在进一步研究价值。

关键词：甘薯氮肥利用效率氮高效基因全基因组关联分析 RT-qPCR

苗期甘薯耐低氮基因型筛选及氮高效候选基因关联分析

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苗期甘薯耐低氮基因型筛选及氮高效候选基因关联分析

作者：范文静安徽农业大学

学位级别：硕士

氮肥的高施用量、低效益现状对环境和生产都产生了重要影响,如何平衡作物经济效益和生态效益成为现代农业响应绿色发展的难题,因此,提高作物氮素利用效率和产量的同时保护环境成为当下氮养分研究的热门。甘薯是全球第七大粮食作物,高产... 详细信息

氮肥的高施用量、低效益现状对环境和生产都产生了重要影响,如何平衡作物经济效益和生态效益成为现代农业响应绿色发展的难题,因此,提高作物氮素利用效率和产量的同时保护环境成为当下氮养分研究的热门。甘薯是全球第七大粮食作物,高产稳产,有很高的营养价值。作为块根类营养作物,氮肥环境在其生育期内对光合产物的平衡分配有重要影响,氮肥施用量和利用效率也影响植株形态建成和块根生长发育、产量、生理性状等。在减少施氮量的同时提高氮肥利用效率、维持产量对于甘薯高效生产、减少资源消耗、保护生态环境具有重要意义。提高甘薯氮肥利用率的方法包括选用耐低氮甘薯基因型,挖掘氮高效候选基因以指导分子育种。目前,关于甘薯耐低氮品种筛选研究相对较少,并且因其基因组的复杂性,氮高效基因的挖掘与鉴定工作仍处于起步阶段,缺乏可用于指导甘薯分子辅助育种的相关氮高效基因的研究。基于此,本试验利用江苏徐州甘薯研究中心“国家甘薯种质资源库”收集和保存的129个甘薯材料,设置两个氮处理水平(0 mmol/L和14 mmol/L纯氮)进行水培试验,通过调查地上干重、地上干物质增加量、地下干物质增加量、总干物质增加率、根冠比、蔓长、根长、叶数、叶绿素相对含量、氮积累量和氮素生理利用效率等11个农艺性状值,基于统计学原理,筛选耐低氮甘薯品种;根据129个甘薯品种的重测序基因组数据对氮吸收利用相关的18个指标进行GWAS分析,确定候选基因筛选范围,对候选基因进行功能注释推测氮高效候选基因。主要研究结果如下:1.基于11个性状耐低氮指数的主成分分析、相关性分析和回归分析建立了甘薯苗期耐低氮能力评价体系,指标包括:地上部干物质增加量、地下部干物质增加量、地上干重、叶数、蔓长、根长、氮积累量、氮素生理利用效率;2.利用耐低氮能力评价体系中的8个农艺指标进行聚类分析,将其中126个甘薯品种分成7个耐低氮型、12个中间型和107个不耐低氮型,耐低氮型甘薯品种包括:渝紫3号、渝紫6号、浙紫薯2号、13104-2/紫薯1号、渝紫香10号、漯紫薯1号和宜宾红心薯;心香、徐紫薯3号、济紫薯3号和红尾薯等属于不耐低氮型;3.3个不同耐低氮能力的甘薯品种类型关于各农艺性状耐低氮指数的方差分析表明,低氮胁迫时,耐低氮基因型品种各性状表现好于中间型和不耐低氮型,且耐低氮能力强的类型甘薯生理利用效率显著高于不耐低氮型,地下部生物增加量、地上部生物增加量和地上干重对品种耐低氮能力差异影响重要;4.基于trifida参考基因组,利用MLM模型和分子标记进行129个品种的全基因组扫描,关联到与地上部生物增加量、地下部生物增加量、地下部氮积累量和地上部氮生理利用效率4个性状相关共134个QTL区段和888个SNP标记。根据在多性状中稳定表达和曼哈顿图,从地上部氮利用效率性状中筛选可靠性较高的10个QTL及其置信区间内的93个SNP候选位点;5.将筛选的SNP位点上下游物理位置扩增10kb作为候选基因筛选区域,在trifida参考基因组库中功能注释,得到了92个候选基因。基于功能注释预测了6个氮高效利用相关的候选基因,itf01g08120.t1、itf01g22030.t1、itf01g22080.t2、itf01g22100.t2、itf01g22400.t1以及itf01g25900.t1。重点关注酶调节基因itf01g08120.t1和itf01g22400.t1,分别编码谷氨酸脱氢酶和亚硝酸还原酶,二者属于铵同化过程中的代谢调控酶。itf01g22030.t1和itf01g25900.t1推测与植物激素信号传导过程中的上下游氮代谢相关基因级联,为转录调节基因。itf01g22080.t2和itf01g22100.t2编码结构蛋白。综上所述,通过筛选耐低氮品种,发挥品种自身特性以适应不同肥力土壤栽植,改善甘薯氮利用效率低,光合产物分配不合理现状;甘薯基因组测序工作的完成,为其氮高效候选基因挖掘提供了便利,氮高效候选基因的预测从分子育种方面为甘薯遗传改良提供参考。

关键词：甘薯氮利用效率品种筛选全基因组关联分析氮高效基因

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水稻氮高效利用的研究进展

江西农业学报 2021年第12期33卷 34-41页

作者：唐海浪程在全钟巧芳罗琼云南农业大学植物保护学院云南昆明650201 云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所/云南省农业生物技术重点实验室/农业部西南作物基因资源与种质创制重点实验室云南昆明650205

氮肥在我国水稻种植中投入量巨大,但氮肥利用效率却远低于世界平均水平。这不仅消耗高额的成本,而且破坏生态。因此,选育氮高效水稻具有重要意义。主要针对高效氮水稻的氮素吸收利用效率、生理机制、提高水稻氮高效吸收的方法及水稻氮... 详细信息

氮肥在我国水稻种植中投入量巨大,但氮肥利用效率却远低于世界平均水平。这不仅消耗高额的成本,而且破坏生态。因此,选育氮高效水稻具有重要意义。主要针对高效氮水稻的氮素吸收利用效率、生理机制、提高水稻氮高效吸收的方法及水稻氮高效基因的挖掘等方面进行了综述,以期为今后更好地开展氮高效水稻农业育种研究工作提供科学依据。

关键词：水稻氮素吸收利用效率生理机制氮高效基因

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水稻氮素吸收利用研究进展

黑龙江粮食 2022年第9期 40-42页

作者：黄旭民扬州大学江苏扬州225009

在水稻生长发育过程中,氮肥的施用对其产量的提升有着非常重要的作用。然而随着氮肥的过量施用,不仅会造成大部分氮流失,还会导致严重的环境污染。因此,提高水稻的氮素吸收效率十分重要。本文阐述了水稻氮高效的研究进展,从外界环境影... 详细信息

在水稻生长发育过程中,氮肥的施用对其产量的提升有着非常重要的作用。然而随着氮肥的过量施用,不仅会造成大部分氮流失,还会导致严重的环境污染。因此,提高水稻的氮素吸收效率十分重要。本文阐述了水稻氮高效的研究进展,从外界环境影响、水稻高氮材料形态特征、氮吸收特点、氮同化效应,以及水稻氮高效基因的挖掘等方面进行综述,以期为高氮品种的选育提供借鉴。

关键词：水稻产量氮素吸收氮高效基因