为解析小麦低温胁迫应答机制并挖掘优异抗寒基因资源,通过转录组测序揭示小麦低温响应的关键调控网络,并对候选基因TaGGCT18-6A进行功能验证。结果表明,4 ℃冷处理诱导小麦幼苗分别产生10 893个(6 h处理)和18 784个(24 h处理)差异表达基因,KEGG富集分析显示,差异基因显著富集于MAPK信号转导及谷胱甘肽代谢等通路。基于谷胱甘肽代谢途径关键基因筛选,克隆获得γ-谷氨酰环转移酶基因TaGGCT18-6A。该基因全长1 772 bp,编码218个氨基酸,其编码蛋白具有典型的GGCT-like超家族结构域及核心结构域ChaC。启动子顺式作用元件分析表明,该基因含低温响应元件(LTR)及脱水响应元件(DRE)等胁迫相关元件;表达模式分析发现,TaGGCT18-6A在4 ℃冷处理下呈持续上调趋势。转基因水稻功能验证表明,过表达株系在-4 ℃低温冻害胁迫下相较野生型对照,OE#1、OE#2和OE#3存活率与生物量显著提高,OE#1和OE#2的株高显著提高,OE#1、OE#2和OE#3相对电导率显著降低。经4 ℃冷处理后,过表达株系渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖)积累量较对照显著增加,丙二醛含量降低;SOD、POD和CAT活性显著上升。以上研究表明,TaGGCT18-6A通过调控谷胱甘肽代谢增强抗氧化能力,进而提高植物低温耐受性,为小麦抗寒分子育种提供理论依据和优异基因资源。

为系统解析WRKY转录因子家族成员在小麦生长发育调控及非生物胁迫应答中的作用,研究了TaWRKY基因在干旱、高盐、低温等逆境条件下的表达模式特征。以普通小麦品种中国春为材料,通过分子克隆技术获得TaWRKY70基因,其编码区全长885 bp,编码294个氨基酸的不稳定亲水性蛋白。生物信息学分析表明,该蛋白具有典型的WRKYGQK保守结构域及C₂HC型锌指结构,符合第Ⅲ类WRKY转录因子的分类特征。通过启动子顺式作用元件分析发现,TaWRKY70启动子区域存在参与茉莉酸甲酯响应、脱落酸响应、乙烯响应等调控元件。基因共表达分析表明,TaWRKY70与小麦对激素响应、对微生物的防御反应、对寒冷等非生物胁迫的应答等多个抗逆过程相关。系统进化树分析表明,TaWRKY70蛋白与大麦、玉米、高粱和谷子等禾本科作物的WRKY70亲缘关系较近。亚细胞定位结果证明,TaWRKY70定位于细胞核,符合转录因子特征。通过表达模式分析发现,TaWRKY70在小麦根、茎、叶、幼穗和籽粒中均有表达,并且在根和叶中表达较高。在非生物胁迫下,TaWRKY70在脱落酸和低温处理下表达下调,在水杨酸、NaCl、PEG6000和高温处理下表达上调。综上,通过克隆小麦TaWRKY70基因并分析其表达模式,为下一步解析TaWRKY70参与小麦抗逆的分子机制提供了基础。

探究马铃薯基因StEXLB1a的表达模式和功能,为后续马铃薯病害的抗性研究提供理论依据。在东北农业大学植物资源与分子生物学实验室前期研究基础上,以马铃薯大西洋品种为材料,克隆了StEXLB1a基因并对其进行了生物信息学、表达模式和抗病功能初步分析。结果表明:StEXLB1a基因cDNA全长序列768 bp,编码255个氨基酸,注释显示其属于扩展蛋白家族基因。亚细胞定位显示,该蛋白定位于细胞壁上。在马铃薯不同组织中,StEXLB1a基因在叶中表达量最高,根和地上茎其次,在花和块茎中最低。在激素(吲哚乙酸、赤霉素、脱落酸)、逆境(高温、低温、盐、干旱)和真菌病害干腐病(燕麦镰孢菌)、细菌病害软腐病(胡萝卜软腐欧文氏菌)及青枯病(茄科雷尔氏菌)等多种胁迫处理下,StEXLB1a基因的表达量在各个处理中均有显著变化。获得过表达转基因马铃薯植株后,接种干腐病致病菌燕麦镰孢菌,转基因比野生型植株叶片受到病菌的侵染严重。过表达植株中的活性氧清除系统相关酶活性发生显著变化,POD、SOD活性受到抑制,MDA含量高于野生型植株,植株受损程度加重。分析结果表明,过表达StEXLB1a的转基因马铃薯植株相较野生型对干腐病的抗病性下降。

为探究马铃薯miR7997家族响应晚疫病原菌侵染的分子机制,以马铃薯Desiree为试验材料,对马铃薯miR7997家族序列特征、靶基因预测、表达模式和Stu-miR7997与靶基因在晚疫病胁迫下的表达特性进行分析。结果表明:马铃薯miR7997家族由3个成员Stu-miR7997a/b/c组成,分布于2条染色体上,成熟体序列高度保守,其中Stu-miR7997a/b成熟体序列完全相同;Stu-miR7997s前体序列均可形成典型的茎环二级结构,最小折叠自由能为-37.00~-49.50 kcal/mol,成熟体均位于前体5'端臂上,Stu-miR7997c在序列长度和功能元件分布上与Stu-miR7997a/b明显不同;启动子分析显示,Stu-miR7997s含光响应、激素响应、转录因子响应及胁迫防御相关元件。靶基因预测结果显示,Stu-miR7997家族共鉴定出19条靶基因,绝大多数靶基因受Stu-miR7997家族共同调控;组织特异性表达测定结果显示,Stu-miR7997s在马铃薯的各组织部位中均有不同程度的表达,Stu-miR7997a/b在茎中表达量最高,Stu-miR7997c在根部表达量最高。晚疫病致病疫霉侵染后,Stu-miR7997家族均显著下调表达,其靶基因转录因子MYB92、NAD(P)H-醌氧化还原酶及果胶裂解酶基因的表达显著上调,Stu-miR7997家族可能通过负调控靶基因表达,间接影响马铃薯的抗病反应,为进一步研究马铃薯miR7997基因家族在马铃薯抗晚疫病中的作用机制提供理论基础。

前期研究发现大麦条纹病菌β-葡萄糖苷酶基因PgβGlu4在侵染阶段高表达,为了深入研究该基因的功能,构建PCE2-EGFP-PgβGlu4的亚细胞定位载体转化水稻原生质体,观察PgβGlu4在水稻组织中的定位;同时构建PgβGlu4基因RNAi载体,利用CaCl₂-PEG4000介导法制备QWC原生质体进行遗传转化;通过检测突变株的营养生长和致病性对PgβGlu4基因功能进行了分析。PgβGlu4与不同病原菌同源蛋白序列的进化树分析显示,PgβGlu4与小麦黄斑叶枯病菌具有较近的亲缘关系;亚细胞定位结果显示,PgβGlu4主要在细胞核与细胞膜中表达;经潮霉素验证得到4株PgβGlu4基因突变体;qRT-PCR分析结果表明,4个RNAi突变株PgβGlu4基因表达量较野生株分别下降了66.31%,68.60%,54.37%,69.89%;突变株菌落直径显著小于野生株,侵染大麦后发病率较野生株侵染组分别降低了56.69,52.76,47.43,53.30百分点;干扰突变株侵染后大麦叶片叶绿素相对含量为30.3~35.0,3个干扰突变株系侵染组大麦显著高于野生组;PgβGlu4基因沉默前后侵染大麦对其株高影响显著。结果表明,PgβGlu4基因参与调控大麦条纹病菌生长发育及其致病性。

小麦优质亚基7^OE在优质小麦培育方面具有重要作用,虽然针对该优质亚基已开发了高通量的KASP标记,但与由SNP开发的KASP标记不同,仍存在无法有效区分纯合与杂合的问题。为明确7^OE亚基是否纯合的问题,以含有7^OE亚基的津强6号(含7^OE+8^*亚基)和不含7^OE亚基的科农199(含7+9亚基)及其杂交后代为材料,把小麦的Waxy-D1基因作为内参基因,利用KASP标记中使用的通用双色荧光,通过定量PCR检测7^OE基因相对内参基因的相对拷贝数来确定7^OE基因是否存在以及是否纯合,并用相关分子标记对检测结果进行验证。结果表明,含7^OE基因的亲本津强6号相对拷贝数最高,不含7^OE基因的亲本科农199相对拷贝数为0,其杂交F₁相对拷贝数居中,3种类型很容易分开。在其F₂分离群体,7^OE基因的相对拷贝数也很容易分为高、中和0 3种类型,对其中检测为7^OE基因纯合与杂合的基因型进一步用9亚基的PCR标记(能同时检测分别与7亚基和7^OE亚基紧密连锁的9亚基和8^*亚基)进行检测,检测结果完全一致。建立的高通量7^OE通用双色荧光定量PCR标记能准确区分7^OE亚基是否存在以及是否纯合,对促进优质亚基7^OE的分子标记辅助选择具有积极作用。

以粳稻品种中花11为背景,构建OsAAP8超表达转基因株系,通过对其农艺性状和品质性状进行检测分析,探究OsAAP8超表达对水稻生长发育和稻米品质的影响,为利用OsAAP8进行优质高产水稻新品种的分子设计育种提供理论依据。结果显示,与转基因阴性对照植株相比,OsAAP8超表达转基因阳性植株的株高显著降低、分蘖数显著减少,单株产量显著降低。品质性状检测结果显示,OsAAP8超表达转基因阳性稻米中谷氨酸含量、苏氨酸含量、必需氨基酸含量、总氨基酸含量、蛋白质含量、直链淀粉含量、胶稠度和糊化温度均显著升高,总淀粉含量和糙米率没有显著变化,游离脂肪酸含量、食味值、精米率和整精米率显著降低。光学显微镜和扫描电镜观察结果显示,OsAAP8超表达转基因阳性稻米的垩白率和垩白度显著升高,垩白面积没有显著变化,淀粉粒的形状和排列方式没有发生明显改变。粒型检测结果显示,OsAAP8超表达转基因阳性稻米的粒长、粒宽和粒厚均未发生显著变化。以上结果表明,OsAAP8超表达不利于水稻生长发育,但能够显著改善稻米的营养品质,这为高品质水稻新品种培育提供重要信息。

TCP家族成员是植物特有的转录因子,在植物生长、代谢活动及逆境应答等关键生物过程中发挥不可或缺的作用。为了解TCP基因家族在花魔芋基因组中的数量、分布和表达等情况,利用生物信息学技术对AkTCP家族基因进行鉴定,分析该家族成员的理化性质、亚细胞定位、共线性、基因结构及进化关系,采用qRT-PCR技术分析响应生物、非生物胁迫的基因表达情况。结果表明,花魔芋全基因组中鉴定出30个TCP家族成员,其蛋白包含135~562个氨基酸残基,分子质量为15.08~57.20 ku,等电点为4.96~11.49,大部分为碱性蛋白,均为不稳定的亲水性蛋白,主要分布在细胞核上,其基因在染色体上不均匀分布。AkTCP共线性基因仅在花魔芋8条染色体中分布,包含4个染色体间共线性事件和5个染色体内共线性事件。AkTCP基因结构较为简单,大部分不含内含子,均含有高度保守的TCP结构域,可分为Class Ⅰ和Class Ⅱ 2个组别,Class Ⅱ又分为CIN和CYC/TB1 2个亚类。启动子顺式作用元件分析结果显示,AkTCP启动子上含有多个生理响应、光响应、植物激素和逆境胁迫响应等元件。qRT-PCR分析结果表明,AkTCP家族成员参与了干旱胁迫、盐胁迫、茉莉酸甲酯和软腐病原菌侵染应答过程并作出积极响应。

为了明晰甘蓝型油菜油脂积累的调控网络,选育高含油量油菜品种。以4个油菜自交系材料开花后25,35,45 d的种子转录组数据为样本,基于转录组和关联分析结合挖掘影响含油量的候选基因。转录组分析检测到1 530个基因在3个不同时期都存在差异表达,其中包括986个上调表达基因和544个下调表达基因。对这些差异表达基因进行GO富集分析,检测到83个油脂合成基因,79个油脂降解基因,21个油脂转运基因和80个转录因子。对差异表达转录因子进一步分析,检测到BnTT8、BnGL2、BnNAC082等基因。结合50份重测序甘蓝型油菜在2 a 3个不同区域的含油量表型,利用全基因组关联分析(GWAS)检测到BnNAC082-A03基因外显子区域的4个SNP与含油量显著关联,并检测到该基因区域存在2个单体型等位基因且BnNAC082-A03_Hap1对应材料的含油量显著高于BnNAC082-A03_Hap2对应材料。利用分析获得的转录组数据构建共表达网络,在子网络中检测到BnNAC082-A03与BnTT8-A09和BnGL2-C06直接相连,形成了影响种子油脂积累的潜在分子调控网络。

为了探究扁蓿豆MrAGL8基因与裂荚性状间的联系。以扁蓿豆为植物材料,利用PCR技术扩增MrAGL8基因并克隆测序,并对该基因进行生物信息学分析、亚细胞定位和不同组织器官的表达分析。结果表明,利用PCR扩增技术克隆获得了长度为711 bp的MrAGL8 cDNA完整编码区。生物信息学分析显示,MrAGL8基因编码236个氨基酸,MrAGL8包含MADS-box和K-box蛋白结构域,预测其蛋白质分子质量为27.39 ku,理论等电点为8.69,带正电氨基酸残基总数为39个,带负电氨基酸残基总数为36个,不稳定系数为48.5。预测蛋白质二级结构包含α-螺旋和β-转角,属于不稳定的亲水碱性蛋白。亚细胞定位分析显示,MrAGL8定位于细胞核中。不同组织器官的表达分析结果显示,MrAGL8在不同组织中的表达量为茎>根>荚果>叶>花,且根和茎与叶、花、荚果的表达量差异显著。结果表明,扁蓿豆MrAGL8基因与荚果开裂相关。

为了明确导致薄皮甜瓜果实香味差异的酯类物质及其关键酶活性和基因的相关性,以薄皮甜瓜DX108和DX3-5果实为试验材料,研究了果实酯类代谢物的差异及羧酸酯酶(CXE)和醇酰基转移酶(AAT)活性和基因表达特性。结果表明:薄皮甜瓜果实中共检测到644种代谢物,其中酯类物质114种;成熟果实中共检测到差异代谢物108种,差异的酯类物质23种;与DX3-5相比,DX108成熟果实中酯类物质种类与含量增加明显,表明酯类物质是薄皮甜瓜成熟果实香气形成差异的关键物质;K-均值聚类分析法发现乙酸异戊酯、乙酸2-甲基丁酯、β-苯乙酸乙酯、乙酸对甲酚酯、乙酸己酯、苯乙酸甲酯、邻氨基苯甲酸甲酯和己酸乙酯是造成2个薄皮甜瓜品种成熟果实香味差异的关键酯类物质。此外,果实AAT和CXE活性变化趋势相反,暗示了AAT和CXE协调影响了酯类物质的代谢;随着果实的发育,AAT和CXE基因家族成员的表达特性存在差异,且相关性分析暗示了CmCXE5、CmCXE6和CmAAT5参与了薄皮甜瓜成熟果实中8种差异酯类物质的代谢。由上可知,8种关键酯类物质合成与积累差异是导致2种薄皮甜瓜成熟果实香味差异的重要原因,且CmCXE5、CmCXE6和CmAAT5可能发挥了主要调节作用。

IQM基因家族是Ca²⁺不依赖型钙调素结合蛋白中的重要成员,在植物生长发育以及多种胁迫反应中发挥着重要作用。为了研究玉米IQM基因家族的特征及潜在功能,采用生物信息学的方法在玉米全基因组中鉴定IQM基因,并对其蛋白性质、系统进化关系、基因结构、染色体位置、基因复制、顺式作用元件、组织特异性表达和多种胁迫下表达模式进行研究。结果表明,在玉米全基因组中共鉴定出11个ZmIQMs基因,根据其在染色体上的位置,将其命名为ZmIQM1~ZmIQM11。ZmIQMs基因分为3个亚家族,亚家族内部基因结构具有相似性,片段复制在玉米IQM基因家族扩增和进化中发挥主要作用。顺式作用元件分析发现,ZmIQMs基因启动子区含有多个与激素和胁迫响应相关的元件。对ZmIQMs基因的表达模式进行研究,发现ZmIQMs基因在不同组织中的表达模式不同,在不同非生物和生物胁迫下,多个ZmIQMs基因表达量发生变化。qRT-PCR结果显示,在干旱胁迫下,ZmIQM3、ZmIQM4和ZmIQM10上调表达;ZmIQM3、ZmIQM4、ZmIQM5、ZmIQM10和ZmIQM11响应小斑病病原菌的侵染。以上结果表明,ZmIQMs基因在胁迫响应中发挥着重要作用。

STAT蛋白是一类在信号传导和基因转录激活方面具有重要作用的转录因子。在植物中STAT基因的表达与高温等非生物胁迫相关。为了研究玉米STAT基因是否参与响应高温胁迫,以耐高温胁迫的Zheng 58和对高温敏感的PH6WC玉米自交系为材料,选取高温和常温2个条件下生长的植株根、茎、叶、花粉和花丝5个部位的组织进行转录组测序。基于测序数据,对玉米STAT基因结构、编码蛋白的理化性质及其在不同玉米材料、不同温度条件下的组织表达模式进行分析。结果表明,在玉米中鉴定到2个STAT基因Zm-STAT1和Zm-STAT2,其中,Zm-STAT1编码的蛋白是疏水蛋白,而Zm-STAT2编码的蛋白是亲水蛋白,它们都具有多个功能位点和磷酸化修饰位点。进一步表达分析发现,以常温为对照,在高温条件下,Zm-STAT1基因在PH6WC的根中、Zm-STAT1基因在Zheng 58的花粉和花丝中表现为上调表达,而Zm-STAT1基因在PH6WC的茎和叶中、Zm-STAT2基因在PH6WC的叶中则表现为下调表达。在2个温度条件下,Zm-STAT2在5个组织中的表达量均显著高于Zm-STAT1,且ZmSTAT2在耐高温胁迫材料Zheng 58的根、茎、花粉和花丝中均受高温诱导,暗示Zm-STAT2基因参与了玉米高温胁迫响应。

小麦赤霉病是严重威胁小麦安全生产的真菌性病害,利用分子标记辅助选择聚合抗病基因已成为当前抗赤霉病育种的快速有效策略。为建立小麦抗赤霉病基因的高通量筛选体系、创制抗赤霉病新种质并提升四川小麦赤霉病抗性,利用100K SNP芯片对14个四川小麦品种(系)和3个抗赤霉病种质进行全基因组基因型分析。基于已报道的主效抗赤霉病基因Fhb2、Fhb4、Fhb5的遗传连锁区间,筛选获得与目标基因连锁(Fhb2、Fhb4)或共分离(Fhb5)的SNP位点,并据此开发特异性KASP标记。结果显示,基于100K SNP芯片,17份小麦品种(系)按遗传相似性可以划分为两大类:含有北方小麦遗传背景的抗病种质NMAS070和NMAS069独立成簇,与四川小麦品种(系)间亲缘关系较远;其余15份品种(系)聚为一类并进一步分为2个亚类。功能基因检测揭示抗病亲本携带赤霉病抗性位点,而农艺亲本则富集产量与品质相关优异等位变异。通过SNP位点筛选,在Fhb2、Fhb4连锁区间及Fhb5共分离区间内共鉴定出8个关键SNP位点,据此成功开发4对Fhb2、2对Fhb4和2对Fhb5的特异性KASP标记。验证试验表明,所有KASP标记均能实现精准分型,并已有效应用于赤霉病抗病分子育种实践。开发的小麦抗赤霉病基因Fhb2、Fhb4、Fhb5高效KASP标记体系为小麦赤霉病抗性改良提供了重要技术支撑,对提升西南麦区小麦品种赤霉病抗性具有重要应用价值。

小麦条锈病是由小麦条锈菌引起的重大病害,严重威胁我国粮食安全。夏孢子是条锈菌繁殖、传播和侵染的关键介质,但其产孢相关基因的调控机制尚不清楚。筛选并验证小麦条锈菌侵染前期高表达的候选基因PsCON6的功能,为解析其致病机制提供新线索。通过同源克隆从小麦条锈菌中获取PsCON6基因,利用qRT-PCR分析其在侵染前期的表达模式。通过生物信息学技术分析预测PsCON6蛋白的氨基酸序列、保守结构域及理化性质。通过寄主介导的基因沉默(BSMV-HIGS)技术瞬时沉默PsCON6,检测寄主活性氧面积、病原菌菌丝长度与面积及病原菌生物量。通过瞬时表达确定PsCON6蛋白的亚细胞定位。PsCON6在小麦条锈菌侵染前期显著高表达,其编码的蛋白含2个conidiation-specific protein 6保守结构域,由83个氨基酸组成。HIGS沉默PsCON6后,寄主活性氧水平显著升高,病原菌菌丝长度和面积显著减少,但孢子量未受显著影响。亚细胞定位表明,PsCON6定位于细胞膜。结果表明,PsCON6可能参与调控小麦条锈菌的菌丝生长过程,但对夏孢子形成无直接影响,其功能可能存在冗余,为揭示条锈菌致病机制提供了新靶点,并为后续深入解析其分子机制奠定了基础。

泛素化途径是植物响应干旱胁迫的关键信号途径之一。为明确E3泛素连接酶TaSINA101基因响应干旱胁迫的生物学功能,以小麦抗旱优异品种晋麦47为材料,克隆TaSINA61、TaSINA101和TaSINA105基因,利用生物信息学手段分析其序列特征,通过qRT-PCR检测3个基因在PEG-6000、NaCl、低温和ABA处理下小麦根和叶中表达量的变化。通过转基因水稻异源表达TaSINA101,分析TaSINA101响应干旱胁迫过程中的生物学功能。结果表明,TaSINA61、TaSINA101、TaSINA105基因均包含1个内含子和2个外显子,编码的蛋白质均由282个氨基酸组成,启动子区主要包含生长发育调控元件、激素响应元件和逆境胁迫响应元件。qRT-PCR表达分析显示,这3个基因在根和叶中均受干旱胁迫等各种非生物胁迫诱导表达。干旱胁迫处理TaSINA101转基因水稻的表型分析发现,转基因水稻株系OE-1、OE-2和OE-3叶片的鲜质量及干质量、最大根长、根系平均直径和叶片相对含水量各项指标均显著低于野生型,而转基因水稻株系OE-1、OE-2叶片相对电导率则显著高于野生型。因此,TaSINA101负调控水稻的干旱胁迫耐受性,为深入解析小麦TaSINA101基因的生物学功能提供了依据。

为探究HBD家族各成员在重要粮食作物小麦中的潜在生物学功能,首先基于生物信息学分析普通六倍体小麦HBD家族成员及其序列特性,其次通过转录组和荧光定量分析其表达模式及功能。结果显示,共鉴定到90个小麦HBD基因,分别包含2~18个外显子和编码111~1 863个氨基酸,据进化关系可分为6个亚组。组织表达模式的结果显示,多数HBD基因在植株的根、茎、穗和籽粒中相对高表达,体现其生物学功能的多样性。这些HBD成员的启动子区域共包含62种顺式作用元件,主要涉及参与胁迫响应的光和激素调控元件。HBD不同成员分别响应多种非生物胁迫,包括磷、盐、低温、高温、干旱和高温干旱协同胁迫,其中,TaHBD23、TaHBD28、TaHBD67、TaHBD78和TaHBD85等在多种胁迫下均显著差异表达,作为胁迫响应的重要候选基因。针对生物胁迫,HBD基因家族响应假禾谷镰刀菌和半透明黄单胞菌胁迫的数量明显少于响应禾谷镰刀菌,暗示其在赤霉菌抗性应答中的关键作用。通过转录组分析在禾谷镰刀菌和水处理的小麦Bobwhite材料中共鉴定到41个表达量发生显著变化的HBD基因,其中10个基因与表达数据库的结果重合。定量分析与转录组数据趋势一致,显示TaHBD28/17、TaHBD67和TaHBD90/84负向响应赤霉菌,而TaHBD39/37、TaHBD45和TaHBD68/79正向响应赤霉菌。

查尔酮合成酶(CHS)是类黄酮合成途径的关键起始酶,参与合成黄酮、黄酮醇、异黄酮、花青素等代谢物,而这些黄酮类代谢物在植物抗逆方面扮演着重要角色。为了研究CHS在燕麦幼苗响应干旱胁迫中的作用,从前期的全长转录组数据中筛选到1个燕麦CHS基因,命名为AsCHS,并对其进行克隆、生物信息学、亚细胞定位和表达模式分析。结果表明,AsCHS基因编码398个氨基酸,蛋白序列包含CHS家族特异标签序列,是疏水的不稳定蛋白,属非跨膜蛋白,定位于细胞核和细胞质。根据二级结构预测,AsCHS主要包含α-螺旋和无规则卷曲。启动子区顺式作用元件预测表明,该基因含有响应干旱胁迫和多个激素信号途径相关的顺式作用元件。系统进化树显示,AsCHS与黑麦草、早熟禾和南极发草的亲缘关系较近。亚细胞定位表明,AsCHS蛋白定位在细胞核和细胞质。与对照组相比,AsCHS在干旱胁迫下燕麦幼苗不同萌发时间的表达模式由波动表达改变为递增表达,由根中表达量最高改变为在叶中表达量最高,且在叶片中的表达存在显著差异。本研究为揭示AsCHS在燕麦响应干旱胁迫的功能奠定了基础。

为了优良品质稻米的培育,利用来自国内外139份水稻种质资源为材料,对2022-2023年水稻籽粒总蛋白含量进行表型分析,结合全基因组测序(覆盖深度10×)所得255 501个SNP标记,利用一般线性模型进行全基因组关联分析,避免假阳性影响选取阈值最高位置的基因进行单倍型分析,根据前人研究结果和基因功能注释预测水稻籽粒总蛋白含量相关基因,通过实时荧光PCR对预测基因进行相对表达量分析。结果表明,139份水稻籽粒总蛋白含量属于中度变异,变异系数分别为21.66%,20.65%,符合正态分布;通过全基因组关联分析,在2个环境下共获得显著SNPs 55个,分布在1,2,4,5,6,8,11,12号染色体上,其中有16个连续且上下游区间不超过100 kb的SNPs分布于11号染色体;进一步对11号染色体显著SNPs位点的上、下游50 kb(±50 kb)范围内的区间关联性强的基因进行单倍型分析,结合基因功能注释以及灌浆期籽粒相对表达量分析的结果,初步推测LOC_Os11g08460与水稻籽粒总蛋白含量相关,编码Dnak/Hsp70s蛋白家族。综上,利用全基因组关联分析对139份水稻种质资源的总蛋白含量进行候选基因预测及单倍型分析,为稻米品质遗传改良提供新的基因,加速稻米改良的过程。

鉴定抗大豆花叶病毒(SMV)相关基因功能,为培育抗SMV品种提供基因资源。以前期构建抗SMV位点qTsmv-3的近等基因系和转基因拟南芥为材料,对6个MATE候选基因在抗SMV侵染过程中的功能进行分析和鉴定。在大豆基因组中预测到128个MATE家族基因,可分成5个亚家族。qTsmv-3位点的6个MATE候选基因均位于第Ⅰ亚家族,根据公共数据显示它们的表达量或表达部位存在显著差异,Glyma.03G005600在地上部叶和茎中整体表达量最高,Glyma.03G005800在地下部根和根瘤中整体表达量最高。qTsmv-3近等基因系接种SMV后,与#NIL-SMC家系相比,GmICS1和GmPR1在#NIL-NC中的表达量分别上调2.40,15.16倍,SMV浓度降低70%,表明qTsmv-3位点的抗性与水杨酸(SA)介导的抗病通路相关。此外,6个MATE候选基因仅有Glyma.03G005300和Glyma.03G005600的表达量在近等基因系间出现显著差异,分别下调表达61.0%,82.1%。综合考虑6个MATE基因的表达模式和对SMV侵染后的响应,Glyma.03G005600可能为qTsmv-3位点的关键候选基因。进一步研究发现,携带Glyma.03G005600的转基因拟南芥(OE_MATE)受UV-B胁迫后,AtICS1和AtPR1的表达量比野生型(WT)分别显著上调4.22,9.12倍,说明Glyma.03G005600能够显著促进或影响SA信号通路上基因的表达。研究结果初步证实Glyma.03G005600是抗SMV位点qTsmv-3的关键调控基因,为克隆抗SMV关键调控基因奠定了基础。

为明确短日照诱导对小豆叶片内代谢物质变化的影响,以晚熟品种冀红16为材料,设置10 h光照/14 h黑暗短日照诱导。利用超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)技术对小豆叶片短日诱导组(10h14d)和对照组(CK)进行代谢组定量研究。结果表明,2个样本通过定量检测共获得128种显著差异代谢物(上调103,下调25),包括黄酮、氨基酸及其衍生物、有机酸、酚酸类等11大类,数量(占比)分别为49(38.28%),26(20.31%),12(9.38%),10(7.81%)等,均在10%以上。KEGG富集分析发现,128种代谢物质富集在49条代谢通路中,对差异性显著的top 20代谢通路进行分析,发现KEGG主要富集在葡萄糖苷生物合成、氨酰-tRNA生物合成、2-氧代羧酸代谢、异黄酮类生物合成、氰基氨基酸代谢、氨基酸生物合成、黄酮类生物合成等代谢途径中。占比大于10%以上的10条代谢通路中富集代谢物质数量较多的为酸类和酮类且大多上调。综上,酸类和酮类相关代谢物是小豆应答短日照诱导的主要代谢物质,这为优化小豆的种植结构,提高小豆的产量和品质提供理论基础。

棉纤维细胞中的微管及微管结合蛋白对细胞内物质运输及形态建成具有重要调控作用。TOG结构域是调节微管动力学的几个蛋白质家族的重要功能组分,CLASPs则是植物中特有的一类微管结合蛋白,其表达对于微管的动态调整和功能行使十分重要。为了研究Togaram1基因与棉花纤维发育及纤维品质形成的关系,以陆地棉系9和海岛棉新海16为研究材料,克隆获得GhTogaram1与GbTogaram1基因,并对其进行生物信息学分析,同时,利用qRT-PCR技术分析Togaram1基因在不同材料及不同纤维发育时期的表达模式。结果显示,GhTogaram1与GbTogaram1的CDS序列全长均为918 bp,均编码305个氨基酸,但陆地棉和海岛棉之间存在核苷酸和氨基酸序列差异。生物信息学分析表明,Togaram1蛋白属于亲水性蛋白,具有TOG结构域和CLASP-N端结构域,定位于细胞核中。系统进化树和多序列比对表明,GhTogaram1和海岛棉属于同一分支,相似性为99.34%,与二者关系最近的是黄褐棉。qRT-PCR结果表明,Togaram1基因在2种材料纤维发育不同时期(0,5,25 d)相对表达量具有极显著差异;另外,Togaram1基因在HL群体极端子代中纤维发育5 d和10 d具有极显著差异,其中短纤维株系HL-78表达量最高。综上,Togaram1基因在不同棉花材料开花后5 d纤维中优势表达,表明Togaram1基因可能在棉花纤维伸长期发挥作用。随着开花天数的增加,Togaram1基因表达量下降,推测可能是受油菜素甾醇的影响。对Togaram1基因在棉纤维中进行初步的功能验证,为后续Togaram1基因在棉花纤维发育中的研究奠定了基础。

克隆小麦籽粒超氧化物歧化酶(SOD)基因,开发与SOD活性相关的竞争性等位基因特异性PCR(KASP)标记,对选育高SOD活性小麦品种具有重要意义。根据基因ID,设计特异性引物克隆得到TaSOD-B1基因gDNA序列;在小麦基因组遗传变异及Ensembl Plants数据库比对得到单核苷酸多态性(SNP)位点,开发与小麦SOD活性密切相关的KASP标记,并通过287份来自国内外冬小麦品种(系)SOD活性与基因型间的相关性分析进行标记的实用性验证。利用6对特异性引物扩增中国春品种TaSOD-B1基因片段,拼接得到5B染色体上的TaSOD-B1基因,基因全长为6 491 bp,包含1 650 bp的开放阅读框(ORF),共编码549个氨基酸,预测分子质量为60.80 ku,由12个外显子及11个内含子构成,内含子符合典型的GT-AG结构。基于TaSOD-B1基因第1外显子的第44碱基处经测序验证确实存在的差异位点开发KASP标记,检测结果表明,等位变异类型为TaSOD-B1a的基因型为AA,与高SOD活性相关,用荧光基因FAM(显示为蓝色)标记;等位变异类型为TaSOD-B1b的基因型为GG,与低SOD活性相关,用荧光基因HEX标记(显示为红色)。对287份国内外冬小麦品种(系)进行检测发现,不同基因型的SOD活性差异达到显著水平。基于TaSOD-B1序列成功开发出1组与SOD活性相关,并可用于SOD活性遗传改良的KASP标记。

探究棉花GhERF14基因与尖孢镰刀菌致病力的关系,解析尖孢镰刀菌致病分子机制,初步探究棉花GhERF14基因对枯萎病的响应及对相关抗病基因的调控作用,为培育抗枯萎病的棉花新品种提供一定的理论依据。利用基因克隆、病毒诱导基因沉默(VIGS)构建了GhERF14 基因非保守结构域干扰载体pTRV2-GhERF14,通过实时荧光定量(qRT-PCR)技术和VIGS技术,研究枯萎病菌胁迫和激素处理后,GhERF14和下游与木质素(Lignin)、乙烯(ET)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)相关基因,抗氧化酶基因及病程相关蛋白(PR)基因的表达特征,分析其在棉花抗病过程中的作用,表明抑制GhERF14基因的表达可显著降低茉莉酸、水杨酸以及乙烯合成及信号通路相关基因的表达。利用VIGS 技术将 GhERF14 基因沉默后,棉株对枯萎病菌更敏感,表明GhERF14在尖孢镰刀菌致病及宿主-病原体互作过程中可能发挥着重要的作用。

为了深入挖掘稻曲病菌真菌病毒的多样性,以从海南省患病水稻样本中分离到的1株稻曲病菌异常菌株Uv263为试验材料,鉴定该菌株中潜在的真菌病毒,解析真菌病毒基因组结构与功能的关系。结果表明,Uv263菌株被1种新型真菌病毒侵染,命名为Ustilaginoidea virens RNA virus 7(UvRv7)。UvRV7为双链RNA病毒,全长5 082 bp,GC含量为60.29%。UvRV7编码的开放阅读框1编码外壳蛋白(CP),开放阅读框2编码RNA依赖的RNA聚合酶(RdRP)。BlastP比对表明,UvRV7的RdRP氨基酸序列与病毒Thelebolus microsporus totivirus 1的RdRP氨基酸序列的相似性最高,为48.49%。基于UvRV7的RdRP氨基酸序列的多重比对结果表明,UvRV7的RdRP序列共包含8个保守基序,其中在第Ⅵ个基序中鉴定到1个RdRP保守结构域中最典型的GDD基序。系统发育分析表明,UvRV7与Thelebolus microsporus totivirus 1的亲缘关系最近,并且与单分体病毒科中维多利亚病毒属的典型成员形成了1个进化分支。基因组特征和进化分析结果均表明,UvRV7是维多利亚病毒属中一个新发现的真菌病毒种类。透射电镜观察表明,UvRV7形成1个约45 nm的球状病毒粒子。水平传播和垂直传播试验也表明,UvRV7可以通过分生孢子高效垂直传播,并且在营养体亲和的菌株间高效水平传播。综上所述,阐明了稻曲病菌中新报道的单分体病毒UvRV7的全基因组结构特征及其进化关系。

为了解魔芋感染白绢病后内源激素与相关基因表达量的变化,进而揭示魔芋参与对白绢病响应的主要激素通路,采用液相色谱串联质谱对3月龄珠芽魔芋感染白绢病0,1,3,6 d 的内源激素含量进行测定,并利用实时荧光定量PCR技术对脱落酸、茉莉酸和水杨酸通路基因表达水平进行分析。结果表明: 感染白绢病后会导致魔芋多种内源激素含量发生变化,随着感染白绢病时间的延长,其中生长素类代谢物吲哚-3-乙酸含量呈先升高后下降的趋势,而吲哚-3-丁酸含量呈下降的趋势;反式玉米素含量则显著下降;脱落酸的含量呈先升高后下降的趋势;茉莉酸类代谢物含量和水杨酸类代谢物的含量均显著高于对照组。魔芋感染白绢病1,3,6 d茉莉酸含量分别为对照组的2.31,2.31,5.08倍,水杨酸含量分别为对照组的5.53,4.60,7.38倍。脱落酸、茉莉酸和水杨酸代谢通路相关的8个基因均被激活,表达量显著提高。感染白绢病后打破了魔芋内源激素稳态,激活了魔芋茉莉酸、水杨酸及脱落酸激素通路相关基因的表达,茉莉酸和水杨酸通路在魔芋对白绢病抗性胁迫中可能具有重要的作用。

病毒诱导的基因沉默(VIGS)是一种转录后基因沉默技术,广泛应用于植物基因功能研究。然而,到目前为止,国内关于建立甘蓝VIGS基因沉默体系的报道较少。旨在甘蓝上建立以八氢番茄红素脱氢酶基因(Phytoene desaturase,PDS)作为有效视觉指示基因、病毒载体PCVA/PCVB介导的基因沉默体系。以甘蓝、大白菜和萝卜为植物材料,通过构建PCVA-PDS载体,对甘蓝PDS进行沉默。通过构建PCVA/PCVB-PDS-GFP转化农杆菌,并采用注射法侵染甘蓝和烟草叶片下表皮细胞、真空负压侵染甘蓝幼苗,结合实时荧光定量PCR技术,研究病毒介导的基因沉默体系在甘蓝中的适用性,并将该体系应用于另外2个具有代表性的十字花科作物—大白菜和萝卜。结果表明,载体PCVA/PCVB-PDS-GFP转化的农杆菌侵染甘蓝及烟草叶片细胞后,细胞膜可以观察到荧光出现;通过真空负压侵染甘蓝幼苗14 d后,新生叶片出现光漂白现象,并呈现范围逐渐扩大的趋势;实时荧光定量PCR分析显示,PDS同源基因在试验组中的相对表达量较对照组分别下降3.2,1.7倍;侵染大白菜和萝卜幼苗后,观察到大白菜和萝卜的叶脉及部分叶片出现白化现象,同时伴随一定程度的叶面卷曲。综上所述,通过对PDS基因沉默后甘蓝叶片出现光漂白现象,证明病毒介导的基因沉默体系在甘蓝植株中实现了有效的复制和传播,大白菜萝卜叶片出现白化也表明,VIGS系统同样可以应用于其他十字花科作物,进一步扩展了该沉默系统的应用范围。甘蓝VIGS沉默体系的建立,为十字花科作物相关基因功能研究提供了理论基础。

为探究豆伞滑刃线虫与寄主植物互作的分子机制,通过构建豆伞滑刃线虫体前端特异cDNA文库与RACE技术相结合的方法克隆获得1个豆伞滑刃线虫类FMRF酰胺多肽基因Bd-FLP-12,并应用生物信息学方法进行序列分析,应用Southern杂交和半定量RT-PCR方法分别检测基因拷贝数和在不同发育阶段的表达水平。序列分析表明,Bd-FLP-12编码蛋白由90个氨基酸残基组成,其中含有1个信号肽序列和1个FLP-12成熟肽序列,无跨膜结构域,属于分泌型蛋白。根据Southern杂交结果推测,Bd-FLP-12基因在豆伞滑刃线虫基因组中为单拷贝。半定量RT-PCR结果显示,Bd-FLP-12在豆伞滑刃线虫各龄期均有表达,但在卵期相对比较微弱。综上,首次在豆伞滑刃线虫中克隆获得Bd-FLP-12基因全长序列,解析了该基因的结构、性质和表达特征,为进一步研究该基因的功能奠定了基础。

为探究BnMLP2基因在苎麻抗旱过程中的作用,通过分析苎麻转录组数据,以中苎1号为材料得到了编码苎麻金属硫蛋白的BnMLP2基因。从苎麻转录组数据中筛选并克隆BnMLP2基因,进行生物信息学分析,包括序列比对、结构域预测及亚细胞定位预测。利用荧光定量PCR技术,测定BnMLP2基因在苎麻不同组织中的表达情况,并探究其在干旱胁迫下的表达变化。将BnMLP2基因导入拟南芥中,构建转基因植株。在干旱胁迫条件下,比较转基因拟南芥与野生型拟南芥的表型、生理生化指标差异,以及抗逆相关基因的表达情况。结果表明,苎麻BnMLP2基因开放阅读框全长共243 bp,编码80个氨基酸。BnMLP2与苹果MT或MLP的氨基酸序列亲缘关系最近,同属于金属硫蛋白家族成员;带有PFAM01439结构域,属于Ⅱ类金属硫蛋白;预测定位于细胞质。BnMLP2基因在苎麻各组织中均表达,并且BnMLP2的表达受干旱显著诱导,尤其在茎中的表达量最高。在干旱胁迫下,转BnMLP2拟南芥相较于野生型表现出更强的抗旱能力,具体表现为根长和鲜质量显著增加,表现出更强的抗氧化酶和γ-GCL活性,积累了更多的脯氨酸(Pro)、还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、植物螯合态(PCs)来调节细胞内的离子稳态,转基因株系丙二醛(MDA)、过氧化氢(H₂O₂)的含量显著低于野生型,约为野生型的55%,80%。此外,转基因拟南芥在干旱条件下钠离子和钾离子的含量最高为野生型的4.4,1.4倍。BnMLP2的过表达能诱导3个抗逆相关基因AtMT1a、AtNCED3、AtWRKY40的表达量提高,最高分别是野生型的1.5,1.9,2.8倍。上述结果表明,BnMLP2基因能够提高拟南芥对干旱胁迫的耐受能力。

为了探究NBS-LRR类基因RPM1在茄属植物抗黄萎病中的作用,以茄属中的野生茄-蒜芥茄为材料,在其转录测序的基础上,克隆RPM1基因同源序列,分析该序列编码蛋白的理化性质、分子结构,构建进化树,以及在烟草中进行亚细胞定位,同时检测蒜芥茄不同部位中RPM1基因的相对表达量,以及在接种大丽轮枝菌(黄萎病病原菌的一种)后4个时间点(0,24,48,72 h)的相对表达量。结果发现,在蒜芥茄中RPM1基因(命名为SsRPM1)序列全长2 772 bp,编码 924 个氨基酸。SsRPM1蛋白总分子质量为105.99 ku,是不存在跨膜结构的碱性亲水蛋白,该蛋白主要由α螺旋和无规卷曲构成,包括LRR、NBC和CC 3种结构域,欧白英RPM1蛋白与其亲缘性关系最近;在烟草中的亚细胞定位发现该蛋白位于细胞膜上;SsRPM1基因在蒜芥茄的不同器官(根、茎、叶)中均有表达,其中茎的相对表达量最高,其次是叶,最后是根。在接种大丽轮枝菌后,总体上看,对照组和接菌处理组的SsRPM1基因表达情况皆呈现先上升后下降的趋势,在24 h最高。与对照组相比,接菌处理组的基因相对表达量较低,暗示蒜芥茄SsRPM1是响应黄萎病胁迫的负调控基因。

旨在从cDNA文库中筛选潜在与番茄褪绿病毒(ToCV)外壳蛋白(CP)互作的蛋白,探究ToCV的侵染机制及CP在侵染过程中的功能,以应对当前越夏、秋延后番茄生产中因番茄褪绿病毒病大肆传播而致使番茄产量和品质严重受影响的状况。以感染ToCV的Moneymaker番茄品种作为试验材料,采用Gateway技术构建感染ToCV的番茄核体系酵母cDNA文库,并构建酵母双杂交诱饵载体pGBKT7-CP(CP-BD)。以CP为诱饵蛋白,通过核体系酵母文库筛选出上百种参与多种生理过程的潜在互作蛋白,并进一步通过一对一的酵母双杂交验证以及NCBI BLAST比对确定与ToCV CP互作的相关蛋白。构建了核体系酵母文库,初级文库总克隆数为1.60×10⁷,重组率达100%,平均插入片段长度超过1 000 bp;次级文库总克隆数同样为1.60×10⁷,重组率为100%,平均插入片段长度大于1 000 bp,达到质量标准,满足后续酵母杂交试验的条件。由文库筛选得到的ToCV CP互作蛋白涵盖了细胞过程、生物调节、细胞物质运输等类别,其中在病毒复制和运输、侵染宿主细胞以及调节宿主细胞的代谢和细胞周期等生物过程相关的蛋白数量较多。此外,还涉及蛋白质结合、核酸结合、水解酶活性等相关蛋白,其中RNA酶最为丰富,在病毒侵染过程中发挥重要作用。最终确定了HSPs、DnaJ与TCPs等30种与ToCV CP互作的蛋白,为后续深入研究ToCV的侵染机制及CP在侵染过程中的功能奠定了良好基础。

为系统研究果实硬度相关基因,通过基因组重测序BSA方法定位果实硬度关联区间,并根据其对应的参考基因组共线性区段和基因注释信息预测候选基因,为下一步基因克隆奠定基础。以稳定遗传的软肉自交系C18与硬肉自交系LE4杂交,F₂后代的果实硬度分离呈正态分布。在F₂群体中分别选取30株软肉和30株硬肉单株构建极端混合池,对混合池样本和双亲材料分别开展30×和10×覆盖度的全基因组重测序。重测序共获得1 891 040个单核苷酸多态性(SNPs)标记及376 603个插入缺失(InDels)标记,用于果实硬度性状的全基因组定位。BSA定位峰值位于茄子第6号染色体,从72 610 411到75 329 951 bp,共计2.71 Mb。根据通路富集和基因功能注释,筛选到候选基因Smechr0601726.1 和Smechr0601735.1。综上,通过基因组重测序BSA分析可知,茄子果实硬度可能由2个重要的候选基因进行调控,Smechr0601726.1编码多聚半乳糖醛酸酶基因,与果实硬度直接相关;Smechr0601735.1与抗坏血酸和阿糖二酸代谢密切相关,编码抗坏血酸过氧化物酶,与果实发育和硬度形成有关,可以延缓果实软化。

花青素合酶(ANS)是植物花青素合成过程中的关键酶,可以将无色的花色苷催化成红色、橙色、蓝色等不同颜色的花青素。为了探究ANS基因调控菊苣叶色的分子机制,首先对该基因进行生物信息学分析,随后选取红色结球型菊苣(印地欧)和绿色菊苣(普那)为材料,克隆得到菊苣ANS基因(CiANS),并对该基因在这2个材料中的氨基酸序列及蛋白结构进行了差异分析,最后对ANS基因的组织特异表达和蛋白的亚细胞定位进行了检测,并对ANS蛋白进行了原核表达。结果显示,CiANS与莴苣及栽培菊苣的ANS亲缘关系最近,Motif分析发现,CiANS蛋白基序在不同植物中均较为保守。2种菊苣中ANS的克隆结果表明,ANS基因全长均为1 068 bp,编码355个氨基酸,具有9个差异氨基酸,但在预测的三级结构上并未表现出明显的差异。qRT-PCR结果显示,CiANS基因在不同组织中均有表达,但在叶片中表达量最高,并且红色的结球菊苣中CiANS基因的表达水平显著高于绿色的普那菊苣。亚细胞定位结果显示,CiANS蛋白定位于细胞质和细胞核中。CiANS蛋白在原核载体上诱导表达后大小共为45 ku,与预期蛋白大小一致。综上所述,菊苣叶色差异的形成很可能与ANS基因的表达量差异有关,研究结果为解析菊苣叶色分子调控网络及花青素代谢遗传改良提供了理论依据。

低温是影响山茶在我国北方分布的主要因素,为进一步扩大山茶的分布范围,提升北方园林植物的多样性,以山茶科山茶属植物耐冬山茶岛城春早的叶片为材料,通过Gateway重组技术构建酵母文库,获得的初级文库总克隆数为1.44×10⁷ cfu,次级文库总克隆数为1.12×10⁷ cfu,重组阳性率为100%,酵母文库滴度为1.00×10⁸ cfu/mL,酵母克隆平均插入片段>1 000 bp,符合建库标准。利用双酶切同源重组方式构建诱饵载体pGBKT7-CjCBF1,其在酵母细胞中无毒性及自激活活性。使用质粒共转法进行筛库,获得46个与CjCBF1相互作用的候选蛋白,功能涉及植物生长发育、开花结实及响应胁迫等多个方面,选取CjRAV1作为候选蛋白。参考耐冬山茶转录组数据库和茶树基因组数据库设计引物,克隆得到CjRAV1基因,该基因CDS全长为1 023 bp。生物信息学分析结果显示,该基因编码341个氨基酸,相对分子质量为37.99 ku,蛋白质等电点9.10,不稳定指数34.74,脂肪指数76.60。选取与CjRAV1同源性较近的物种进行氨基酸序列比对并构建系统发育树,发现其与狭叶油茶、君迁子以及中华猕猴桃亲缘关系较近。为了降低筛库的假阳性概率,构建pGADT7-CjRAV1载体,与pGBKT7-CjCBF1进行点对点验证,证实二者之间存在互作关系,为后续深入研究耐冬山茶低温应答分子机制奠定基础。

植物钠氢反转运蛋白(NHX,Na⁺/H⁺ antiporter)在植物钠钾离子平衡、细胞pH值调节中起重要的作用。为探究黑麦耐盐性与NHX的关系,通过生物信息学流程对黑麦的NHX基因进行鉴定与分析,结合RT-qPCR技术对ScNHXs在盐胁迫下的表达模式进行检测,为探究NHX基因在黑麦中的潜在功能以及黑麦耐盐基因挖掘等研究提供参考信息。共鉴定获得10个黑麦NHX基因家族成员(ScNHX1~ScNHX10),系统进化树分析表明,其可分为Vac和Endo 2个亚家族,分别包含4,6个基因。其编码蛋白理化性质分析表明,分子质量为27.92~59.72 ku,氨基酸数目为253~546 aa,等电点为5.17~8.81,大多数蛋白属于酸性蛋白,均未预测到信号肽存在但均具有跨膜结构,亚细胞定位预测ScNHXs定位于质膜和液泡中。空间结构预测显示,其二级结构主要由α-螺旋和无规则卷曲构成。基因结构和motif分析发现,ScNHXs的外显子数为13~24,且均具有保守的Na⁺/H⁺交换结构域。此外,顺式作用元件分析表明,ScNHXs启动子区域中均发现众多与激素响应以及非生物胁迫响应等生物过程相关的元件。黑麦转录组数据分析发现,在黑麦的不同组织中ScNHXs表达模式存在明显差异。RT-qPCR分析表明,ScNHXs对不同浓度NaCl胁迫有不同程度的响应,并且在较长时间内能够持续响应盐胁迫。综上所述,ScNHXs可能参与黑麦对盐胁迫的生物调节相关过程。

RNA聚合酶Ⅱ相关因子Paf1(RNA polymerase Ⅱ associated factor 1)复合物是由6个亚基组成的真核生物重要的转录调控因子,其对特定基因的表达调控作用与植物的生长、发育和环境信号响应等生命活动密切相关。为探究小麦Paf1对逆境胁迫的响应特征,采用同源序列比对方法鉴定小麦的各Paf1亚基基因,通过mCherry融合蛋白的过表达和荧光显微观察鉴定各亚基蛋白的亚细胞定位,使用qRT-PCR方法分析各亚基基因对不同逆境胁迫的表达响应。结果表明,小麦Paf1的亚基TaVIP3、TaVIP4、TaVIP5、TaVIP6和TaPHP均由1套部分同源基因编码,其余1个亚基TaVIP2则由2套部分同源基因编码。植物VIP2的N端含有1个长度可变的富含脯氨酸残基区段,小麦的TaVIP2 还特有1个富含谷氨酰胺残基区段。TaVIP2、TaVIP4、TaVIP5和TaVIP6均为细胞核蛋白,而TaVIP3和TaPHP蛋白则可同时分布于细胞质和细胞核。各亚基基因在不同组织中的组成型表达差异模式相似,在叶片中的表达统一受高温胁迫的上调和高盐、干旱胁迫的下调。综上所述,小麦响应逆境胁迫的反应涉及对转录调控因子Paf1亚基基因表达水平的调节。

为探究花椰菜抗病品种与感病品种在接种黑腐病菌后的转录组差异,挖掘与花椰菜抗黑腐病相关的基因,以花椰菜感病品种Y1-2和抗病品种EC-247为研究对象,分别提取接种黑腐病菌0,1,3,5 d的花椰菜叶片总RNA,利用Illumina RNA-Seq测序平台进行高通量无参转录组测序,采用实时荧光定量PCR技术对部分差异表达基因进行验证,筛选抗病相关的差异基因并对其表达量进行分析。结果显示,4个时间点与感病品种相比,抗病品种共有6 355个基因表现出显著差异;KEGG富集分析发现,在这些差异表达基因富集通路中,与植物抗病性紧密相关的通路受到关注,其中47个基因与植物-病原菌互作相关,61个基因参与植物激素信号传导途径;对这些相关基因的表达量进行聚类分析发现,植物-病原菌互作途径中1个CDPK基因、4个CML基因、1个PTK基因、1个CaM基因、1个RLK基因和1个SGT1基因,植物激素信号传导途径中3个生长素响应蛋白基因、1个TIFY基因、1个吲哚-3-乙酸酰胺合成酶基因、2个油菜素唑抗性蛋白基因和1个Shaggy相关的蛋白激酶zeta基因,在抗病品种中的表达量显著高于感病品种,并且抗感品种不同时间点的表达模式表明其积极响应病原菌侵染。综上,这些差异基因可能与花椰菜抗病相关,为花椰菜抗病分子育种提供了重要的基因资源和科学依据。

前期转录组学分析发现,ZmRAV1为玉米响应干旱胁迫的候选基因,为了深入研究该基因的功能,克隆了ZmRAV1基因,应用生物信息学分析了ZmRAV1的编码序列,并在拟南芥中过表达该基因,通过干旱条件下过表达拟南芥株系表型、生理生化指标的测定验证其功能。结果表明:ZmRAV1基因全长1 176 bp,共编码389个氨基酸,二级结构中无规则卷曲占比最多,是一种不含信号肽、非跨膜的亲水性蛋白。亚细胞定位显示,该基因编码蛋白位于细胞核。ZmRAV1基因在不同物种间具有较高的保守性。从系统发育树上看,ZmRAV1与五节芒同源基因亲缘关系最强,同源性较高。干旱胁迫处理后,萌发期过表达拟南芥株系的根长显著高于野生型(WT)拟南芥,幼苗期野生型经过干旱胁迫后出现枯萎甚至死亡,存活率低于过表达株系,且干旱处理后ZmRAV1过表达株系过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性均高于野生型,表明过表达ZmRAV1基因可提高拟南芥对干旱胁迫的抗性。综上所述,通过ZmRAV1基因编码序列的生物信息学分析以及转基因拟南芥株系的生理生化指标测定明确了ZmRAV1在响应干旱胁迫的过程中发挥正向调控的作用。

为进一步了解光合作用关键基因的作用,获得了玉米光合作用暗反应限速酶编码基因ZmC₄NADP-ME的功能缺失突变体(zmC₄nadp-me)。通过构建不同物种同源基因的进化树,表明ZmC₄NADP-ME及其同源基因在大多数植物中都是以多拷贝的形式存在,且不同同源基因间的表达模式不同。对zmC₄nadp-me的表型分析发现,与野生型相比,zmC₄nadp-me整株呈黄绿色,光照条件下,苗期叶片很快干枯死亡。对zmC₄nadp-me叶片的叶绿素荧光分析发现,Y(Ⅱ)及电子传递速率ETR(Ⅱ)显著降低,Y(NPQ)变化较小;但Y(NO)值显著升高;对zmC₄nadp-me的PS Ⅰ吸收能力(P700)进行测定后发现,zmC₄nadp-me电子传递速率ETR(Ⅰ)和实际光电子效率Y(Ⅰ)均出现了大幅下降,并且伴随着光照强度的增强,差距越来越显著;光照强度小于870 μmol/(m²·s)时,zmC₄nadp-me的Y(ND)大于对照,当光照强度大于227 μmol/(m²·s),zmC₄nadp-me的Y(NA)也开始逐渐大于WT。以上结果表明,ZmC₄NADP-ME对植物生长发育是必需的,当该基因被破坏后,PSⅡ遭到了严重胁迫,而且在任何光照强度下,植株都无法通过提高Y(NPQ)来缓解这种抑制。同时,说明当光照低于一定强度时,来自PSⅠ电子供体侧的抑制可能是造成PSⅠ抑制的原因之一,而随着光照的增强,PSⅠ电子受体侧的抑制逐渐成为抑制PSⅠ的重要因素。

甘蓝枯萎病是由尖孢镰刀菌黏团专化型(FOC)引起的土传真菌病害,严重影响甘蓝产量和品质。为了明确该病原菌中转录因子SNT2的生物学功能,利用同源重组和原生质体转化技术,成功获得了尖孢镰刀菌中SNT2基因敲除突变体ΔSNT2,并对其表型和致病力进行了分析。结果表明:尖孢镰刀菌中SNT2编码1 529个氨基酸,具有与DNA结合的SANT结构域,蛋白归属亲水性蛋白质。与野生型菌株相比,ΔSNT2突变体菌丝生长速率降低且分隔明显增加,分生孢子产孢量显著下降。基于外源胁迫结果显示,ΔSNT2在1 mol/L 山梨醇的渗透压胁迫中表现不敏感,但对0.1% H₂O₂、2 mol/L NaCl和0.05% 刚果红(CR)的氧胁迫、盐胁迫和细胞壁胁迫的耐受性降低,同时致病力测定结果表明,接种ΔSNT2突变体的病情指数显著低于接种野生型,SNT2的缺失导致尖孢镰刀菌致病力显著下降。综上,转录因子SNT2在病原菌与寄主互作过程中对于维持细胞壁的完整性具有重要作用,同时参与调控尖孢镰刀菌的生长发育和致病力。

为加速粉果番茄新品种选育,利用CRISPR/Cas9技术编辑SlMYB12基因快速创制粉果番茄新种质。在番茄红色果实调控基因SlMYB12的第一个外显子区域选取2个片段作为靶序列构建CRISPR/Cas9双元表达载体,以红果番茄R18-10C为试验材料,通过农杆菌介导的叶盘转化法进行遗传转化,利用特异引物筛选无转基因成分的纯合突变体植株,并对其相关农艺性状和果实营养品质进行调查分析。经测序检测发现共获得了3种不同变异类型的纯合突变体,均属于碱基缺失导致的移码突变。与野生型红果番茄相比,SlMYB12基因编辑的突变体植株生长正常,植株高度、单果质量、单株产量、果实可溶性固形物含量、番茄红素含量等性状无显著差异,但其成熟果实表现为粉色,果皮中柚皮素查尔酮含量显著降低。综上所述,利用CRISPR/Cas9技术成功编辑番茄MYB12基因,获得了稳定遗传的粉果番茄新种质。

PHR1是平衡植物抗病性与低磷胁迫抗性的关键因子。为研究马铃薯StPHR1基因的性质和功能,探明StPHR1在马铃薯抵抗早疫病菌侵染过程中的作用。以马铃薯为材料,采用PCR技术克隆得到了马铃薯StPHR1基因CDS序列,利用生物信息学软件分析预测StPHR1的结构、理化性质和亲缘关系,随后利用qRT-PCR技术分析StPHR1在早疫病菌侵染马铃薯时和不同激素处理下的表达量,并通过激光共聚焦扫描显微技术进行了蛋白质亚细胞定位分析。结果表明:StPHR1基因CDS全长为1 353 bp,编码450个氨基酸。蛋白分子式为C₂₁₄₇H₃₃₉₉N₅₉₅O₇₁₁S₁₈,分子质量为49.51 ku,理论等电点为5.07,编码亲水性不稳定蛋白,无信号肽,无跨膜结构,二级结构主要由无规则卷曲和α螺旋组成。系统进化树分析发现,StPHR1蛋白与拟南芥的亲缘关系最近;保守结构域分析发现,StPHR1蛋白和其他PHR1一样,在其蛋白C末端同时具有MYB-CC和MYB保守结构域。相对表达量分析发现,StPHR1被茄链格孢和水杨酸显著诱导表达,推测StPHR1可能在茄链格孢侵染马铃薯和水杨酸响应方面起重要作用;亚细胞定位显示,StPHR1蛋白定位于细胞核中。推测StPHR1可能通过其MYB转录因子活性和响应水杨酸参与调控马铃薯对茄链格孢菌的抗性。

西葫芦的裸仁种子在籽用西葫芦的加工中具有很大的天然优势。为探究西葫芦种子无壳性状的遗传机制,以西葫芦高代自交系种子有壳17pu10(P₁)和种子无壳17pu08(P₂)为亲本,构建F₁(P₁×P₂)、F₂和BC₁群体,对后代群体的西葫芦种子性状进行鉴定。结果发现,后代群体的西葫芦有壳种子与无壳种子的数目比例符合3∶1分离比,表明西葫芦种子无壳性状受到单基因调控,且种子无壳基因表现为隐性。利用籽用西葫芦BC₁群体对无壳基因进行初步定位,结果表明,籽用西葫芦无壳基因定位于标记InDel3157329和InDel3724121之间,遗传距离分别为1.4,2.6 cM,该区间物理距离为0.6 Mb。对该区间内的24个基因进行注释和功能分析发现,有4个基因直接或间接参与细胞壁、纤维素和木质素的生物合成;进一步分析这4个基因表达量的差异,发现只有Cp4.1LG12g04350、Cp4.1LG12g04370在种子发育时期表达量存在显著差异。由此推测,Cp4.1LG12g04350或Cp4.1LG12g04370为控制无壳性状的候选基因。此外,还开发出与无壳基因连锁的InDel标记,可作为西葫芦无壳性状鉴定的标记,以加快优质西葫芦种子无壳品种的选育。

黄瓜白粉病是危害黄瓜生产的主要病害之一,制约了黄瓜的安全生产。定位黄瓜抗白粉病相关基因,有助于理解黄瓜对白粉病抗性的遗传规律和分子机制,也为抗病育种提供了多样化的基因资源。以黄瓜抗病自交系QK和感病自交系QG为亲本,构建了QK×QG的 F₁、F₂ 群体。采用极端性状混池重测序(BSA-seq)的方法对黄瓜白粉病抗性基因进行初步定位,结合转录组数据和基因注释信息对抗病表型关联区间进行缩短,发掘序列变异,筛选关键基因。人工接种结果显示:F₁ 植株全部表现感病,说明白粉病杭性可能由隐性基因控制;F₂群体表现出从抗病到感病的连续正态分布。利用BSA-seq、SNP-Index 方法和QTG-seq法,分析结果的交集为5号染色体的19—21 Mb区段,该区段共有77个注释基因在样本间存在SNP差异,其中非同义突变共有33个。转录组测序(RNA-seq)结果显示,感病材料中共有309个上调基因,697个下调基因。在5号染色体的候选区段内有13个基因的表达量在接病后差异显著,基于差异表达基因和BSA分析结果将该区段内的候选基因缩减为3个,其中仅LOC101207011基因内检测到SNP突变。候选基因LOC101207011是由第656位的Val突变为了Leu,实时荧光PCR也验证该基因与黄瓜抗白粉病具有连锁关系。

为了解PsbS蛋白在烟草中的表达特征,从烟草品种K326的cDNA中克隆了NtPsbS基因全长序列,利用DNAMAN软件对水稻、番茄、大豆等7种作物PsbS蛋白的氨基酸序列与NtPsbS蛋白的氨基酸序列进行比对,并使用MEGA 11软件采用邻接法建立系统发育树对其进行遗传进化分析;利用qRT-PCR技术检测烟草不同生育时期NtPsbS基因的组织表达水平;构建pS1300-PsbS-GFP植物表达载体研究其成熟蛋白亚细胞定位特性;对烟草品种K326进行各类非生物胁迫处理,研究该基因在非生物胁迫条件下的表达模式。结果表明,NtPsbS基因全长825 bp,编码274个氨基酸;NtPsbS蛋白与番茄SlPsbS蛋白相似性最高,达到91%;NtPsbS在旺长期和成熟期烟草品种K326的叶、根、茎、种子等部位均有表达,在叶片中表达量最高;成熟NtPsbS蛋白定位于烟草叶绿体内;NtPsbS在盐胁迫、冷胁迫及脱落酸ABA处理下表达量均显著升高。综上所述,NtPsbS基因在不同生育时期的烟草叶片中表达量最高,对盐胁迫、冷胁迫及脱落酸ABA处理均有响应,说明该基因可能参与烟草体内抗盐、抗冷胁迫及ABA代谢通路,为后续开展NtPsbS基因的功能特性解析提供了参考。

为探究广藿香Trihelix家族基因PatASIL2的序列特征、亚细胞定位及表达模式,以广藿香转录组获得的ASIL2基因序列设计特异性引物,以广藿香cDNA为模板,克隆PatASIL2基因,随后对其进行生物信息学分析;构建PatASIL2-EGFP融合蛋白表达载体并转化拟南芥原生质体,检测PatASIL2的亚细胞定位;利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析PatASIL2基因在广藿香不同组织、外源茉莉酸甲酯(MeJA)喷施及非生物胁迫(盐胁迫、干旱胁迫、冷胁迫)下的表达情况。结果显示,PatASIL2含长度为1 035 bp的开放阅读框,编码344个氨基酸。PatASIL2不具有跨膜结构和信号肽,属于不稳定的亲水蛋白,含有41个丝氨酸磷酸化位点和1个Myb_DNA-bind_4保守结构域。系统进化分析显示,PatASIL2归类到Trihelix转录因子家族的SIP1亚家族,与芝麻SiASIL2同源性较高。亚细胞定位结果表明,PatASIL2为细胞核定位蛋白。qRT-PCR结果表明,PatASIL2在广藿香的嫩叶、成熟叶、老叶、根和茎中都有表达,尤其在老叶中的表达量最高;在MeJA处理后,PatASIL2基因的表达量在12~24 h显著升高;盐胁迫下,PatASIL2基因的表达量在3~24 h显著升高;在干旱胁迫下,PatASIL2基因的表达量在24 h显著升高;在冷胁迫下,PatASIL2基因在12 h表达量显著升高。

捕光叶绿素a/b结合蛋白在植物光合进程及非生物胁迫响应中发挥着重要的作用。为了研究陆地棉GhLhcb2A1基因特征、表达特性以及在低温和干旱响应中的功能,以冀棉262叶片cDNA为模板进行PCR扩增,获得了GhLhcb2A1基因的CDS全长,通过生物信息学分析了基因及其编码蛋白的基本特征,利用qRT-PCR技术检测了基因的组织表达特性以及低温和干旱响应表达模式,采用病毒诱导的基因沉默技术验证了GhLhcb2A1基因在低温和干旱响应中的功能。研究结果表明,GhLhcb2A1基因CDS全长为798 bp,编码265个氨基酸。GhLhcb2A1在叶片中高表达,在低温和干旱处理的叶片和根中显著上调表达,并在低温和干旱处理3 h的叶片中达到最大值,分别是对照叶片中的17.42,30.03倍,在低温处理6 h和干旱处理12 h的根中达到最大值,分别是对照根中的11.65,65.04倍。亚细胞定位结果表明,GhLhcb2A1蛋白在细胞叶绿体中表达。GhLhcb2A1基因沉默植株与对照植株相比,低温和干旱处理造成的植株失水干枯等表型更严重,叶片积累的丙二醛含量显著升高,脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性则显著降低,说明GhLhcb2A1基因沉默植株对低温和干旱胁迫的抵抗力降低。以上研究表明,GhLhcb2A1基因在低温和干旱响应中发挥正调控的作用。

通过克隆尖孢镰刀菌亚麻专化型FolSid1基因,确定该基因在镰刀菌中的生物学功能以及蛋白定位。通过与尖孢镰刀菌近缘菌同源比对,克隆得到FolSid1的基因序列,基于同源重组原理,使用Split Marker法构建含有潮霉素抗性基因(hph)的基因缺失盒,通过PEG介导法转入野生型原生质体中,获得基因敲除突变体(ΔFolSid1),对突变菌株做表型鉴定和致病力分析,分析该基因在尖孢镰刀菌亚麻专化型中的功能。构建含有FolSid1基因的绿色荧光表达载体pZESH1,对FolSid1-EGFP融合蛋白进行亚细胞定位。结果表明,FolSid1基因序列全长5 392 bp,含有3个内含子。与野生型和外插入突变体相比,尽管敲除突变体ΔFolSid1分生孢子形态和大小没有不同,但产量显著下降;形态学观察发现,敲除突变体的生长速度明显减慢;亚麻试验显示,缺失突变体的致病力明显降低;基因的亚细胞定位试验显示,FolSid1蛋白主要定位于菌丝细胞的细胞膜上。FolSid1基因能够调控尖孢镰刀菌亚麻专化型的菌丝营养生长、分生孢子发生且对亚麻具有致病性。

大豆P34蛋白主要存在于种子中,其上游启动子很可能具有调控下游基因在种子中高表达的特性。为进一步研究大豆P34蛋白基因的组织表达模式及其启动子的调控活性,通过qRT-PCR方法检测大豆P34蛋白基因在大豆不同组织中的表达情况;克隆大豆P34蛋白基因5'端上游序列(GmP34P),生物信息学分析其转录起始位点和顺式元件;构建表达载体,利用农杆菌介导的叶盘法转化烟草,检测转基因烟草中GUS的表达。结果表明,P34蛋白基因在大豆种子中的表达量极显著高于根、茎、叶和花的表达量;克隆获得GmP34P序列长度为1 380 bp,预测分析表明,该序列的转录起始位点为第1 342位上的碱基A,序列中含有多种与种子高表达相关的顺式作用元件,如RY element、Skn-1 motif、2S seed protbanapa等;获得含有GmP34P启动子驱动GUS基因的植物表达载体pCAM-GmP34P;通过潮霉素、PCR及RT-PCR筛选阳性转基因植株;对pCAM-GmP34P阳性转基因烟草植株,进行qRT-PCR检测,结果显示,相对于其他组织,GUS基因在转基因烟草种子中的表达量达到极显著差异;GUS组织化学染色结果显示,GmP34P启动子能够调控下游GUS基因在种子中高表达。

WRKY是植物特有的一类转录因子,在非生物胁迫应答、种子休眠与发芽、生长发育等方面起重要作用。为揭示大豆WRKY转录因子家族中GmWRKY44基因的功能和潜在的分子机制,对大豆Williams 82中GmWRKY44基因进行了生物信息学分析及功能验证。结果表明,GmWRKY44基因CDS全长1 077 bp,编码358个氨基酸;结构预测与进化分析结果显示,其编码的蛋白质二级结构由23.46% α-螺旋、4.75% β-折叠、58.94%无规则卷曲和12.85%延伸链构成,三级结构与二级结构相统一;含一个保守的WRKY结构域,锌指结构为C₂H₂类型,属WRKY IIc亚家族;该基因是拟南芥AtWRKY71的同源基因,相似度为35.56%,两者具有相似的基因结构。RT-qPCR分析表明,GmWRKY44响应盐胁迫,表达量先下降后上升。在盐胁迫下,野生型(Col-0)和GmWRKY44过表达拟南芥株系的萌发率和根长均受到一定程度抑制,但GmWRKY44过表达株系明显优于Col-0。另外,在盐处理后,GmWRKY44过表达株系生长受抑制程度低于Col-0。生理指标分析发现,在盐胁迫下,GmWRKY44过表达株系的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性显著高于Col-0,而丙二醛(MDA)含量显著低于Col-0。以上表明,GmWRKY44过表达可以提高转基因拟南芥的耐盐性。