大规模生产大豆杂交种,利用杂种优势是种质资源创新与品种改良关键所在。通过挖掘和利用大豆雄性不育基因,能够培育出更具优势的大豆品种,从而提升大豆的产量和品质。选用宝泉岭绿大豆(母本)与黑农44(父本)杂交后代出现的雄性不育突变群体作为试验材料。选取大豆可育植株与不育植株的花蕾,对花药与花粉进行细胞学观察,并采用高通量测序平台对大豆可育植株与不育植株的花与花药组织进行转录组测序,对测序结果进行注释、筛选与分析。结果表明,不育植株的绒毡层发育异常,花粉高度不育,是导致雄性不育的重要原因。戊糖和葡萄糖醛酸相互转化途径(ko00040:Pentose and glucuronate interconversions)是影响大豆育性的关键通路,编码果胶甲酯酶(PEM)与果胶裂解酶(PL)基因呈下调表达。差异表达基因蛋白质互作网络表明,果胶裂解酶基因是影响戊糖和葡萄糖醛酸相互转化途径的关键基因。通过对果胶裂解酶含量的测定表明,不育植物花药中果胶裂解酶含量显著降低。qRT-PCR检测结果与RNA-Seq测序结果一致。推测这些基因的下调表达可能引起果胶裂解酶活性下降,从而影响绒毡层发育,导致雄性不育。

为了明确GmPP2C72基因在盐胁迫应答中的功能和耐盐分子机制,对GmPP2C72蛋白进行生物信息学分析,克隆GmPP2C72基因构建植物过表达载体,并利用根癌农杆菌介导的子叶节遗传转化法转化百脉根,分析转基因植株在盐胁迫条件下的表型及生理指标和耐盐相关基因的表达情况。结果表明,GmPP2C72基因含有1个1 206 bp的开放阅读框,编码401 aa,编码蛋白质属于PP2C家族A亚族成员。GmPP2C72基因不具有组织表达特异性,在大豆的各个组织中均有表达,且该基因受盐胁迫诱导表达。成功构建了GmPP2C72基因的过表达载体,并转入百脉根,获得3个转GmPP2C72基因株系。在盐胁迫条件下,与野生型对照相比,3 个转基因株系维持着较好的生长状态,株高和地上部干质量均显著提高。进一步分析发现,3 个转基因株系叶片中叶绿素和脯氨酸含量均显著增加,而相对质膜透性和丙二醛含量均显著降低,且耐盐相关基因LjLEA、LjCOR、LjRD29B和LjP5CS的表达量均显著提升。综上,过表达GmPP2C72基因通过降低膜脂过氧化程度和质膜透性、提高叶片叶绿素和脯氨酸含量及耐盐相关基因的表达量来提高百脉根的耐盐性。

发掘并定位小麦品种中携带的抗病基因能为小麦新品种选育提供抗源、基因及标记。以阿富汗小麦地方品种KU3067及Apav构建的BC₁F₅群体为材料,在河北保定环境进行苗期和成株期抗叶锈性鉴定,并开展抗病基因定位研究。苗期鉴定结果显示,KU3067对3个供试叶锈菌生理小种表现为高感,Apav表现为高抗,148个BC₁F₅群体植株的抗感分离比符合1对基因的遗传模式,分子标记分析证实Apav中的基因为已知抗叶锈基因Lr13。成株期鉴定结果显示,KU3067、Apav均表现为高抗,后代群体呈现连续性分布,符合数量性状的特点,结合群体的DArT-Seq数据分析共定位到5个抗叶锈数量性状位点(QTL)。来自Apav的Lr13在2个环境中检测到,分别解释了51.60%,25.08%的表型变异;Lr67来自KU3067,解释了4.98%~7.30%的表型变异;来自Apav的QLr.hebau-2AS解释了6.68%的表型变异,可能为新的位点;来自Apav的QLr.hebau-5DL.1和来自KU3067的QLr.hebau-5DL.2分别解释了23.74%,8.41%的表型变异,均推测为新位点。明确了KU3067/Apav群体在保定环境下的抗性表现特征,定位了包括Lr13、Lr67以及3个潜在新抗叶锈QTL,并开发了紧密连锁的分子标记,为我国小麦抗叶锈病育种提供了重要的基因资源和标记。

脱落酸(ABA)受体蛋白PYL作为ABA信号转导的起始组分积极参与植物体内ABA介导的信号转导,在调控植株抵御逆境胁迫中具有重要功能。前期研究依据转录组数据筛选出西瓜对盐胁迫负响应的基因Cla97C07G133100.1,命名为ClPYL8。为进一步探讨西瓜脱落酸受体基因ClPYL8的生物学功能,以西瓜TN07011为试验材料,采用生物信息学、亚细胞定位及RT-qPCR等方法对ClPYL8的结构和功能进行解析。结果表明:ClPYL8基因的开放阅读框为702 bp,编码233个氨基酸。蛋白保守结构域预测ClPYL8含有PYR/PYL/RCAR-like保守结构域,属于SPRBCC superfamily超家族。启动子顺式作用元件分析表明,ClPYL8启动子中含有逆境响应、生长素响应、光响应等多种元件。采用无缝克隆技术构建EGFP融合表达载体并转入烟草,结果显示,ClPYL8定位于细胞核和细胞膜。组织特异性(RT-qPCR)分析显示,该基因在种子中的表达量最高,在果实和雌花中的表达量最低;在盐胁迫下,ClPYL8的表达量呈现下调表达趋势;在干旱胁迫下,该基因的表达量呈现先下降后上升的表达趋势;在低温胁迫下,该基因的表达量呈现先上升后下降的表达趋势。综上,ClPYL8积极响应非生物胁迫,可能通过脱落酸信号转导途径调控西瓜的逆境响应,推测其在盐胁迫中可能起负调控作用,在干旱和低温胁迫下可能起正调控作用。

茉莉酸类物质在调控果实成熟和品质形成过程中发挥着重要作用。JAZ蛋白是茉莉酸信号转导通路的核心抑制因子。为研究茉莉酸信号转导关键抑制因子JAZ蛋白在甜樱桃果实成熟和品质调控中的功能,从甜樱桃基因组中鉴定并克隆了PavJAZ1基因,基于生物信息学,分析了其理化性质、蛋白结构、保守结构域分布、启动子顺式作用元件等信息,通过荧光定量PCR分析了其在甜樱桃果实中的表达模式,观察了PavJAZ1蛋白亚细胞定位;此外,借助双分子荧光互补(BiFC)技术验证了PavJAZ1与PavMYC2之间的互作关系。基因鉴定与克隆结果表明,PavJAZ1基因开放阅读框长度为837 bp,编码278个氨基酸,蛋白分子质量为30.09 ku,理论等电点为9.21,不稳定系数为54.14,亲水性系数为-0.564,说明其为碱性亲水蛋白,且蛋白性质不稳定。蛋白序列和结构分析表明,PavJAZ1主要由无规则卷曲和α-螺旋构成,包含Tify和Jas 2个保守结构域,且与其他物种同源性较高,其中与同为蔷薇科李属的桃同源性最高。亚细胞定位观察发现,PavJAZ1蛋白定位于细胞核。表达模式分析表明,随着果实的发育和成熟,PavJAZ1表达量呈现先升高后逐步下降的趋势,暗示其可能在果实不同阶段发挥不同的作用。此外,BiFC结果表明,PavJAZ1可以与PavMYC2在植物体内互作,初步证明其可以参与茉莉酸信号转导。

KRP基因家族作为细胞周期调控的关键因子,通过抑制周期蛋白依赖性激酶(CDK)活性调节细胞分裂与核内复制进程,并参与植物非生物胁迫响应。为探索杜梨PbKRP2的结构特征和对环境胁迫的响应特性,采用逆转录PCR技术进行PbKRP2的基因克隆,并结合生物信息学方法对其序列特征、蛋白互作及亲缘关系等进行分析,通过荧光定量PCR技术检测杜梨PbKRP2的组织表达特性和在不同逆境胁迫下的表达模式。结果表明,该基因全长585 bp,包含4个外显子和3个内含子,编码194个氨基酸,含有25个潜在磷酸化位点和1个O-糖基化修饰位点,且在该蛋白C端具有周期蛋白依赖性激酶抑制因子家族特有的CDI结构域;进化树分析显示,杜梨PbKRP2与裸花东京樱花PyKRP2、桃PpKRP2和苹果MdKRP2的亲缘关系较为接近;蛋白质互作网络筛选发现,PbKRP2与10个蛋白存在潜在互作关系,互作蛋白静态结构分析发现,PbKRP2与其靶蛋白PbCDKB1;1和PbCYCD7;1形成空间互作构型;该基因启动子区存在多个响应环境因子与激素信号的顺式调控元件;实时荧光定量PCR结果表明,PbKRP2基因在茎和叶中表达量显著高于根、花瓣和果实,且该基因的转录水平在低温胁迫和ABA处理时持续上调,脱水和盐胁迫下显著下调。综上所述,通过解析PbKRP2的序列特性及其对非生物胁迫的差异化响应模式,为梨抗逆育种及果树遗传改良提供了候选基因。

对黄瓜种质资源果柄长度性状进行评价,挖掘相关变异位点,有助于提高黄瓜品质育种效率。首先对229份黄瓜种质资源开花当天和商品瓜时期果柄长度性状进行评价,再以鉴定出的中长果柄自交系9D6和6457与短果柄自交系MT和6429为亲本分别构建F₂群体,采用QTL-seq对黄瓜果柄长度性状调控基因进行QTL定位,并通过qRT-PCR对候选基因进行表达模式分析和变异位点验证。结果表明,不同种质资源开花当天和商品瓜时期果柄长度呈极显著正相关,开花当天和商品瓜时期果柄长度变异分别为0.4~6.2 cm,0.4~5.3 cm。遗传分析表明,黄瓜果柄长度性状广义遗传力分别为69.4%,94.4%,具有典型的数量性状遗传特征。两套F₂群体中分别检测到开花当天果柄长度相关的QTL位点6,5个,其中5号染色体0.840~7.350 Mb和6号染色体17.735~31.087 Mb的2个QTL区间在两套群体中共定位。在共定位QTL区间内预测到CsPG1 (CsaV3_5G010970)和CsROS1 (CsaV3_6G040410)。中长果柄亲本9D6和6457 CsPG1编码区保守结构域均存在非同义SNP311 C/T;另外,9D6的CsPG1启动子存在9 bp碱基插入,其中包含TATA-box,可能与其开花当天表达量显著高于其他亲本有关。短果柄亲本6429的CsROS1编码区存在3 bp碱基缺失,导致编码蛋白质缺失1个丝氨酸残基。中长果柄亲本9D6和6457的CsROS1编码区存在同义突变SNP3282 T/C,导致偏好密码子UAU变为非偏好密码子UAC。表明CsPG1和CsROS1是黄瓜果柄长的关键候选基因。

从甜荞中分离出FaesANT基因,研究其在同型长花柱(LH)甜荞中的表达模式及功能,揭示其在同型长花柱甜荞花器官发育调控中的作用,为甜荞分子育种与种质创新提供基因资源。结合PacBio SMRT(单分子实时测序)转录测序和RACE技术从甜荞中克隆FaesANT基因全长,石蜡切片结合qRT-PCR技术分析FaesANT基因在同型长花柱甜荞中表达的组织特异性和花芽形态分化过程中表达量的动态变化;并结合同型长花柱甜荞VIGS后花器官的表型解析基因的功能。结果表明:甜荞FaesANT基因全长1 982 bp,包含1 632 bp ORF,编码543个氨基酸,分子系统发育树分析将其聚为真双子叶植物ANT进化系。FaesANT在雄蕊和雌蕊以及幼果中表达量较高,但在三者中的表达量差异不显著,在茎、叶和花被片中仅能检测到微弱转录信号;在花芽分化过程中,FaesANT基因在雌雄蕊原基分化后有明显的表达,并在雄蕊花丝伸长期表达量达到峰值,随着花芽的进一步发育和分化,FaesANT的表达量逐渐下降,至开花时降至最低。在TRV2-FaesANT处理的强表型同型长花柱植株的花表现出雌蕊花柱和雄蕊花丝缩短、雄蕊数量减少,部分雄蕊花药花瓣化,FaesANT基因在这些强表型植株花中的表达量极显著降低。结合FaesANT表达模式和基因沉默后花器官表型分析,推测FaesANT主要参与甜荞花丝和花柱长短调控,同时也参与了甜荞雄蕊数量的调控。

肉桂酸4-羟基化酶(C4H)是黄酮类化合物合成途径中的一个关键酶,在植物抗逆过程中发挥着重要作用。为了解3种药用甘草(乌拉尔、胀果和光果甘草)中C4H基因家族的生物信息学功能,探究其在非生物胁迫下的表达特性及与甘草苷积累的关系,利用生物信息学方法对C4H基因家族成员进行分析,同时结合转录组数据和RT-qPCR验证了解其在非生物胁迫下的表达情况及与甘草苷含量之间的关系。结果显示,在3种药用甘草全基因组中共鉴定出11个C4H基因,分别命名为GuC4H1~3、GiC4H1~3和GgC4H1~5。这些基因在乌拉尔和胀果甘草中分布在2条染色体上,而在光果甘草中分布在3条染色体上。各基因成员虽然在氨基酸数、等电点等理化性质上存在差异,但亚细胞预测均定位于内质网,且含有C端血红素结合域(PFGVGRRSCPG)。表达模式分析显示,11个C4H基因在3种药用甘草的不同组织中均有表达,且非生物胁迫可显著诱导地下部分中的C4H基因上调表达。其中,GgC4H5在盐胁迫24 h表达量最高,是对照组(24 h)的1.68倍;GuC4H3在干旱胁迫2 h表达量最高,是对照组(2 h)的3.03倍。此外,适度的非生物胁迫显著提升了3种甘草地下部分的甘草苷含量。NaCl胁迫2 h,胀果甘草中甘草苷含量增加最显著,是对照组(2 h)的2.92倍;PEG胁迫24 h,光果甘草中甘草苷含量增加最显著,是对照组(24 h)的2.31倍。GgC4H5在盐胁迫下表达与甘草苷含量趋势一致,GuC4H2、GuC4H3、GiC4H2和GiC4H3在干旱胁迫下表达与甘草苷含量趋势一致。因此,这些基因可能是3种药用甘草地下部分响应非生物胁迫并参与甘草苷合成的关键基因。

SAUR基因在植物生长发育过程中起着重要的调控作用。植物激素ABA与GA₃在植物生长-胁迫应答中发挥关键作用。为了探究水稻OsSAUR23基因是否受ABA和GA₃调控。研究分析了OsSAUR23基因启动子区域的顺式作用元件,并以转OsSAUR23基因拟南芥和野生型拟南芥为试验材料,进行外源激素处理,通过测定其农艺性状、生理指标及与酸生长、ABA通路相关基因的表达情况,明确水稻OsSAUR23基因对ABA和GA₃响应的作用机制。结果表明:OsSAUR23基因的启动子区域含有ABA和GA₃的顺式作用元件,且水稻在ABA和GA₃处理下OsSAUR23基因的表达量显著增加。在农艺性状方面,随着ABA浓度的增加,过表达拟南芥发芽率、根长、株高和鲜质量均受到抑制,但株高和鲜质量均显著高于野生型。使用GA₃处理后,过表达拟南芥发芽率和根长呈现低浓度促进、高浓度抑制的双向调控模式,同时株高和鲜质量均显著高于野生型。在生理指标方面,随着ABA浓度的增加,过表达拟南芥SOD活性呈显著上升趋势,POD活性、CAT活性和MDA含量与野生型相比差异不显著,可溶性蛋白含量与野生型相比显著升高;随着GA₃浓度的增加,过表达拟南芥SOD活性、POD活性增加,CAT活性先升后降,MDA含量先降后升,可溶性蛋白含量与野生型相比显著升高。同时ABA和GA₃处理能促进过表达拟南芥根系等部位pH值下降,但高浓度激素处理会抑制该效应。qRT-PCR结果表明,过表达OsSAUR23显著下调了AtPP2C.D家族基因(AtAPD5、AtAPD6、AtAPD9)的表达,解除对质膜H⁺-ATP的抑制,促进质子外排,最终导致根系等部位pH值下降;同时过表达OsSAUR23导致AtPP2C.A成员表达呈现差异性变化,表明OsSAUR23可能参与协调ABA信号的传导。综上所述,OsSAUR23通过响应ABA和GA₃正向调控植株生长。

粒质量与粒形是决定水稻产量的关键因素,挖掘相关QTL(基因)对解析籽粒形成机制及指导高产育种具有重要意义。以籼稻昌恢891和粳稻02428构建的BILs群体为材料,利用高密度分子标记遗传图谱,对2个环境下的千粒质量、粒长、粒宽、粒厚和长宽比进行QTL定位研究。结合亲本开花后第5,10,15天的籽粒转录组数据,对QTL区间内的候选基因进行分析。频数分布表明,BILs群体粒质量与粒形呈现数量性状特征,适于QTL定位。在2个环境下,共检测到37个粒质量和粒形相关的QTL,包括海南三亚18个、江西南昌12个,以及两地共同检测到7个。全部QTL分布于水稻第1~5,7,8,11和12号染色体上,其中千粒质量相关7个、粒长相关5个、粒宽相关7个、长宽比相关11个、粒厚相关7个。分析表明,这些QTL的LOD值为2.79~43.10,贡献率为1.36%~46.12%。结合昌恢891和02428开花后第5,10,15天籽粒中差异表达的基因,在37个QTL中共获得28个候选基因,其中,LOC_Os11g10480和LOC_Os11g10100作为重点候选基因,将进行后续深入研究。

香稻种质资源的筛选和香味基因的快速鉴定与利用对香稻遗传育种具有重要意义。为了明确黑龙江省香稻材料的香味类型,提高香稻品种的育种效率,通过对黑龙江省审定推广的180个香稻品种的Badh2基因进行了测序,测序结果共分为2种突变类型,第一种类型为第7外显子8 bp缺失和3处碱基替换(Badh2-E7型),包含177个品种;第二种类型为第2外显子7 bp缺失(Badh2-E2型),仅包含3个品种。针对这2个突变类型设计了2个特异性KASP分子标记,通过180份香稻品种鉴定,分型结果与测序结果一致,同时分别利用五优稻4号(Badh2-E7型香稻)/唯农101(普通粳稻)、松科粳134(Badh2-E2型香稻)/东富114(普通粳稻)杂交构建的2个F₂群体进行了香味基因筛选鉴定,鉴定结果吻合率为100%,验证了KASP分子标记的准确性。进一步利用KASP标记对实验室自行创制、收集的620份粳稻亲本进行了鉴定,共筛选出248份Badh2-E7型香稻材料,同时对现有的1 220份以E7型香稻为亲本的F₇材料进行了分型检测,其中293份材料为香型、906份材料为非香型、21份材料为杂合型;随机抽取香和非香各5份材料进行测序验证,结果验证该KASP分子标记分型正确。为利用分子标记辅助选择方法培育寒地香稻新品种提供了新标记和新材料。

苏云金芽孢杆菌(Bt)能够产生多种杀虫蛋白,是重要的生防资源。为了发掘对鳞翅目害虫高毒力的Bt菌株,缓解害虫抗性压力并扩大资源储备,以河北地区土壤样品中分离的109株Bt菌株为研究对象,通过油镜观察伴孢晶体形状,利用40对通用引物(包括cry、cyt、vip 3种基因型)PCR鉴定所有菌株的基因型。以小菜蛾、斜纹夜蛾等5种鳞翅目害虫为靶标,筛选高杀虫活性菌株,并利用SDS-PAGE分析其晶体蛋白。结果表明,伴孢晶体形状主要是圆球形(90株),少部分为菱形(19株)。杀虫蛋白基因型检出率为93.6%,主要包括29种不同的cry基因型、1种cyt基因型以及3种vip基因型,91株具有至少2种杀虫蛋白基因型的组合,其中26株含有6种以上,多为cry+vip型。室内生测发现19株对小菜蛾等多种鳞翅目害虫的高毒力菌株,主要表达130,65 ku的蛋白,包含杀鳞翅目的cry1类、cry2类、cry15类等基因型,与PCR鉴定结果一致。获得了对鳞翅目害虫广谱、高毒力的Bt菌株,并初步明确了其杀虫基因,对新型Bt产品的开发具有重要意义。

为研究OsASL1.1基因的表达特性及在干旱胁迫响应中的作用,分析OsASL1.1蛋白的亚细胞定位和OsASL1.1基因启动子区顺式作用元件,并利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析OsASL1.1基因在脱落酸(ABA)、甘露醇、聚乙二醇6000(PEG6000)下的表达模式,同时以Kitaake为背景采用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建Cas9-OsASL1.1突变体,分析突变体的突变类型,并对突变体进行ABA敏感性和抗旱性分析。结果表明,OsASL1.1蛋白主要在质体中表达。OsASL1.1基因启动子区含有低温响应、植物激素(ABA、生长素)响应等顺式作用元件,其中,ABA响应顺式作用元件(ABRE)有5个。OsASL1.1基因受ABA、甘露醇、PEG6000诱导表达。获得了Cas9-6和Cas9-12两个纯合的突变类型,Cas9-6有17 bp的插入,导致翻译提前终止;Cas9-12有12 bp的缺失,导致缺失4个氨基酸。ABA处理下,Cas9-OsASL1.1突变体和野生型的主根伸长都受到了抑制,但Cas9-OsASL1.1突变体受到的抑制程度低于野生型。150 mmol/L甘露醇处理下,Cas9-6和Cas9-12突变体的存活率均显著低于野生型,以Cas9-6的存活率最低。综上,Cas9-OsASL1.1突变体对ABA的敏感性降低,对干旱的抗性降低,即OsASL1.1 基因功能丧失降低了水稻对ABA的敏感性和抗旱性。

近年来,我国南方地区农田土壤酸化现象日益严重,导致土壤中铝离子活性增强,对作物生长产生明显毒害作用,为挖掘油菜耐铝毒相关性状基因位点,以耐铝毒品种R248与铝毒敏感品种S120杂交得到的F₂群体为试验材料,通过表型鉴定构建铝毒耐受性极端混池,并采用BSA-seq法进行QTL定位分析。表型鉴定结果表明,F₂群体的铝毒耐受性呈连续性正态分布;通过基因组测序、变异位点筛选及性状关联研究,在A07、C02、C03和C08 4条染色体上鉴定出4个显著影响铝毒耐受性的遗传区域,区间总长度为0.73 Mb,含98个基因;根据富集分析结果和基因注释信息,预测BnaA07g35600D、BnaA07g35660D、BnaA07g35700D、BnaA07g35710D和BnaC03g39670D参与油菜耐铝毒激素的合成与运输;BnaC03g39840D参与细胞壁果胶甲酯酶合成;BnaC03g39750D和BnaC08g20580D为含MYB结构的转录因子;BnaC03g39850D和BnaC03g39980D参与氨基酸代谢,这些基因与油菜铝毒耐受性的相关性较大,为后续开展耐铝毒相关基因的分离鉴定及其分子机制解析提供了重要依据。

旨在开发一款高效适配茄科作物的双碱基编辑工具,以突破现有碱基编辑系统在茄科作物中适配性差、编辑效率低等问题。研究将核酸酶功能部分丧失的 Cas9 缺口酶(nCas9)与高效腺嘌呤脱氨酶 ABE8e、优化型胞嘧啶脱氨酶 sdd7-mini 及尿嘧啶糖基化抑制剂 UGI 等元件进行融合,依据茄科作物的启动子偏好性和密码子使用频率进行系统性优化,最终构建双碱基编辑器 TPDBE-S。在番茄和茄子原生质体瞬时转化试验中,该编辑器表现出极高的编辑效率。在本氏烟草稳定转化体系中,通过靶向 PDS 基因验证,5 个阳性转基因家系中有 4 个出现明显白化表型,证实其稳定编辑能力。该编辑器的编辑窗口与 ABE8e和 sdd7-mini的特性高度一致,且对茄科作物密码子偏好性和启动子活性的优化显著提升了编辑效率与适配性。TPDBE-S 的构建采用模块化设计,基于 tRNA 自切割机制的多靶点表达盒可通过一步基因合成实现快速组装,成本低且操作简便。该工具填补了茄科作物专用双碱基编辑空白。

为明确玉米总叶片数与穗上叶片数的遗传特性,揭示其对玉米产量潜力、生物量积累及抗倒伏性的调控作用,开展控制玉米叶片数的 QTL 定位及基因挖掘的试验。利用SLAF-seq 技术对昌7-2和PHB1M及其138份F_2∶3家系进行高通量测序,结合60 000(E1),120 000(E2)株/hm² 2个种植密度处理下的叶片数表型数据进行QTL定位,并对定位结果进行基因挖掘。结果表明,分布在8号染色体上的2个总叶片数QTL为主效QTL,贡献率分别为 16.96%和23.08%,加性效应值为负值;3个穗上叶片数的QTL分布在2号和4号染色体,加性效应值为正值,分布在4号染色体的2个QTL为主效QTL,贡献率分别为10.18%和14.75%;总叶片数和穗上叶片数的QTL分布在不同染色体区域,可能受到相对独立的遗传调控。基因功能分析发现,筛选到的基因参与碳水化合物代谢和植物激素信号转导途径等,同时筛选到部分转录因子。本研究结果为进一步揭示玉米叶片数的遗传基础提供更丰富的理论支持,为分子标记辅助育种提供靶点。

为探究马铃薯钼辅因子硫化酶基因(LOS5)的结构和功能,以紫彩3号马铃薯为试验材料,采用PCR技术克隆获得马铃薯StLOS5基因,并对其进行生物信息学分析、亚细胞定位、酵母逆境表型观察以及干旱胁迫下表达模式分析。结果表明,马铃薯StLOS5基因CDS区全长2 460 bp,编码819个氨基酸,分子质量为91.50 ku,理论等电点为6.78,亲水系数为-0.268,属于亲水性蛋白。系统进化分析显示,马铃薯StLOS5蛋白与番茄LOS5同源性最高,可能具有相似的功能。在其启动子区域检测到多个与非生物胁迫相关的顺式作用元件。亚细胞定位显示,StLOS5主要定位于细胞核。酵母逆境表型观察试验结果显示,StLOS5具有提高渗透胁迫耐受性的能力。荧光定量PCR分析结果表明,StLOS5的表达具有组织特异性,且在叶片中含量较高,并在干旱胁迫下能够快速响应,8%聚乙二醇处理12 h后叶片表达量达到峰值。以上结果表明,StLOS5在马铃薯响应干旱胁迫过程中具有一定作用。

水通道蛋白(AQPs)主要负责水分子的跨膜运输,参与植物生长发育和响应环境胁迫等过程。旨在从大蒜中克隆编码质膜内在蛋白(PIP)和液泡膜内在蛋白(TIP)的基因AsPIP1;1和AsTIP2;1,分析其序列特征,并探究它们在盐胁迫条件下的表达模式,以评估其在大蒜耐盐性中的潜在功能。利用RT-PCR技术从大蒜中克隆了AsPIP1;1和AsTIP2;1基因,利用生物信息学方法对克隆基因的开放阅读框、编码氨基酸序列及保守结构域等进行分析,并通过荧光定量PCR检测AsPIP1;1和AsTIP2;1基因在不同组织和盐胁迫条件下的表达特性。结果发现,AsPIP1;1和AsTIP2;1基因的开放阅读框分别为867,747 bp,编码288,248个氨基酸,具有NPA保守基序。AsPIP1;1和AsTIP2;1在大蒜叶片和根部高表达,盐胁迫环境能强烈诱导这2个基因转录水平的改变。且AsPIP1;1和AsTIP2;1可能与其他AQPs蛋白、细胞壁相关蛋白、转运蛋白相互作用,以适应盐胁迫环境。这些结果表明,AsPIP1;1和AsTIP2;1基因可能参与大蒜植株响应盐胁迫的过程。

向日葵是我国重要的油料作物,具有较强的耐盐性,但主产区盐渍化加重制约了向日葵的生产。为揭示向日葵苗期耐盐相关性状的耐盐机制,挖掘与向日葵苗期耐盐性显著相关的SNP位点及候选基因,以124份向日葵种质资源为材料,在250 mmol/L NaCl胁迫条件下,对株高、叶面积、地上部分鲜质量、地下部分鲜质量、SPAD值5个性状进行全基因组关联分析及耐盐位点/基因的挖掘。结果表明:在盐胁迫14 d时,苗期相对株高、相对叶面积、相对地上部分鲜质量、相对地下部分鲜质量和相对SPAD值5个性状指标均发生了显著变异,呈正态分布,影响最明显的为相对地下部分鲜质量和相对叶面积(变异系数46.57%以上);利用全基因组关联分析获得18个显著关联的SNP位点,其中Chr35448-18789497在多个耐盐相关性状中均被检测到;在上下游各80 kb进行基因搜索,筛选到45个相关候选基因;通过对关联位点区间进行扫描和基因注释分析,发掘出4个可能与向日葵苗期耐盐性状相关的候选基因。通过对向日葵进行苗期耐盐性状的全基因组关联分析,获得了与苗期耐盐性状显著关联的SNP位点,发掘出耐盐性相关的候选基因,为后续开展耐盐基因的验证奠定了基础。

为了探究重要香菇种质资源及其杂交子代的遗传演化和分子差异,以8个香菇主栽品种、6个杂交新品种和2个野生菌株为材料,利用全基因组重测序技术,基于SNP数据进行遗传多样性和群体结构分析。结果表明,野生菌株Y5和Y6的SNP数量远高于主栽品种,分别为158 659,149 422个,处于独立的遗传距离聚类分支;而香菇主栽品种及其杂交子代SNP数量和亲缘关系比较接近,SNP数量为97 295~105 627,遗传距离为0.001 2~0.055 3,处于同一个聚类分支。主栽品种及其杂交子代分支可以分为6组近缘种,分别为早熟品种L18和868组,早熟白面品种RX11、QK212和0912组,中熟硬质品种808、LX1和168组,808、L18和868的杂交子代品种JX15和JX3组,JX15和JX3的杂交子代品种JXB5和JXB15组,0912和JXB5的杂交子代品种E14和E36组。群体结构和主成分分析显示香菇种质资源可分为4个亚群,第一类为RX11、QK212和0912及其杂交子代品种E14和E36;第二类为主栽品种LX1、168、808及其杂交子代JX15、JX3,遗传信息或遗传背景非常接近;第三类为L18、868及其经过多次遗传改良的优质杂交菌株JXB5和JXB15,处于栽培品种和野生菌株的过渡状态,并且偏向于栽培品种;第四类为野生菌株YX5和YX6,与栽培菌株区分较为明显。明确了香菇菌株之间的遗传差异,为后续杂交育种的亲本选择和杂交组合配对奠定了基础。

为了从转录水平阐明小麦品质调控的分子机制,通过对石麦15籽粒进行⁶⁰Co-γ辐射诱变获得了2个诱变品系(A94和A261),对石麦15、A94和A261开花后第7,14,21,28天的发育籽粒进行了转录组测序,同时测定了其面粉的吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度和粉质质量指数。结果表明,2个诱变品系的粉质参数均优于石麦15。24个发育籽粒样品经转录组测序,数据过滤和注释后,共得到26 714个基因。与石麦15相比,A94在4个时间点分别有1 042,258,301,366个差异表达基因(DEGs),A261分别有 2 178,248,117,959个差异表达基因。KEGG富集结果表明,DEGs主要参与淀粉和蔗糖代谢通路和内质网蛋白加工;GO富集显示,DEGs主要参与了糖原生物合成过程、造粉体等生物学过程。通过对这些通路和生物学过程中的差异基因分析,推测2个诱变品系品质提高的原因包括灌浆早期蔗糖和淀粉合成与代谢相关基因上调、中后期错误折叠蛋白的降解、蛋白和淀粉积累调控基因的差异表达等。

叶锈病和白粉病是世界范围内小麦上的主要病害,培育和种植抗病品种是防治这两种病害最经济有效的方法。为了明确1 200份小麦主栽品种(系)中抗叶锈病基因Lr21的分布情况,利用小麦抗叶锈病基因Lr21紧密连锁的分子标记对1 200份小麦主栽品种(系)进行检测,发现23个小麦主栽品种(系)中含有抗叶锈病基因Lr21。利用其他已报道的小麦抗叶锈病基因分子标记对23份小麦材料进行检测,发现藁优2018含有Lr20基因,矮丰8号、京冬22、中麦175、鲁原205和唐Y958含有Lr37基因,济南17含有Lr46基因,未检测到含Lr9、Lr10、Lr19、Lr24或Lr34的小麦品种(系)。分别利用小麦叶锈菌和小麦白粉菌流行小种对23份含有Lr21的小麦主栽品种(系)进行抗病性鉴定,7个小麦主栽品种(系)对叶锈菌和白粉菌同时表现抗性,出现频率为30.43%;6个小麦主栽品种(系)对叶锈菌和白粉菌同时表现感病,出现频率为26.09%。总之,筛选了含有抗叶锈病基因Lr21的小麦主栽品种(系),进一步明确了这些含Lr21的主栽品种(系)中其他抗叶锈病基因的存在情况,评价了它们对叶锈和白粉菌的抗性。

枯草芽孢杆菌ZA1具有良好的抑菌和促生作用。解旋酶已被证实为核酸代谢关键蛋白复合体,且解旋酶超家族成员通过特异性切割DNA/RNA分子中的磷酸二酯键,在遗传信息传递过程中执行关键催化功能。为明确解旋酶基因ypvA和yjcD在枯草芽孢杆菌ZA1抑菌过程中的潜在作用,以枯草芽孢杆菌ZA1为材料,克隆ypvA和yjcD基因,利用生物信息学分析它们的序列特征,通过亚细胞定位检测2个基因的位置,对2个基因及其编码蛋白的结构与功能特性进行初步解析。结果表明,克隆获得的ypvA和yjcD基因编码区全长分别为1 791,1 767 bp,分别编码596,588个氨基酸,其编码蛋白的预测相对分子质量分别为68.804 01,68.275 08 ku,理论等电点分别为4.81,8.25,且亲水性较弱。ypvA和yjcD的蛋白空间结构主要由α-螺旋、β-折叠和大量无规则延伸链组成的紧密结构。亚细胞定位于细胞质和细胞核中,不存在跨膜区及信号肽,为非分泌蛋白。分析保守结构域得到ypvA属于Rad3相关DNA解旋酶DinG家族,基因yjcD属于UvrD超家族I DNA或RNA解旋酶,通过进一步的蛋白质系统进化树分析明确将这2个蛋白鉴定为ATP依赖性解旋酶。因此,通过克隆枯草芽孢杆菌ZA1中的ypvA和yjcD基因并分析序列为非分泌性ATP依赖性解旋酶。

为探究薄皮甜瓜果形的遗传机制,以薄皮甜瓜细长形自交系M125和近圆形自交系M30为亲本构建六世代遗传群体,利用主基因+多基因混合遗传模型分析法对果实纵径、横径及果形指数的遗传规律进行分析。结果显示,2021-2023年甜瓜果实纵径与果形指数具有极显著正相关性且相关系数较高。3个年份甜瓜果实纵径、横径和果形指数最适遗传模型均为MX2-ADI-ADI,即2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因。控制果实纵径、横径和果形指数的2对主基因加性效应值在3个年份间相等且为正值(d_a=d_b>0),具有增效作用。2021,2023年控制果实纵径的第1对主基因显性效应值的绝对值显著高于第2对主基因,而2022年第2对主基因显性效应值略高于第1对主基因;控制果实横径的2对主基因显性效应值在不同年份差异较小且均为负值,表明主基因显性效应均对果实横径起负向作用;控制果形指数的第1对主基因显性效应值的绝对值大于第2对主基因,说明第1对主基因在显性效应中起主导作用。3个年份中果实纵径主基因在F₂分离世代的遗传率分别为81.51%,72.16%,80.77%;横径主基因在F₂分离世代的遗传率分别为77.88%,69.94%,65.90%;果形指数主基因在F₂分离世代的遗传率分别为80.41%,70.81%,82.49%。薄皮甜瓜3个果形性状的遗传表现为数量性状的遗传特征,F₂主基因遗传率较高,因此,对薄皮甜瓜果形相关性状宜在早期世代进行选择。

小麦作为全球主要粮食作物之一,其生长发育、产量及品质常受非生物胁迫制约。为应对非生物胁迫,小麦进化出信号感知、信号传导及基因表达调控等一系列响应机制维持细胞稳态、保护生物大分子功能。干旱胁迫会导致小麦渗透调节物质与抗氧化物质积累、光合速率下降及形态结构改变,其分子机制主要包括活性氧(ROS)信号、激素信号及基因表达调控等途径。盐碱胁迫则会抑制种子萌发与幼苗生长,造成光合作用受阻、渗透调节失衡、离子平衡紊乱及膜脂氧化;小麦可通过激活盐超敏感(SOS)信号通路、钙离子信号、激素信号及基因表达调控来增强耐盐性。极端温度胁迫会抑制光合作用、引发膜脂氧化并促使渗透调节物质积累,其调控机制主要涉及激素信号、转录激活及表观遗传调控。本研究综述了小麦应对干旱、盐碱及极端温度胁迫的响应机制,并展望未来研究方向:聚焦多胁迫交叉互作机制,挖掘复合胁迫响应基因;将抗逆性状整合到高产优质遗传背景中,实现理想株型与抗逆性的协同改良;推动生物技术与常规育种方法深度融合,提升育种效率。旨在为小麦非生物胁迫抗性遗传改良提供理论支撑与技术参考。

bHLH(Basic helix-loop-helix)转录因子家族是植物中广泛存在的超基因家族,能结合靶基因启动子上的顺式作用元件,从而广泛参与植物生长发育、次生代谢调控、信号转导和胁迫应答等各种生理生化过程。棉花作为世界上最重要的经济作物之一,枯/黄萎病、低温、高温、盐碱、干旱和重金属等胁迫严重影响棉花产量和纤维品质。同时,随着植棉效益的不断下降,棉籽和次生代谢物等副产品的高值化利用对提高棉花综合利用价值更具有关键意义。本研究对bHLH转录因子在棉花纤维、花药、色素腺体等组织器官发育及体细胞胚胎发生、株型调控、生物/非生物胁迫应答等生命活动中功能的研究进展进行了总结,并对深入解析bHLH转录因子生物学功能,提高棉籽油、棉籽蛋白、棉酚、花青素、棉籽维生素、花蜜等棉花副产品利用价值的应用前景进行了展望,这将为深入阐明bHLH转录因子在棉花生长发育等过程中的功能以及提升棉副产品的综合利用价值提供参考。

涝害胁迫严重影响大豆生产,为探讨涝害胁迫对大豆生长发育的影响,解析其响应机制,以淮北地区种植的4个大豆种质为试验材料,通过模拟三叶期涝害处理,结合产量、生理指标和转录组学分析探究大豆耐涝机制。研究表明,涝害胁迫显著降低涝害敏感品种徐豆18的干物质积累和氮吸收效率,单株产量损失30.23%,而耐涝品种淮豆13单株产量只损失16.77%,通过稳定根系氮吸收和维持根系干物质积累表现出较强适应性。转录本测定结果表明,涝害胁迫后耐涝品种淮豆13差异表达基因显著富集于次生代谢产物的生物合成、光合系统和抗氧化相关通路;而涝害敏感型徐豆18差异表达基因主要富集于激素转导、光合作用、过氧化物酶体等相关通路等。共鉴定到148个在耐涝与敏感品种间存在显著表达差异的涝害胁迫响应基因(DEGs),主要富集在光合作用、次生代谢物和脂肪酸代谢途径,转录因子包含AP2/ERF-ERF、C3H、ARR-B、NAC、WRKY等,综上筛选到次生代谢途径中可能存在与耐涝特性相关的转录因子或基因。

OFP是一类植物特有的转录因子,在调控植物器官形态建成和响应非生物胁迫等过程发挥重要作用。为了研究大豆OFP转录因子家族成员特征及其在干旱胁迫和盐胁迫中的作用,运用生物信息学方法对大豆OFP家族成员进行鉴定和分析。结果表明:在大豆中共鉴定到41个GmOFP基因,命名为GmOFP-1~GmOFP-41;这些基因不均匀地分布在大豆19条染色体上,编码152~414个氨基酸;亚细胞定位预测大豆OFP蛋白主要定位在细胞核、叶绿体、线粒体中;在大豆OFP蛋白中共鉴定到10个保守基序,其中保守基序1和2存在于所有OFP成员中;系统发育分析将大豆和拟南芥OFP蛋白分为5个亚家族Class Ⅰ~Class Ⅴ,其中大豆OFP家族基因主要分布在Class Ⅰ和Class Ⅲ中;共线性分析发现,大豆基因组OFP成员中有75对基因存在共线性关系,4对基因存在串联重复,仅有2个基因GmOFP-2和GmOFP-39没有共线性关系,表明基因片段复制是导致大豆OFP家族成员增多的主要原因。通过qRT-PCR方法分析了GmOFP基因家族成员在干旱胁迫和盐胁迫处理下的表达模式,结果表明:与对照相比,41个GmOFP基因中有16个GmOFP成员在干旱处理后基因表达水平表现出显著差异,其中GmOFP-15、GmOFP-17、GmOFP-32显著上调表达,GmOFP-4、GmOFP-5、GmOFP-6、GmOFP-9、GmOFP-12、GmOFP-21、GmOFP-23、GmOFP-25、GmOFP-26、GmOFP-27、GmOFP-38、GmOFP-39、GmOFP-40显著下调表达;有8个GmOFP成员在盐处理后基因表达水平表现出显著差异,其中GmOFP-7、GmOFP-14、GmOFP-31、GmOFP-32、GmOFP-36、GmOFP-40显著上调表达,GmOFP-1、GmOFP-15显著下调表达。综上所述,大豆OFP基因家族在应对干旱胁迫和盐胁迫中可能具有重要功能。

大豆萌发阶段遭受低温胁迫会对产量造成巨大影响。为挖掘大豆萌发期低温胁迫响应相关基因,探究大豆萌发期耐低温的生物学过程,对8个萌发期低温耐性存在显著差异材料萌发3 d的种子进行了转录组测序。筛选耐低温材料与低温敏感材料间差异表达基因(DEGs),并对差异表达基因进行GO富集分析、KEGG富集分析和转录因子分析。在15个低温耐性差异对比组中筛选到231个共有差异表达基因,其中159个DEGs在冷敏感大豆中表达上调,72个DEGs在冷敏感大豆中表达下调。GO富集分析结果显示,DEGs主要集中在细胞过程(GO:0009987)、代谢过程(GO:0008152)、生物调节过程(GO:0065007)、对刺激的反应(GO:0050896)、结合(GO:0005488)、转运蛋白活性(GO:0005215)和转录调节剂活性(GO:0140110)等生物学过程。KEGG富集通路分析发现,DEGs主要富集在淀粉和蔗糖代谢通路(ko00500)。参与种子发育的基因Glyma.03G144400、Glyma.19G147200、Glyma.10G027600、Glyma.10G247500、Glyma.20G147600,参与代谢反应的基因Glyma.05G004300、Glyma.17G086400和编码谷胱甘肽氧化酶的基因Glyma.01G219400均在冷敏感材料中上调。在231个差异表达基因中共鉴定出15个转录因子,属于MYB、AP2/ERF、NAC等转录因子家族。说明大豆通过调节多种生物学过程、物质代谢和信号传导来应对萌发期低温胁迫。

Metacaspase(MC)是一种精氨酸/苏氨酸特异性蛋白酶,研究表明其在细胞程序性死亡中发挥作用。为探究 MC家族基因在甘蓝型油菜基因组中的分布及其是否响应干旱胁迫,对甘蓝型油菜MC家族基因成员的理化性质、系统发育、基因结构、保守结构域、顺式作用元件及干旱(PEG6000)和脱落酸(ABA)胁迫下的表达模式进行系统分析。共鉴定到25个BnMC基因,染色体定位显示,25个BnMC分布于13条染色体上,17个成员定位于细胞核,7个成员定位在细胞质;系统进化树将BnMC分为2个大类(Ⅰ型和Ⅱ型),4个分支(Group A、Group B、Group C和Group D),同一分支的BnMC具有相似的基因结构和保守基序分布。MC家族基因的核心启动子区包含的顺式作用元件有光响应元件、植物激素响应元件、植物生长发育响应元件和胁迫响应元件,非生物胁迫响应相关的所有顺式作用元件中,脱落酸响应元件(ABRE)数目最多,为79个,所有成员都含有该元件。转录组学结果分析发现,干旱胁迫后BnMC10、BnMC22、BnMC1、BnMC12、BnMC8的表达量上调,BnMC4和BnMC5表达下调。qRT-PCR检测显示,BnMC10、BnMC8、BnMC1、BnMC12在根和叶中均有表达,且受PEG6000和ABA诱导上调,其中BnMC1受诱导上调最为显著。综上所述,甘蓝型油菜响应干旱胁迫涉及对MC家族基因的表达水平调控。

为解析花生荚果响应水分胁迫的分子机制,利用盆栽试验并结合转录组学分析,以正常供水处理为对照,系统探究了花针期阶段性干旱和渍涝胁迫对花生产量、品质及基因表达的影响。结果表明,干旱和渍涝胁迫均显著降低花生荚果产量(降幅分别为26.43%和77.69%)及籽仁粗脂肪含量(降幅分别为9.46, 6.71百分点)。转录组分析进一步表明,干旱胁迫组与对照组、渍涝胁迫组与对照组分别鉴定出1 525,1 382个差异表达基因,且两类差异表达基因均以表达下调为主,其中,干旱胁迫抑制了花生荚果中与脂质和脂肪酸代谢相关的6个关键代谢过程,其中88.38%的基因表达呈下调趋势,揭示了脂质代谢紊乱可能是干旱导致花生产量和品质下降的主要原因。渍涝胁迫则主要通过下调催化活性、跨膜运输、氧化还原及次生代谢物的生物合成等相关基因的表达,干扰荚果的代谢与防御功能。此外,KEGG富集分析结果显示,代谢途径和次生代谢物生物合成通路在2种水分胁迫下均受到显著影响。关键基因qRT-PCR验证结果与RNA-seq数据一致,证实了转录组结果的可靠性。综上,从转录组层面阐明了花生荚果响应水分胁迫的分子基础,明确脂质代谢紊乱是干旱胁迫导致花生产量下降、品质变劣的主要原因,而花生主要通过调控荚果中氧化还原及代谢相关通路基因的表达,以应对渍涝胁迫带来的不利影响。

盐胁迫对作物的产量和品质造成巨大的威胁,而大麦作为耐盐研究的先锋作物之一,开展其耐盐机理的解析,可为作物耐盐育种提供理论依据。以前期获得的盐敏感裸大麦地方品种B87和耐盐裸大麦地方品种B94为供试材料,在三叶期使用200 mmol/L NaCl处理7 d后,对其地上部组织进行了转录组和代谢组测序,并通过联合分析揭示裸大麦的耐盐性分子机理。结果显示,转录组和代谢组分析中,B87鉴定到了2 240个差异表达基因(DEGs)和198个差异丰度代谢物(DAMs),而B94鉴定到了923个DEGs和232个DAMs。经韦恩分析,耐盐裸大麦品种B94中特异DEGs和特异DAMs分别为480,129个。进而,又对DEGs和DAMs分别进行了GO和KEGG分析,其中B94的DEGs特异显著富集到11个通路,而其DAMs则仅特异显著富集到1个通路。另外,还对转录组和代谢组进行了相关性分析,发现基因与代谢物的变化既存在一致性,也存在不一致性。这些工作不仅丰富了对裸大麦耐盐性分子机理的理解,也为未来裸大麦耐盐育种提供了有价值的线索。

β-淀粉酶(BAM)在植物体内参与多种生物学过程的调控,并能对激素与非生物胁迫等多种外界刺激做出响应。为了解玉米BAM家族的特征和表达模式,利用生物信息学方法,对玉米BAM基因家族成员进行了全基因组鉴定,并分析了其编码蛋白、染色体定位、基因结构、顺式作用元件、共线性、组织表达特异性以及模拟雹灾和施用褪黑素处理后基因的表达模式。结果表明,在玉米中鉴定出16个ZmBAM成员且均具有典型的Glyco_hydro_14结构域,且大多数为亲水蛋白。系统发育分析显示,ZmBAM蛋白可分为3个类群,相同类群具有相似的基因结构及基序分布。顺式作用元件分析表明,大部分ZmBAM基因的表达可能与植物激素、非生物胁迫和光反应等相关。共线性分析结果显示,玉米与拟南芥和大豆BAM基因家族有一定的同源性,与水稻亲缘关系更近。qRT-PCR分析发现,在模拟雹灾胁迫下,大部分基因呈上调趋势,施用褪黑素后显著上调,为进一步揭示玉米BAM基因家族在响应非生物胁迫中的功能提供了参考依据。

富含半胱氨酸类受体激酶作为受体激酶重要亚家族,在植物生长发育中发挥关键作用。旨在解析GhCRK26基因与棉花纤维发育的关系,为棉花纤维品质改良提供理论基础。选用陆地棉系9和海岛棉新海16,采集纤维发育不同时期样本及根、茎、叶组织。通过qRT-PCR分析GhCRK26基因表达模式;利用PCR技术克隆GhCRK26基因;借助生物信息学工具构建系统发育树,预测蛋白理化性质、跨膜结构及信号肽;运用PlantCare数据库分析启动子顺式作用元件;通过亚细胞定位试验明确蛋白定位。结果表明,GhCRK26基因在2个品种开花后10,20,30 d的表达量呈现极显著差异;在系9中叶片的表达水平最高,在新海16中,茎与叶的表达量未表现出显著差异。成功克隆获得2 049 bp的CDS序列,编码682个氨基酸。进化树显示,GhCRK26蛋白与野西瓜苗亲缘关系最远,与夏威夷棉、海岛棉最近;该蛋白为亲水不稳定蛋白,含跨膜结构和信号肽;启动子区鉴定到茉莉酸甲酯和脱落酸响应元件;亚细胞定位证实其定位于细胞膜。以上研究为进一步深入解析GhCRK26基因在纤维发育中的功能提供了依据。

为探究马铃薯中StIMPα的功能,以马铃薯克星一号为材料,通过PCR技术成功克隆了StIMPα2基因。生物信息学分析结果表明,该基因的编码区(CDS)全长为1 590 bp,其编码的蛋白含有IMPα家族的典型结构域。系统进化树分析显示,StIMPα2与拟南芥中的AtIMPα-1和AtIMPα-2亲缘关系最近,暗示其功能的保守性。此外,对StIMPα2启动子序列的分析发现,其区域内含有多种与生物及非生物胁迫响应相关的顺式作用元件。为进一步明确其细胞内定位,构建了StIMPα2-GFP融合表达载体,并通过农杆菌介导的瞬时转化法在本氏烟草叶片中进行表达。激光共聚焦显微镜观察结果显示,GFP荧光信号特异性地富集于细胞核,证实StIMPα2是一个定位于细胞核的蛋白。表达模式分析发现,StIMPα2的表达受低温、高盐、干旱等非生物胁迫以BTH的显著诱导。在功能验证方面,通过农杆菌浸润法在本氏烟草中过表达StIMPα2,并接种马铃薯致病疫霉。病理学表型分析显示,与对照相比,过表达StIMPα2的烟草叶片其病斑面积显著减小;同时,通过实时荧光定量PCR检测致病疫霉生物量,也证实了StIMPα2过表达植株中的致病疫霉生物量显著降低。综上所述,StIMPα2是一个受多种生物与非生物胁迫诱导表达的核定位蛋白,并通过正调控植物免疫反应来增强对致病疫霉的抗性。

Aux/IAA基因家族成员编码的蛋白通过调节生长素(IAA)信号转导途径调控植物的胚胎形成、种子发育等多种发育过程。为探究Aux/IAA基因家族在枣胚发育过程中的作用,利用胚高度可育枣品种灰枣和胚低度可育枣品种孔府酥脆枣的转录组数据,对影响枣胚发育过程的Aux/IAA基因家族的关键基因进行生物信息学分析和功能验证。结果表明,经过基因克隆获得了一个长度为1 731 bp的Aux/IAA基因家族的基因序列,编码362个氨基酸。蛋白质结构预测显示,其二级结构以无规则卷曲为主,且具有典型的IAA9蛋白保守域,将其命名为ZjIAA9。同源性分析结果显示,ZjIAA9与红栎中的RGQ29_009000、栓皮栎中的CFP56_014209亲缘关系较近。通过农杆菌介导的叶盘法转基因获得了Micro-Tom小番茄转基因植株。对Micro-Tom小番茄转基因植株的生长素含量进行测定后发现,转基因植株果肉的IAA含量高于未转基因植株,表明ZjIAA9可能参与生长素的生物合成。与野生型相比,转基因植株的表现为无籽或少籽状,表明枣ZjIAA9可能参与调控枣胚胎发育过程。

绣球是一种高耐铝且铝积累能力强的观赏植物,花色易受土壤pH值和萼片Al³⁺含量影响,但其耐铝机制尚不十分清楚。MYB转录因子家族在植物逆境响应中具有重要作用,为研究其在绣球耐铝中的功能,以大叶绣球无尽夏为材料,对HmMYB73基因进行克隆、生物信息学、共表达网络、表达模式分析以及酵母功能验证。结果表明,HmMYB73编码266个氨基酸,具有典型的R2R3结构域,属于R2R3-MYB亚家族;与HmMYB73共表达的基因参与催化、转运、应激响应和解毒等生物学功能;铝处理下,HmMYB73在绣球根、叶和萼片中均显著上调表达,其中根部表达量最高,是对照的16倍;过表达HmMYB73可显著增强酵母对铝胁迫的耐受性。综上,HmMYB73可能参与绣球对铝胁迫的生物调节过程。

钩藤生殖生长时茎钩转换为花序梗,导致茎钩产量降低,为确定钩藤茎钩与花序梗器官同源转换的关键调控因子,以钩藤茎钩及花组织为材料,克隆其花分生组织基因UrAP1(APETALA1)。随后对该基因开展了生物信息学解析,深入探究其编码产物的理化特性。同时,借助qRT-PCR技术,检测了UrAP1基因在钩藤营养枝与生殖枝不同部位的相对表达丰度,以期阐明其在花器官发育中的功能及其调控网络。结果显示:UrAP1基因的编码区(CDS)长度为729 bp,可编码一个包含242个氨基酸组成的蛋白质;该序列与西洋参AP1基因具有高度同源性(相似度达94%),且包含保守的MADS结构域和K-box基序;此外,UrAP1编码的蛋白质不具备跨膜结构域,且定位于细胞核。UrAP1基因在钩藤营养枝条的叶、茎、茎节和茎钩中具有一定程度的表达且整体呈现稳定的状态;而在钩藤生殖枝条的叶、茎、茎节、花序梗和花蕾的相对表达量有着显著差异,其中幼蕾花期相对表达量达到最高,随花蕾的老化呈降低趋势。通过比较UrAP1基因在钩藤2种生长型枝条中的表达模式,推测UrAP1基因在调控钩藤花芽分化过程中发挥重要作用。

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。