超级稻品种南粳5718被列为农业农村部主导品种,在大面积生产中抗倒性表现出色。研究南粳5718的茎秆特性,解析其抗倒伏的分子机制,能够为抗倒伏水稻育种提供新的思路。以抗倒性较强的超级稻品种南粳5718和2个抗倒性较弱品种南粳518和南粳58为材料,比较农艺性状、茎秆特性与抗倒伏的相关性,发现南粳5718抽穗后20 d的株高、重心高度显著低于南粳518和南粳58,倒二节间长度、倒二和倒三节间的直径和茎壁厚度均高于南粳518和南粳58。茎秆结构性和非结构性碳水化合物含量测定结果表明,倒二和倒三节间的纤维素和木质素含量高是导致南粳5718强抗倒性的重要因素。进一步分析发现,3个品种倒二节间纤维素酶活性无显著差异。南粳5718和另外2个品种相比,102个纤维素和木质素合成代谢途径相关基因中只有pPLAⅢα(编码糖蛋白相关磷脂酶A)、CBF诱导因子bHLH002、ILA1(编码丝裂原活化蛋白激酶)和转录因子基因NAC5在编码区存在错义突变。正调控纤维素合成的转录因子MYB61、负调控纤维素合成的细长秆基因SLR1和PIL13、多半乳糖醛酸酶PG3、乙烯响应因子ERF34、矮秆基因DPH1、转录因子MYB7等基因的相对表达量在南粳5718和南粳58之间存在显著差异。木质素代谢过程中的4-香豆酸:辅酶A连接酶4CL3、MYB转录因子RLM1、对香豆素酯3-羟化酶CYP98A4、NAC转录因子SWN1和苯丙氨酸脱氨酶基因PAL1等基因的相对表达量在南粳5718和南粳58之间存在显著差异。关键基因在节间的表达差异是南粳5718茎秆高纤维素和木质素含量导致强抗倒性的原因。综上,超级稻南粳5718强抗倒性在茎秆特性上表现为具有较粗的节间直径和较大的茎壁厚度,节间较高的纤维素与木质素含量为其抗倒性提供了物质基础,纤维素和木质素合成通路中关键基因表达差异可能是南粳5718茎秆强抗倒性的主要原因。

旨在基于代谢组与转录组联合分析,阐明不同颜色鲜食玉米籽粒花青素的组分差异及其分子调控机制,为彩色鲜食玉米分子育种提供候选基因与理论依据。以白色WN2000、黄色HN、彩色CN1和黑色HTN188为材料,综合采用代谢组学鉴定花青素相关代谢物并筛选差异代谢物,结合转录组测序获得差异表达基因(DEGs),通过GO注释与KEGG通路富集解析代谢—基因关联,并在花青素生物合成通路中挖掘关键结构基因与转录调控因子。结果表明,代谢组共鉴定49种花青素类代谢物,HTN188中矢车菊素、芍药素和天竺葵素等主要花青素显著积累,表现出更强的色素沉积特征。转录组共获得12 557个DEGs,其中F3H、DFR、UFGT等结构基因及MYB、bHLH等转录因子在高花青素品种中显著上调。相关性分析显示,基因Zm00001d011438的表达量与总花色素苷含量呈显著正相关,提示其可能在籽粒花青素积累中发挥关键作用。综上,基于代谢组与转录组联合分析,描述了不同颜色鲜食玉米籽粒花青素组成及相关基因表达差异,筛选出与花青素生物合成通路相关的结构基因、转录因子及候选基因Zm00001d011438,为后续功能验证与遗传改良研究提供参考。

以棉花GhMYB113基因为对象,旨在探究其在棉花黄萎病抗性中的功能。GhMYB113编码249个氨基酸,分子质量29.07 ku,等电点6.46。通过系统进化和亚细胞定位分析,发现其与大豆GmMYB113同源性最高,且定位在细胞核。接着利用实时荧光定量PCR(qPCR)分析其表达模式,发现根组织中表达量最高,且受大丽轮枝菌、水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)诱导表达升高,暗示其参与抗病反应。通过VIGS技术沉默GhMYB113后,发现植株叶片花青素累积量显著减少,花青素合成途径基因表达降低,表明GhMYB113正调控棉花花青素合成。进一步通过GUS酶报告系统,验证其可激活GhDFR启动子。最后对沉默植株接菌分析,发现其病害症状严重,病情指数值高,病株率增加,茎组织内部褐化现象严重,真菌生物量显著高于对照植株,证实GhMYB113正调控棉花黄萎病抗性。综上所述,GhMYB113在棉花花青素合成及抗黄萎病方面发挥重要作用,为棉花抗病育种提供了理论依据。

鉴定小麦叶枕控制因子LIGULELESS 2(LG2)并分析其互作蛋白,对探究小麦叶枕器官建成和叶夹角大小调控的分子机制及选育优良株型新品种提供理论依据具有重要意义。首先,通过构建系统发育树,在小麦基因组中鉴定到LG2的2个同源基因,分别命名为TaLG2和TaLG2L,且两者在A、B、D亚基因组均有3个拷贝同源基因,相似性达90%以上;基于转录组数据进行叶枕发育时期和叶片组织特异性表达分析,结果表明,TaLG2和TaLG2L均在叶枕器官中特异表达,且除TaLG2-3A外,其他5个同源基因均在叶枕发育早期S1期特异表达;构建诱饵载体pGBKT7-TaLG2L-1A,进行酵母双杂交(Y2H)筛库,共得到174个阳性克隆,经过测序分析共鉴定到68个小麦TaLG2L-1A的候选互作蛋白;GO功能富集分析显示,这些蛋白主要参与泛素结合、阳离子结合、mRNA结合等过程;进一步利用回转和Y2H一对一互作验证表明,小麦TaLG2L-1A能够分别与生长素响应因子TaARF17和蓝光受体隐花色素TaCRY1发生互作。明确了小麦LG2同源基因的组织特异性表达模式,筛选并获得TaLG2L-1A的关键互作蛋白TaARF17和TaCRY1,揭示了LG2可能通过协同生长素信号和光信号途径调控叶枕器官建成及叶夹角形成的分子机制。

为了探究棉花响应苎麻疫霉菌侵染的关键基因并初步解析其参与互作的分子机制,利用Illumina Hiseq^TM平台对感棉铃疫病棉花种质885系进行了转录组测序和TMT标记定量蛋白组检测,通过差异基因(蛋白)筛选和GO/KEGG富集分析获得响应病原侵染的关键基因,并对关键基因进行生物信息学分析,利用实时荧光定量技术(qPCR)明确关键基因在胁迫环境下的表达模式。结果表明,转录组和蛋白组联合分析共获得50个在基因与蛋白层面均存在显著差异的候选序列;GO和KEGG富集分析显示,差异基因主要富集于植物激素信号转导、植物-病原菌互作、谷胱甘肽代谢以及次级代谢产物生物合成等通路;进一步通过序列比对获得7个候选抗病相关基因,利用qPCR技术对7个候选抗病相关基因检测后发现,Gh_D02G091500、Gh_D06G194600、Gh_A01G241100、Gh_A06G192400和Gh_D09G161000的表达受苎麻疫霉菌诱导,其中棉花硝酸还原酶基因的表达差异倍数最高,差异显著性最为明显,并获得了棉花硝酸还原酶基因全长,命名为GhNIA1。综上,GhNIA1可能是参与棉花-苎麻疫霉菌互作的关键基因,并初步明确了GhNIA1的基因特征,为解析GhNIA1参与棉花抗棉铃疫病分子机制及抗病品种选育奠定了基础。

为明确光信号转导核心bZIP转录因子StHY5基因的基础特征与组织表达模式,以马铃薯栽培种底希瑞为试验材料,克隆了StHY5基因的全长CDS序列,通过生物信息学分析明确序列特征与进化关系,采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术分析在马铃薯不同组织中的表达模式。结果表明,StHY5蛋白由158个氨基酸组成,分子质量为17.32 ku,理论等电点为9.78,StHY5蛋白包含1个基础亮氨酸拉链(bZIP)结构域。StHY5蛋白的二级结构由α-螺旋(占比44.3%)和无规则卷曲(占比55.7%)构成,StHY5蛋白的三级结构以α-螺旋为主,参考模板为鸡CREB3 bZIP蛋白。系统进化树分析显示,StHY5蛋白与茄科植物的HY5蛋白聚为一支,且与辣椒CaHY5蛋白亲缘关系最近。qRT-PCR定量结果表明,StHY5基因在所有组织中均有表达,且表达量差异显著,其中,匍匐茎表达量最高、块茎表达量最低。明确了马铃薯StHY5基因的序列特征与组织表达模式,为后续开展该基因在光信号调控中的功能验证及作用路径分析提供了试验基础。

类黄酮作为大白菜的生物活性物质,具有抗氧化、抗衰老、预防癌症等作用。为探究不同倍体大白菜材料类黄酮积累差异的分子机制,以25份二倍体和25份四倍体大白菜高代纯合自交系为材料,系统比较其总类黄酮含量并筛选极端材料,进而对高、低含量材料进行转录组(RNA-Seq)测序分析。通过 KEGG 富集通路分析鉴定类黄酮化合物生物合成的相关基因,采用RT-qPCR验证差异基因表达模式并构建转录因子调控网络。结果表明,四倍体材料总类黄酮平均含量(10.96 mg/g)略高于二倍体(10.36 mg/g)。RNA-Seq分析表明,二倍体材料比较组之间有11 610个差异基因,四倍体材料比较组之间有6 659个差异基因,其中共有差异基因3 598个。KEGG富集分析在类黄酮和苯丙烷类生物合成通路中鉴定出34个候选基因,筛选出6个关键基因(PAL1、4CL3、CHS3、CHI、CHI3、FLS1)并在高类黄酮含量的二、四倍体材料中上调,其中CHI3在四倍体高类黄酮材料中的表达量显著高于二倍体材料。此外,鉴定出27个bHLH和19个MYB转录因子,调控网络分析显示,MYB网络较bHLH更复杂并占主导地位。通过荧光定量PCR(RT-qPCR)分析显示,所选定6个极端差异基因的表达模式与RNA-Seq中表达趋势一致。筛选出了类黄酮合成途径中的关键结构基因及主要转录因子,发现CHI3对四倍体大白菜材料类黄酮积累有重要作用,为高类黄酮大白菜育种工作提供了候选基因和理论基础。

为研究茄子萼片覆刺形成的分子机制,以萼片多刺纯合茄子材料24C01为母本,无刺材料24C02为父本,配制遗传群体,F₂萼片覆刺分离呈正态分布。从F₂中分别挑选30株多刺和30株无刺单株,构建刺性状极端混池,利用BSA-seq结合图位克隆技术,将萼片刺基因SmPL定位在6号染色体上131.4 kb区间内。对该区间12个基因进行表达分析,其中仅Smechr0602815.1、Smechr0602817.1和Smechr0602821.1在两亲本间存在差异表达。重测序分析发现,Smechr0602815.1在24C02上存在非同义突变,位于编码区第1 066 bp(G-A),造成谷氨酸突变成赖氨酸;Smechr0602821.1在24C02上存在片段缺失。基于上述序列差异,开发出与无刺基因连锁的KASP标记,对100份不同类型茄子材料检测的符合率均达96%以上,可用于无刺茄子性状基因型的快速鉴定,加快无刺茄子育种进程。

为探索山西连翘道地性形成的分子机制,基于连翘基因组数据,采用生物信息学方法对连翘UGT基因家族成员进行了全基因组鉴定和特征分析;并利用不同产地连翘转录组数据和实时荧光定量PCR技术分析了连翘UGTs基因在不同产地和不同组织中表达模式。结果表明,在连翘全基因组中共鉴定到170个家族成员,该家族成员不均匀地分布在14条染色体上,分别命名为FsUGT1~FsUGT170;其编码的蛋白分子质量为11.16~56.77 ku,等电点为4.70~9.18,其中,大多数为亲水性蛋白。亚细胞定位预测结果显示,FsUGTs蛋白主要定位于叶绿体和细胞质中。系统进化树分析发现,连翘UGT基因家族可划分为15个亚组;共线性分析发现,23个FsUGTs和拟南芥的20个UGTs组合形成31种共线性关系。基因结构、蛋白质基序和保守结构域分析显示,FsUGTs基因具有1~7个外显子和0~6个内含子,编码的蛋白均具有PSPG保守结构域。启动子顺式作用元件分析发现,FsUGTs基因启动子区域含有多个光响应、植物激素响应、生物和非生物胁迫以及生长发育相关等元件。基因表达模式分析发现,FsUGT4和FsUGT145在山西连翘中的表达量显著高于河南和陕西,并在连翘叶中的表达量显著高于花和果实。综上,研究结果鉴定了170个连翘UGT基因家族成员,并筛选得到2个在山西连翘高表达并推测与连翘苷合成相关的基因FsUGT4和FsUGT145。

百合鳞茎膨大对百合栽培与育种具有重要意义,PLETHORA(PLT)转录因子在植物器官膨大中起关键调控作用。以穿梭百合(Tresor)为材料,探究LaPLT5基因在其鳞茎膨大过程中的作用机制。通过分析穿梭百合小鳞茎S1~S5时期的转录组数据,筛选出可能参与鳞茎膨大的LaPLT5基因,利用克隆技术从鳞茎cDNA中克隆该基因,结合生物信息学手段预测其编码蛋白质的结构特征,采用qRT-PCR技术分析LaPLT5在鳞茎膨大过程中的表达模式,通过病毒诱导的基因沉默(VIGS)及瞬时过表达技术验证该基因在鳞茎膨大中的功能。结果表明,LaPLT5基因全长1 500 bp,编码499个氨基酸,其中39个氨基酸残基带有正电荷,38个氨基酸残基带有负电荷,蛋白质相对分子质量为53 754.25,不稳定系数为40.77,蛋白亲水性平均值为0.56,为不稳定的疏水性蛋白。qRT-PCR检测显示,LaPLT5在穿梭百合鳞茎的中层鳞片中表达量最高,小鳞茎中表达量次之,且在小鳞茎膨大的S2~S4时期表达量持续升高。VIGS沉默LaPLT5后,小鳞茎的直径、周径和质量均极显著高于对照组,而瞬时过表达LaPLT5的结果则与之相反,说明LaPLT5负调控穿梭百合小鳞茎的膨大。基于LaPLT5沉默后百合小鳞茎细胞数目增多但面积变小的表型,qRT-PCR分析显示,细胞壁松弛相关基因LaPME34、LaXTH1和LaXTH6表达极显著下调;而细胞分裂的正向调控基因LaEBP1和LaANT1表达极显著上调,负调控基因LaCKX4表达极显著下调,表明LaPLT5可能通过协调细胞壁重塑和细胞分裂相关基因的表达,共同调控小鳞茎细胞的膨大与分裂。综上,LaPLT5参与穿梭百合小鳞茎的膨大过程,且对小鳞茎膨大起负调控作用。

为挖掘胡麻响应干旱胁迫的关键基因并解析其内在分子机理,以期为抗旱品种选育提供理论支持。以胡麻抗旱品种天亚13号根系为材料,采用不同浓度(5%,10%,20%,30%)的聚乙二醇(PEG)模拟干旱胁迫。通过分析根长、根粗及干/鲜质量比等生理指标,确定20% PEG为最适胁迫浓度,该浓度处理下上述指标较对照分别显著降低31.63%,30.50%和13.39百分点。在此基础上,利用Illumina转录组测序技术对不同干旱胁迫时间点(8,16,24 h)的根系进行转录组分析,分别鉴定到5 428,5 304和3 603个差异表达基因(DEGs)。KEGG富集分析表明,这些差异表达基因显著富集于碳水化合物代谢途径(12个基因)、甜菜碱生物合成途径(4个基因)及抗氧化防御系统(36个基因)等关键过程。通过qRT-PCR对部分差异表达基因进行验证,其表达趋势与RNA-seq结果一致,证实了数据的可靠性。系统揭示胡麻在干旱胁迫下通过协同调控渗透调节物质(如甜菜碱)合成、能量代谢重编程(碳水化合物代谢)以及活性氧清除机制以增强抗旱能力,为胡麻分子设计育种提供了重要的理论依据和候选基因资源。

干旱是限制粳稻产量的重要因素之一,探究萌发期粳稻的耐旱性遗传机制,筛选耐旱候选基因,挖掘其优异单倍型,为解析粳稻萌发期耐旱机制及开发相关分子标记提供理论基础。采用西北粳稻核心种质资源139份为材料,15% PEG-6000模拟干旱胁迫露白后的粳稻种子,测定相对发芽率、相对根长等6个耐旱相关指标,并结合255 501个高质量单核苷酸多态性(SNPs),运用一般线性模型(GLM)、混合线性模型(MLM)和固定与随机效应循环概率统一模型(FarmCPU)开展全基因组关联分析(GWAS),并结合耐旱表型数据进行单倍型分析,进而挖掘潜在的候选基因。结果表明,6个耐旱指标均值呈正态分布,且变异系数为3.43%~56.25%,其中以相对根芽干质量变异系数最大,与相对根长、相对芽长、相对根芽鲜质量间均呈显著正相关。结合高密度SNPs,对6个耐旱性状进行全基因组关联分析,共检测到1 164个不同的SNPs,其中379个被视为高可信度SNP位点,6个被视为数量性状核苷酸(QTNs)。整合这些位点的上下游50 kb区间,共筛选出14个显著SNPs位点,对应14个可信的QTL候选区间,且主要与相对根芽干质量显著关联。通过数据库进一步预测分析14个区间内的基因,并以外显子具有错义突变为标准,筛选到了编码地衣酶-2前体的LOC_Os03g56130基因。结合耐旱表型,对该基因进行单倍型分析,发现5个外显子错义突变组成了4种单倍型,其中Hap.2的相对根芽干质量显著高于其他单倍型,为优异单倍型。这些研究表明,LOC_Os03g56130为粳稻萌发期耐旱性相关的潜在候选基因。

旨在挖掘新的与株高相关且具有育种应用价值的主效QTL,筛选可用于分子标记辅助育种的优异基因位点,为小麦株型改良、抗倒伏能力提升及高产育种提供理论依据和分子资源。以株高性状存在差异的小麦品种安农1589和轮选6号为亲本,所构建的162份DH群体株高性状差异显著,以此作为试验材料,利用小麦55K SNP芯片对DH群体进行全基因组基因型分型,分子标记筛选与构建高密度遗传连锁图谱,结合3 a 6个环境的群体株高田间表型鉴定数据,开展小麦株高性状全基因组QTL定位挖掘研究。结果表明,采用完备区间作图对株高性状进行QTL定位,共鉴定到4个多环境下稳定存在的主效QTL,分别定位于4B、4D、5D和6D染色体上,单个QTL可解释7.08%~39.31%的表型变异。其中,位于4B染色体的Qph.ahau-4B在全部6个环境及最佳线性无偏预测(BLUP)分析中均能稳定检测到,可分别解释28.65%~39.31%的表型变异,该位点物理区间为20.61~22.26 Mb,侧翼标记分别为AX-109018264和AX-109968140,加性效应为-9.34~-8.68 cm,效果显著且遗传稳定性强,属于尚未报道的新的稳定主效矮秆QTL位点。综上,通过多个环境下的田间表型数据与遗传定位分析,成功在 4B 染色体区段获得一个多个环境下均稳定存在的小麦株高主效 QTL。

为深入解析调控超甜玉米秸秆蛋白质含量的遗传基础,基于玉米56K基因芯片,采用BLINK模型定位控制超甜玉米秸秆蛋白质含量的主要SNP位点及预测候选基因。结果表明:在超甜玉米收获期,其秸秆蛋白质含量为12.63~30.29 g/kg,平均值为20.76 g/kg,呈正态分布;GWAS共关联定位到调控超甜玉米秸秆蛋白质含量6个显著SNP位点,这些位点分布于第1,4和6号染色体上,其贡献率为10.07%~18.17%,其中位于6号染色体的Affx-115330268的贡献率最高。在显著关联位点上下游200 kb的置信区间内,共检测到184个候选基因,其中已注释基因34个,占比为18.48%;通过GO功能注释和KEGG通路富集分析,候选基因主要参与生物调节、细胞过程、催化活性等生物过程,并富集于类固醇生物合成、色氨酸代谢、光合作用-天线蛋白等通路。基于文献查找比对发现,6个(GRMZM2G141473、GRMZM2G007854、GRMZM2G111319、 GRMZM2G121024、 GRMZM2G010353、 GRMZM2G049547)调控超甜玉米秸秆蛋白质的关键基因,其主要参与蛋白质和酶合成等途径。

旨在克隆小麦抗叶锈病相关基因 TaRLKS.2,并检测其表达蛋白的激酶活性,为进一步探讨TaRLKS.2在小麦抵抗叶锈菌侵染中的作用机制奠定基础,从而为小麦抗叶锈病育种提供新基因资源。以抗叶锈病近等基因系 TcLr26 的cDNA为模板,克隆 TaRLKS.2 编码区全长;利用GSDS 2.0软件分析TaRLKS.2蛋白的结构域;构建pET28a-TaRLKS.2原核表达载体,利用 IPTG诱导TaRLKS.2-His 融合蛋白的表达,并采用Ni-NTA亲和层析的方法纯化表达蛋白;利用磷酸化底物 MBP 和Western Blotting检测表达蛋白TaRLKS.2的激酶活性。结果表明,TaRLKS.2 编码区全长2 244 bp,其编码蛋白包含2个激酶结构域,含保守的激酶活性中心和ATP结合位点,具有典型的RLCK家族特征。在28 ℃、0.25 mmol/L IPTG条件下,TaRLKS.2-His重组蛋白被诱导形成可溶性蛋白,在纯化后的重组蛋白中加入MBP底物、ATP、磷酸缓冲液以及蛋白酶抑制剂后,30 ℃反应30 min,利用抗-磷酸化-Ser/Thr-Pro抗体检测,证明 TaRLKS.2具备蛋白激酶活性,推测其可能通过磷酸化下游信号组分调控小麦免疫通路,增强小麦对叶锈菌的抗性。

为准确鉴定番茄褪绿病毒病致病来源及河北省石家庄地区番茄褪绿病毒(ToCV)的分类地位,分析了采集于石家庄大河镇番茄种植基地病样进化发生关系,同时建立了ToCV高效鉴定方法。选取NCBI数据库中已公布的ToCV序列进行相似性分析,并将ToCV的RNA1和RNA2全长序列、热激蛋白70同系物(Hsp70h)和外壳蛋白(CP)序列构建系统进化树。结果显示,ToCV-SJZ分离物的RNA1和RNA2序列与ToCV-XS台湾株系亲缘关系最近,序列相似性分别为85.2%,92.4%。进化分析表明,ToCV株系可分为两大类,其中大多数ToCV株系与ToCV-Florida株系形成一个大分支,属于ToCV-Florida株系;而ToCV-SJZ株系单独与ToCV-XS台湾株系归类为一个小的分支,属于ToCV-XS台湾株系。根据进化分支代表性株系ToCV-SJZ、ToCV-XS和ToCV-Florida的CP基因序列,分别设计了可单独和复合检测2个株系的特异性RT-qPCR引物,建立了基于SYBR Green Ⅰ的实时荧光定量PCR检测体系。综上所述,明确了ToCV-SJZ分离物的分类地位,也为抗病种质资源鉴定及科学防控提供技术支持。

丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)是一种保守的磷酸吡哆醛依赖性酶,催化丝氨酸与甘氨酸间的可逆转换,同时也是核苷酸生物合成、叶酸和氨基酸代谢所必需的酶,在植物发育过程中起重要作用,亦可以提高作物抵御逆境胁迫的能力。天津农学院园艺园林学院吴颖课题组前期对西瓜在低温胁迫下进行转录组、代谢组联合分析,发现ClSHMT8在低温胁迫下表达量显著上调,推测该基因正调控西瓜的低温胁迫,深入探究西瓜ClSHMT8的生物学功能及在低温和盐胁迫中的调控机制。以西瓜自交系TN07011为材料,利用RT-PCR方法克隆ClSHMT8并进行生物信息学分析,构建过表达载体,转化拟南芥,对T₃转化株系分别采用低温和盐胁迫处理,通过表型和生理指标测定,探究ClSHMT8在非生物胁迫中的功能。结果表明:ClSHMT8全长1 749 bp,编码582个氨基酸,NCBI-CDD保守域预测显示该蛋白具典型SHMT结构域。系统进化树分析表明,该蛋白与黄瓜、苦瓜的同源蛋白的亲缘关系较近。将ClSHMT8在拟南芥中异源表达,共获得3个T₃株系,发现T₃拟南芥与野生型比较莲座叶面积增加、开花期提前、种子粒径亦显著高于野生型。在低温和盐胁迫下,T₃植株的可溶性蛋白(SP)、叶绿素(Chl)含量和过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性均显著高于野生型,而丙二醛(MDA)含量显著低于野生型。综上表明,ClSHMT8不仅能够正调控植株的生长发育,还可提高植株对非生物胁迫的耐受性,对拟南芥响应非生物胁迫环境具有重要作用。

为系统地分析青花菜BolMYC2的序列特征、表达模式,探究该基因在青花菜应对软腐病致病菌侵染时的作用,以青花菜cDNA为模板进行PCR扩增,克隆BolMYC2基因的编码序列,利用生物信息学软件分析BolMYC2蛋白的基本性质,构建BolMYC2-EGFP融合表达载体瞬时转化本氏烟草,分析BolMYC2蛋白亚细胞定位情况,利用qRT-PCR技术分析BolMYC2在青花菜不同组织部位转录表达特征以及软腐病致病菌胁迫条件下BolMYC2转录表达特征。结果表明:BolMYC2基因CDS序列长度为1 833 bp,编码蛋白含有610个氨基酸,理论分子质量为66.297 ku,理论等电点为5.21。BolMYC2为不稳定亲水蛋白,无跨膜结构和信号肽。保守结构域分析表明,BolMYC2蛋白含有MYC转录因子家族保守结构域bHLH-MYC_N和bHLH_SF。系统进化树分析表明,BolMYC2蛋白与抱子甘蓝亲缘关系较近。对BolMYC2启动子顺式作用元件分析表明,其含有参与光响应、激素响应、胁迫应答的顺式作用元件和多个MYB、MYC、WRKY转录因子识别元件。亚细胞定位结果表明,BolMYC2定位于细胞核。BolMYC2在叶片和种子中呈现高表达,并且在青花菜受到软腐病菌侵染胁迫后其表达水平呈现先下降后上升趋势,暗示BolMYC2在青花菜响应生物胁迫中发挥重要作用。

小分子热激蛋白(sHSP)作为分子伴侣在植物抗逆过程中发挥着重要的调控作用。为了研究辣椒中sHSP 的生物学功能,以耐热辣椒材料17CL30为试验材料,对编码sHSP的基因CaHSP21进行克隆和生物信息学分析,并通过实时荧光定量PCR分析其在不同组织和高温胁迫下的表达模式。结果表明,CaHSP21基因编码序列(CDS)全长为705 bp,编码234个氨基酸;CaHSP21理化性质分析结果显示,CaHSP21分子质量和理论等电点分别为25.74 ku和6.53,为中性蛋白。不稳定系数为37.39,是稳定蛋白。CaHSP21含有sHSP家族典型的HSP20结构域,蛋白质二级结构主要由无规则卷曲构成。蛋白质系统进化分析表明,CaHSP21与中国辣椒、下垂辣椒遗传距离最近,且在进化上属于同一分支。组织表达分析结果表明,CaHSP21在辣椒花中表达量最低,果中表达量最高。高温胁迫下的表达模式分析结果表明,CaHSP21受高温胁迫诱导,其相对表达量在高温处理3 h后达到峰值。亚细胞定位结果显示,CaHSP21主要定位于质膜和细胞核中。综上,CaHSP21是一个参与辣椒对高温胁迫响应的关键基因。

为揭示黑籽南瓜与其他葫芦科植物的系统进化关系,对黑籽南瓜叶绿体基因组进行组装、注释和分析。使用Illumina NovaSeq 6000平台对黑籽南瓜进行测序,并对其序列特征、基因类型、基因重复序列、密码子偏好性及物种进化等进行了分析。黑籽南瓜的叶绿体基因组全长是157 631 bp,GC含量为37.15%;注释到60.99%蛋白质编码基因、33.33% tRNA基因以及5.67% rRNA基因,共141个基因,分为光合作用基因、自我复制基因、其他基因和未知功能基因4类。对黑籽南瓜叶绿体进行简单重复序列分析,共检测到SSR位点192个。密码子偏好性分析发现,RSCU值大于1.00的密码子共有31个,以A或U结尾的密码子有29个。黑籽南瓜与其他8个葫芦科物种的边界基因存在差异,扩张和收缩现象在IR区和LSC区明显存在。进化分析结果表明,黑籽南瓜与中国南瓜、印度南瓜、西葫芦、墨西哥南瓜、臭瓜、阿克丘宾南瓜、伦德尔南瓜属于同一分支,与葫芦科的其他物种亲缘关系较远。组装完成了黑籽南瓜的叶绿体基因组,注释到141个基因,检测到192个SSR位点,进化上与所选葫芦科物种亲缘关系较远,为黑籽南瓜系统进化和分子育种提供理论依据。

分子伴侣热激蛋白HSP40是通过 J 结构域与 HSP70 结合,从而帮助蛋白质折叠,参与了植物多种胁迫反应。然而,NtHSP40基因家族响应UV-B辐射的机制与功能尚不明确。通过生物信息学方法在全基因组水平鉴定了NtHSP40基因家族成员,并开展系统进化分析、共线性分析、启动子顺式作用元件分析、染色体定位、基因结构及理化性质分析,明确了NtHSP40基因家族的基本特征。在UV-B辐射处理的烟草幼苗中,基于转录组数据筛选出8个差异调控基因,通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证了候选基因的表达水平,并采用分光光度法测定了代谢产物总多酚含量。结果表明,烟草K326基因组中共有48个NtHSP40基因,分布于20条染色体上,均编码含有J结构域的蛋白,可进一步划分为3个亚家族;可变的基因结构与蛋白序列特征提示NtHSP40基因家族成员功能存在分化,其中8个NtHSP40基因对UV-B辐射产生响应,且与烟草总多酚含量变化相关。该研究成果为进一步阐明NtHSP40基因家族在植物胁迫响应及烟草次生代谢中的功能,以及提升烟叶品质奠定了基础。

为深入研究棉花bHLH转录因子在盐胁迫响应中的功能,利用农杆菌介导的方法,将河北省农林科学院棉花研究所基因工程课题组前期鉴定的棉花bHLH转录因子GhbHLH149-like 转化野生型拟南芥,初步验证了GhbHLH149-like转录因子在拟南芥中的功能。蛋白质结构预测显示,GhbHLH149-like蛋白的二级结构主要由α-螺旋和无规则卷曲组成,是一种非跨膜的亲水性蛋白,实时荧光定量PCR结果表明,转基因拟南芥GhbHLH149-like基因的表达量比野生型拟南芥显著升高,表型和生理指标测定结果显示,在盐胁迫条件下,转基因拟南芥种子萌发率和根长均显著高于野生型拟南芥,转基因拟南芥幼苗长势明显优于野生型拟南芥,叶片中过氧化氢(H₂O₂)及超氧阴离子( ${\mathrm{O}}_{2}^{-}$)的含量显著低于野生型,超氧化物歧化酶(SOD)活性显著高于野生型植株。综上所述,GhbHLH149-like基因有可能通过参与拟南芥活性氧清除,从而显著提高其耐盐性,为深入解析棉花GhbHLH149-like基因在盐胁迫应答中的分子机制奠定了理论基础。

为了探明红麻始花节位的遗传规律,以始花节位差异显著的红麻自交系K215和K89为亲本,构建了含有148个单株的F₂群体。利用RAD-seq测序的方法进行bin标记基因分型,构建了红麻高密度遗传连锁图谱。该图谱含有3 418个bin标记且不均匀地分布在18条染色体上,图谱总遗传距离为864.61 cM,标记间平均遗传距离为0.25 cM。结合始花节位的表型数据和遗传图谱,利用区间作图法,检测到1个与始花节位密切相关的QTL位点FFN6。该位点位于第6号染色体,LOD值为8.66,表型贡献率为13.77%,加性效应值为-19.97。结果表明,该等位基因位点来自父本K215,对始花节位具有负调控作用。根据QTL定位区间内基因注释信息,初步筛选获得7个候选基因。qRT-PCR结果表明,短日照条件下Hc-bHLH6 和 Hc-MYB6基因的表达量显著增加,促进红麻植株开花,这2个候选基因可能与红麻植株始花节位密切相关。

体胚发生过程中AIL5是控制植物生长发育的关键基因之一,为了挖掘AbAIL5基因在珠芽魔芋体细胞胚胎发生过程中的功能,加快魔芋分子育种的进程,用珠芽魔芋叶面球为材料,克隆该基因并进行生物信息学分析,解析其核苷酸序列与蛋白结构模式。珠芽魔芋AbAIL5基因的ORF长度654 bp,编码217个氨基酸,为包含一个保守AP2超家族结构域的亲水性蛋白,不含跨膜结构域或信号肽。进化树分析结果表明,珠芽魔芋AbAIL5与紫金舌唇兰的亲缘关系最近。亚细胞定位显示其位于细胞核中。通过qRT-PCR分析,AbAIL5在魔芋地上部(叶片、叶柄和叶面球)中都有表达,叶面球发育初期表达量较高,叶柄、叶与叶面球相对表达量分别为1.00,0.55,1.42。为进行功能验证,成功获得AbAIL5基因,构建过表达载体,通过农杆菌介导法转入珠芽魔芋愈伤组织,AbAIL5过表达后30 d生长速率及发芽数明显提高,且总体成活率提高,70 d后植株长势明显优于对照,初步判断其对促进遗传转化有一定促进作用。qRT-PCR结果显示,AbAIL5过表达组表达水平是对照组表达水平的5.34倍,说明AbAIL5基因对不定芽分化及愈伤组织增殖有一定促进作用,为揭示珠芽魔芋AbAIL5基因在发育过程的功能研究及提高珠芽魔芋遗传转化率提供依据。

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。