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。

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。