生长素响应因子(ARF)是一类具有B3结构域的转录因子,是调节生长素应答反应、控制基因表达的直接分子。前期通过分析转录组数据,在玉米中筛选到1个编码ARF蛋白并积极参与干旱-复水胁迫响应的基因ZmARF10。为进一步研究该基因调控玉米抗旱性的分子机制及抗旱分子育种提供新的思路,首先通过系列生物信息学分析软件对该基因进行生物信息学分析,之后利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测ZmARF10在玉米不同组织中的表达模式,分析在高温、干旱、高盐、ABA胁迫和解除胁迫处理下的表达情况,以及在不同玉米自交系间的表达差异,最后利用CRISPR/Cas9技术分析ZmARF10的功能。结果表明,ZmARF10位于玉米的第3号染色体,编码区全长2 127 bp,编码708个氨基酸,具有典型的B3结构域;该基因ATG上游2 kb区域内含有茉莉酸甲酯、生长素、脱落酸、低温响应等应答元件;系统发育树显示,ZmARF10基因编码的蛋白质与高粱同源蛋白的亲缘关系最近。qRT-PCR结果表明,ZmARF10是组成型表达基因,在玉米成熟根中的表达量最高;在高温、干旱、高盐以及ABA 等4种胁迫处理下,ZmARF10基因的表达量均显著上调,干旱胁迫后上调倍数最高达8.2倍;干旱胁迫后,ZmARF10基因在抗旱自交系郑36中的表达量上升幅度显著高于干旱敏感自交系B73。观察拟南芥野生型与ARF10缺失型突变体发现,与野生型相比,干旱条件下突变体植株出现叶片萎蔫甚至干死的现象,根系发生卷曲,根系分支数减少,侧根生长发育受阻;测定生理生化指标发现,干旱胁迫后缺失型突变体的相对含水量、叶绿素含量、净光合速率显著低于野生型植株,说明敲除ARF10基因后拟南芥抗旱能力下降。

光周期是影响植物抽薹开花最重要的环境因子之一,光周期信号通过植物的光敏色素蛋白调控植物的抽薹开花,其中PHYB介导的信号网络对植物抽薹开花有重要的抑制作用。前期研究发现,大白菜耐抽薹材料06-247与易抽薹材料He102的PHYB基因启动子存在大片段插入/缺失差异,为了进一步研究启动子突变对PHYB及其下游途径关键基因的影响,以耐抽臺材料06-247与极易抽臺材料He102为试验材料,采用生物信息法分析了大白菜基因组中光敏色素基因的冗余特点,发现大白菜基因组包含6个光敏色素基因,其中PHYA有2个拷贝,PHYB、PHYC、PHYD和PHYE都仅有1个拷贝。进一步通过氨基酸序列比对筛选出了PHYB的特异序列、设计了抗原决定簇并制备了抗大白菜PHYB的特异抗体,采用荧光定量RT-PCR技术和Western Blot技术研究了06-247与He102中PHYB的相对含量,同时比较了PHYB下游光周期通路关键调控基因CCA1、FLC、CO和FT的动态变化。结果表明:启动子突变造成PHYB在06-247中表达水平显著升高并进而造成PHYB蛋白水平显著升高,同时下游调控基因CCA1、FLC、CO和FT均在06-247中高水平表达,这对06-247的耐抽薹特性有重要影响。

为了研究谷子基因组中SSR的分布偏好,采用生物信息学方法搜索和分析了谷子基因组中SSR在基因座5'侧翼区、3'侧翼区、外显子区和内含子区的分布规律。结果发现,随着5'侧翼区与起始密码子间距离的增加,SSR在5'侧翼区的频率与其基因组频率的比值(相对频率)逐渐下降,在1~700 bp区域内相对频率远大于1.50,而在3'侧翼区、外显子区和内含子区中SSR的相对频率均接近1.00。进一步分析发现,随着5'侧翼区与起始密码子间距离的增加,不同单一SSR类型的相对频率的变化趋势各不相同,总体上,包括CCG、AG、AGG、AGGG、ACC和AGC在内的这6个SSR类型在5'侧翼区的频率和相对频率均较高,其中,AG在5'侧翼区相对频率大于1.5的区域最大(1~1 800 bp),而在CCG的区域最小(1~200 bp)。在外显子区,CCG、AGG、AGC、ACG和ACC这5个高C/G含量的三碱基SSR类型具有较高的频率和相对频率。综上,SSR在基因座5'侧翼区1~700 bp内特异性出现,其中,包括CCG、AG、AGG、AGGG、ACC和AGC在内的6个SSR类型为主要的特异性分布类型;而在基因座3'侧翼区、外显子区和内含子区中,SSR的分布与整个基因组无明显差别,但在外显子区,CCG、AGG、AGC、ACG和ACC这5个SSR类型具有明显的分布特异性。

叶色突变体是研究C4光合途径及叶绿素代谢机制的理想材料。为了研究谷子黄绿叶突变的分子机制,为黄绿叶基因的功能研究及叶绿素代谢的分子机制解析奠定基础,在长农35号甲基磺酸乙酯(EMS)突变体库中鉴定到1份可稳定遗传的谷子黄绿叶突变体ygl7,并对突变体及野生型进行农艺性状调查、光合色素含量及光合参数测定、叶绿体超微结构观察;同时对突变体叶色进行遗传分析,采用BSA法进行基因初定位,利用F₂群体进行精细定位,并根据功能注释结合RNA-Seq预测候选基因。采用qRT-PCR进行表达模式分析,采用酵母双杂交试验进行蛋白互作验证。结果表明,与野生型相比,ygl7苗期、拔节期叶片呈明显黄绿色,抽穗期逐步转为浅绿色,ygl7整个生育期叶绿素含量及光合速率都显著低于野生型,且叶绿体结构出现异常。遗传分析表明,ygl7黄绿叶表型由1对隐性单基因控制,基因精细定位将黄绿叶基因定位于第Ⅶ染色体434.9 kb区间内,候选基因分析预测编码原卟啉Ⅸ镁鳌合酶Ⅰ亚基的Seita.7G290300为调控黄绿叶的候选基因。qRT-PCR结果显示,Seita.7G290300在叶片中高表达,且在突变体中的表达量低于野生型;叶绿素合成途径(CHLD、CHLI)和光系统(LHCB1、LHCB6)相关基因在突变体中均下调表达。酵母双杂交试验表明,SiYGL7与MORF2存在互作。

为了改良桃农1B和桃农1A的苗瘟抗性,以携带广谱持久抗稻瘟病基因Pigm的中国地方水稻品种谷梅4号为供体亲本,先后以三系保持系桃农1B及其不育系桃农1A为受体亲本,利用与Pigm紧密连锁共显性DNA标记T9E3开展辅助选择育种。T9E3在桃农1B或桃农1A基因组中的PCR扩增条带约为2 000 bp,而对谷梅4号基因组的扩增产物大小为926 bp,多态性稳定;采用来自国内外不同稻区的32份稻瘟菌菌株室内接种苗瘟,桃农1B和桃农1A抗性频率均为9.38%,谷梅4号与改良系抗性频率均为90.63%;田间天然病圃鉴定桃农1B和桃农1A苗瘟8级,而改良系和供体亲本谷梅4号苗瘟均为0级。通过T9E3辅助选择、田间病圃筛选和室内接种鉴定,初步获得了3份高抗稻瘟病的改良不育系(桃农1A-Pigm-1─桃农1A-Pigm-3)及其保持系(桃农1B-Pigm-1─桃农1B-Pigm-3),进一步通过不育特性、农艺性状与产量结构调查分析,从中遴选出1个高抗稻瘟病、不育性稳定、包颈率低、农艺产量性状优良的优异不育系桃农1A-Pigm-2及其配套保持系桃农1B-Pigm-2。桃农1A-Pigm-2不育度和不育株率均为100%,典败花粉约占60%、圆败花粉约占40%,柱头外露率高达71.1%,包颈粒率仅为33.6%;桃农1B-Pigm-2播始历期为69 d,株高76.2 cm,主穗穗长28.1 cm,单株有效穗数15.8穗,单穗总颖花数115.3个,千粒质量27.7 g。实现了桃农1A和桃农1B苗瘟抗性及其他性状的综合改良,为三系杂交水稻育种应用创制了新的亲本材料。

为通过电子克隆得到灵芝LaeA基因序列,分析其基因序列信息,并初步探究其调控功能。采用电子克隆的方法,以已知桔青霉的LaeA蛋白序列为模板,在灵芝的EST数据库中进行序列相似性搜索比对(Blast),经序列拼接、序列验证和序列延伸等电子克隆方法获得灵芝LaeA基因的cDNA序列;采用生物信息学软件对LaeA基因编码蛋白质的基本理化性质、疏水性/亲水性、亚细胞定位、信号肽、二级结构、三级结构及进化关系等方面进行了预测和分析。结果表明,LaeA基因全长1 134 bp,编码378个氨基酸,蛋白分子质量为42.895 3 ku,存在于细胞质中,是亲水性蛋白;LaeA蛋白结构主要由47.88%无规则卷曲、33.33%α-螺旋和18.78%延伸链组成,有S-腺苷甲硫氨酸结合位点,属于AdoMet_MTases超家族蛋白;系统进化分析结果显示,LaeA蛋白与云芝、污叉丝孔菌等白腐担子菌类的亲缘关系较为亲近;qRT-PCR结果表明,LaeA基因在灵芝细胞液体静置培养过程中的表达量显著高于振荡培养方式。推测LaeA蛋白作为1种甲基转移酶蛋白,通过参与组蛋白的甲基化修饰,进而影响基因簇的表达水平。

为研究芍药PlSPL1(SPL)基因的性质和功能,进一步阐明PlSPL1基因在不同物种中的共性与特征差异,探明PlSPL1在芍药茎秆挺直程度中的作用。以芍药红峰茎秆为材料,采用RACE技术获得了芍药PlSPL1基因全长序列,利用生物信息学软件分析预测PlSPL1的结构、理化性质和亲缘关系,随后利用qRT-PCR技术分析PlSPL1在芍药茎秆不同发育时期的表达量,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:PlSPL1基因开放阅读框为3 000 bp,编码999个氨基酸。蛋白分子式为C₄₈₆₉H₇₆₈₂N₁₄₀₆O₁₄₉₇S₄₃,分子量为111.25 ku,理论等电点为6.26,编码亲水性不稳定酸性蛋白,磷酸化修饰以丝氨酸为主,无信号肽,有跨膜结构,二级结构主要由无规则卷曲组成。系统进化树分析发现,PlSPL1蛋白与牡丹的亲缘关系最近,其次和葡萄有较近的亲缘关系;蛋白序列比对分析发现,PlSPL1蛋白具有SPL转录因子家族特有的SBP保守结构域。相对表达量分析发现,PlSPL1随着茎秆发育逐渐呈现下降趋势,表明PlSPL1负向调控芍药茎秆发育,推测其可能在茎秆挺直程度方面起重要作用;亚细胞定位显示,PlSPL1蛋白定位在细胞核中。上述结果表明,PlSPL1参与芍药茎秆发育过程。

为了明晰球茎甘蓝MYB62转录因子的序列特征及其在逆境胁迫后的表达特征,进一步探索球茎甘蓝MYB62转录因子的生物学功能,为后续MYB62转录因子功能鉴定提供理论依据,以球茎甘蓝为研究对象,采用同源克隆的方法获得球茎甘蓝MYB62转录因子基因,并对其进行生物信息学分析,通过实时荧光定量PCR的方法分析MYB62在球茎甘蓝不同组织间以及逆境胁迫后的表达特征。基因克隆结果表明,BocMYB62基因gDNA全长1 353 bp,CDS为837 bp,包括4个外显子和3个内含子,编码278个氨基酸。序列结构分析结果显示,BocMYB62为亲水性蛋白,具有2个SANT-MYB结构域,属于R2R3-MYB型MYB转录因子;空间结构预测显示其具有典型的α-螺旋结构;系统发育分析表明,BocMYB62与甘蓝型油菜MYB62亲缘关系最近。时空表达结果显示,BocMYB62在绿色球茎甘蓝中的表达量始终高于在紫色球茎甘蓝中,且存在明显的组织特异性,在干旱胁迫后BocMYB62表达量显著升高,胁迫12 h表达量最高,低温胁迫后BocMYB62表达量显著低于对照,在4 ℃低温胁迫时表达量最低,推断BocMYB62可能参与花青素生物合成调控,并可能参与逆境胁迫的调控作用。

SAUR基因的生物信息学分析旨在揭示其结构、功能和进化关系,同时通过亚细胞定位,了解其在细胞中的位置,从而推断其生物学功能。这样分析有助于深入理解该基因在生物体内的作用机制和潜在应用,为调控防风种子萌发,缩短种子休眠时间和防风绿色栽培种植及育种提供重要理论和实践意义。研究进行了生物信息学分析,从防风克隆到2个基因SdSAUR32和SdSAUR23,分析这2个基因在防风种子不同休眠阶段的表现和亚细胞定位,以探究其生物学特征和功能。结果表明,SdSAUR32蛋白分子质量约为14.48 ku(pI为6.45),SdSAUR23蛋白分子质量约为10.29 ku(pI为8.00),均为亲水性蛋白;分析保守结构域的SdSAURs基因编码蛋白发现,SdSAUR32 和 SdSAUR23 的保守结构域相同,都属于由生长素诱导的超家族成员;进化分析表明,SdSAUR32和SdSAUR23基因编码蛋白均与胡萝卜的亲缘关系最近。亚细胞定位结果表明,防风SdSAUR32和SdSAUR23均定位于细胞核;防风种子的不同时期都有SdSAUR32和SdSAUR23的表达,但芽期的表达量显著高于休眠期和解除眠期,因此,推测SdSAUR32和SdSAUR23 可能在萌发和生长过程中起着重要作用。

绿豆叶形突变体和叶形调控基因的鉴定,可为品种叶形的遗传改良提供种质资源,也有利于解析叶片发育的遗传调控机理。从皖科绿3号EMS诱变突变体库中筛选到窄叶突变体vrnl11,利用vrnl11/皖科绿3号和vrnl11/中绿1号的杂交后代进行遗传分析,用χ²检验确定F₂群体中不同表型植株的分离模式。以vrnl11和中绿1号及中绿5号构建的2个F₂群体为定位群体,利用BSA测序技术和图位克隆的方法完成vrnl11的精细定位。表型鉴定结果表明,vrnl11叶片宽和叶面积较野生型皖科绿3号分别减少25.7%和21.7%。遗传分析表明,vrnl11的窄叶表型受单隐性核基因调控。BSA测序分析将突变位点定位在第11染色体上15.0 Mb至末端4.7 Mb的区间内。利用新开发的多态性分子标记将vrnl11定位在标记nl-61和nl-46之间186.5 kb的区间内,包含9个预测基因。这些研究结果为克隆vrnl11和解析绿豆叶片生长发育的分子调控机理提供理论依据。

为探究芥菜型油菜AHK家族蛋白的结构特征及其与粒质量性状相关的调控功能,采用生物信息学方法对芥菜型油菜AHK家族成员进行了全基因组鉴定、理化性质、系统发育树、蛋白结构、启动子顺式元件和不同组织表达谱等分析。结果表明,在芥菜型油菜基因组中共鉴定到19条BjAHK蛋白序列,系统发育树分析将BjAHK家族成员分为了4个分支,即G1(BjAHK2~BjAHK4)、G2(BjAHK5)、G3(BjAHK1)和G4(BjCKI1)。功能结构域研究发现,BjAHK家族成员具有6个核心基序(Motif1~Motif6),与HisKA、HATPase_c和REC保守结构域相对应,其中BjAHK1~BjAHK4和BjCKI1蛋白的N端含有较为保守的跨膜结构域,可能与其跨膜作用功能有关。不同组织表达谱研究发现,细胞分裂素受体蛋白基因(BjAHK2~BjAHK4)为泛表达基因,且在根组织中表达量最高。结合已有的芥菜型油菜粒质量性状转录组数据,成功挖掘出4个可能参与粒质量性状调控的基因BjA07.AHK3、BjB03.AHK3、BjA10.AHK5和BjB05.AHK5。其中,BjA07.AHK3和BjB03.AHK3可能正向调控种子发育,而BjA10.AHK5和BjB05.AHK5则负向调控。结合BjAHK基因家族分析和转录组测序结果,推测BjAHK3和BjAHK5基因在调控芥菜型油菜种子发育方面发挥重要功能。

为了探究SSSL-B50和华粳籼74(HJX74)株高差异的原因,利用SSSL-B50与HJX74回交构建F₂群体进行株高性状遗传分析与基因定位。结果显示,F₁植株表现为高秆;260个单株组成的F₂群体株高出现分离,高秆植株与半矮秆植株分离比例符合3:1(χ²=0.18<3.84),说明SSSL-B50高秆性状为显性性状,受1对显性等位基因控制。利用IciMapping软件对F₂进行连锁分析,将SSSL-B50携带的高秆基因定位在1号染色体代换片段上的标记S18和X161之间38.38~39.07 Mb。候选基因筛选分析发现,定位区间内存在着“绿色革命”基因座位SD1。对展颖野生稻、SSSL-B50及HJX74进行SD1基因测序及序列比对,发现HJX74的CDS序列与展颖野生稻、SSSL-B50相比有280 bp的缺失,导致氨基酸编码提前终止。qRT-PCR结果表明,SD1表达量在SSSL-B50茎秆的第2,3,4节均显著高于HJX74。此外,与前人报道结果相比,展颖野生稻SD1基因编码的氨基酸序列发生了2处改变(E100G、Q339R)。研究结果弄清楚了展颖野生稻单片段代换系SSSL-B50高秆性状受SD1调控,同时从展颖野生稻鉴定到了SD1的新等位型SD1^Glu。

JAZ蛋白在植物生长发育和胁迫信号通路中具有关键作用。为探究JAZ蛋白在小麦倒春寒中的调控机制,从小麦幼穗中克隆了 TaJAZ6基因,并对其分子特征、表达特性与亚细胞定位进行分析。结果表明,该基因CDS 序列全长为549 bp,编码178个氨基酸,预测编码蛋白质的分子质量为 18.376 ku,理论等电点为 9.37,不稳定系数为62.44,属于不稳定蛋白。该基因编码蛋白质具有1个 TIFY 结构域和1个CCT_2结构域。系统进化树分析发现,该蛋白质与野生二粒小麦和乌拉尔图小麦TIFY 11b蛋白亲缘关系最近。TaJAZ6基因启动子区除含有CAAT-box、TATA-box等基础作用元件外,还含有激素类响应元件、光响应元件、低温响应元件、防御和应激反应元件等。实时荧光定量PCR分析发现,TaJAZ6 基因在根、茎、叶和幼穗中均有表达,根系中表达量最高。TaJAZ6 基因还受低温和茉莉酸甲酯( MeJA) 的诱导表达,低温胁迫下,TaJAZ6在矮抗58(耐倒春寒)和郑麦366(倒春寒敏感)根、茎和叶中表达趋势相同,均显著升高;喷施300,350 μmol/L的MeJA之后再低温处理TaJAZ6在2个小麦品种中表达量均显著下降。TaJAZ6在低温胁迫后的幼穗中表达量出现相反的趋势,在矮抗58幼穗中表达量显著下降,在郑麦366幼穗中则显著上升,推测该基因可能负调控了小麦倒春寒胁迫防御反应。通过喷施MeJA显著降低了低温胁迫下2个小麦品种幼穗中TaJAZ6基因的相对表达量,同时提高了小麦的结实粒数。亚细胞定位试验显示,TaJAZ6 蛋白定位于细胞核中。以上研究结果表明,TaJAZ6 可能在小麦响应倒春寒胁迫过程中发挥重要作用。

为探究花丝对干旱胁迫的分子响应,以安农591和先玉335为材料,设置土壤含水量为80%田间持水量(CK)和60%田间持水量(DS)的2个处理,在玉米花丝伸长速增期取样,进行转录组测序。通过对比2个品种干旱组和对照组的基因表达差异,明确玉米花丝响应干旱的关键通路和相关候选基因。结果表明:苯丙烷类生物合成途径(ko00940)和淀粉和蔗糖代谢途径(ko00500)为玉米花丝响应干旱的关键通路。在苯丙烷类生物合成途径通路中编码4-香豆酸-辅酶A连接酶(4CL)、肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)、肉桂醇脱氢酶(CAD)和过氧化物酶(POD)的基因在干旱的玉米花丝中低表达。相关分析表明,编码4CL、CCR、CAD和POD的基因下调与木质素含量降低有关。在淀粉和蔗糖代谢途径中转化酶和蔗糖合酶基因在干旱的玉米花丝中低表达;相关分析表明,转化酶和蔗糖合酶基因下调与蔗糖代谢有关。综上所述,本研究确定了参与蔗糖和木质素代谢的关键基因和代谢物,木质素合成可能与玉米花丝耐旱相关,4CL、CCR、CAD和POD是木质素合成通路中玉米花丝耐旱的候选基因;此外,淀粉和蔗糖代谢途径可能与花丝伸长和花丝耐旱有关,转化酶和蔗糖合酶可能是调控花丝耐旱的关键酶。

MYB转录因子对棉花的生长发育起到重要作用,而GhMYB42为MYB家族之一的转录因子同样具有一定的研究价值,因此,从棉花中克隆了GhMYB42基因的编码序列,并构建了原核表达载体。利用生物信息学方法对GhMYB42的核苷酸序列及氨基酸序列进行了分析,通过Gataway BP和LR反应,将GhMYB42基因的编码序列构建到原核表达载体pGEX-4T-1上,通过设置不同的IPTG诱导条件来确定IPTG诱导蛋白的最佳条件,最后利用Western Blot鉴定重组蛋白。结果显示,GhMYB42(XP_016732693.1)全长序列1 508 bp,编码区长792 bp,编码263个氨基酸,预测分子量约为29.534 ku,等电点为5.18。氨基酸序列比对分析发现,MYB转录因子的序列相似率为80.62%,且GhMYB42蛋白N末端含有2个串联的SANT结构域,是一个R2R3转录因子。进化树分析结果显示,陆地棉MYB42蛋白与陆地棉中另一MYB蛋白(XP_012439547.1)相似性最高并在一个分支上。蛋白诱导时由于各个试验梯度结果差别不明显,因此,选择的条件为IPTG的终浓度0.2 mmol/L,温度37 ℃,时间3 h,蛋白溶解的温度和时间为37 ℃诱导3 h。Western Blot结果表明,重组蛋白的大小正确,最终成功获得了大小为55.54 ku的GhMYB42重组蛋白,后续将对该重组蛋白进行纯化及深入研究转录因子GhMYB42的功能。

HD-Zip在植物抗逆过程中起着重要的调节作用,为了解大麻基因组中HD-Zip基因家族的特征和潜在功能,并为进一步研究CsHDZ基因对干旱胁迫下的调控提供重要线索,根据大麻全基因组数据库中的参考序列,利用生物信息学的方法对大麻HD-Zip基因家族进行全基因组鉴定,并系统分析其理化特性、进化发育、基因结构、启动子顺式结合元件并测定干旱胁迫下的表达模式。结果表明,大麻HD-Zip基因家族共筛选出20个CsHDZs基因,分别定位在7条染色体上,属于4个亚家族,编码氨基酸204 ~ 837 个,理论等电点4.54~9.04,属不稳定蛋白,亚细胞定位预测全部定位于细胞核;蛋白保守基序分析显示,CsHDZs共有10个保守基序,其中motif 1和motif 9为各成员共有;启动子调控元件分析发现,CsHDZs富含多种逆境胁迫应答相关元件。实时荧光定量分析结果显示,CsHDZ1/8/10基因转录水平在干旱前期无显著差异,而后期显著上调。研究表明CsHDZs基因参与了胁迫应答过程并能够积极响应干旱。

为探讨茉莉花TCP基因家族在其生长发育过程中的作用,基于茉莉花的基因组数据,利用生物信息学方法对茉莉花TCP(JsTCP)基因进行了全基因组鉴定及分析,并分析了TCP基因家族在花发育不同时期和花粉-柱头互作中的表达水平。结果显示,茉莉花全基因组中共鉴定出27个TCP基因家族成员,命名为JsTCP1~JsTCP25,其蛋白包含208~539个氨基酸残基,分子量为22.95~56.96 ku,等电点为5.70~9.97,均为不稳定的亲水性蛋白。亚细胞定位预测结果显示,JsTCPs均位于细胞核内。染色体定位结果显示,JsTCPs不均匀分布在10条染色体上。基因结构分析结果显示,JsTCPs具有1~5个外显子以及0~4个内含子。蛋白保守基序和系统进化分析结果显示,JsTCPs均含保守的TCP结构域,可分为Class Ⅰ和Class Ⅱ 2个亚类。启动子顺式作用元件的分析结果显示,JsTCPs启动子上含有多个植物激素响应、胁迫响应和生长发育相关等元件。表达模式分析结果显示,24个JsTCPs基因在茉莉花花发育不同时期表达,22个基因在花粉-柱头互作中表达。总之,本研究鉴定了27个茉莉花TCP基因家族成员,并发现家族成员在花发育不同时期和授粉后不同时期特异表达。

WRKY转录因子在植物生长和防御反应的调控中发挥着重要作用。为了探究WRKY基因家族在板栗抗旱中的功能,对板栗WRKY基因家族成员进行了鉴定,对其编码蛋白的理化性质、系统发育、结构等进行分析,并通过转录组测序和qRT-PCR技术分析其在干旱胁迫下的表达特征。通过生物信息学技术在板栗中共鉴定到65个WRKY基因家族成员,将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3组,其中Ⅱ组根据其结构和系统发育关系分为5个亚组。WRKY基因的结构和保守基序分析表明,外显子数目为1~7个,同一亚组的外显子数目和基序分布类似。WRKY基因保守结构域发生了一定的变异,包括WRKY七肽结构域的缺失,锌指结构的缺失,七肽结构域变异为WRKYGKK、WRKYGRK和WRKYGRK等。转录组测序数据表明,有4个WRKY基因家族成员在样品中没有表达,干旱胁迫诱导表达的WRKY基因家族成员表达量上调的有49个,而表达量下调的WRKY家族成员有11个。以上结果表明,板栗WRKY基因在对干旱胁迫的响应中发挥了重要作用。

为分析DEP1等位变异对水稻籽粒品质和籽粒代谢轮廓的影响。以优质粳稻品种稻花香及其直立穗型突变体dep1-1为试材,测定了籽粒的品质性状及差异代谢产物。结果表明,突变体dep1-1在DEP1基因第5外显子处存在1个单碱基A插入,导致翻译提前终止,从而使G蛋白γ亚基富含半胱氨酸的区域缺失。与野生型品种相比,突变体dep1-1的粒长、外观、黏度、平衡度、食味值、峰值、回复值和峰值时间等指标显著降低,而直链淀粉含量、酸度值和硬度显著提高。与野生型相比,突变体dep1-1中37个代谢物含量显著上调,而45个代谢物含量显著下调。KEGG分析表明,差异代谢物主要富集于半乳糖代谢、脂肪酸生物合成、淀粉蔗糖代谢、亚油酸代谢、ABC转运蛋白、类苯基丙烷生物合成等途径。其中,与野生型品种相比,突变体dep1-1籽粒的蔗糖、D-棉子糖、棉子糖、D-(+)-麦芽糖D-(+)、甜菜碱、吲哚含量显著提高,而硬脂酸、软脂酸、L-亮氨酸、吲哚乙酸含量显著下降。上述的差异代谢物初步解释了突变体dep1-1籽粒品质变化的生理生化机制。

为全面系统地挖掘蔷薇科小G蛋白ROP,在分子水平上为蔷薇科抗病育种提供候选基因。物种系统进化关系分析、ROP蛋白全基因组筛查、Rho功能域分析、蛋白聚类分析及理化性质分析分别运用了NCBI、iTOLv6、GDR、SMART、MEGA 11.0和Maximum-likelihood algorithm1及Protparam和Expasy等数据库及生物信息学在线软件。11种蔷薇科植物聚为6个亚支;11种蔷薇科植物中筛查到80个ROP 蛋白;80个蔷薇科ROP蛋白和11个拟南芥ROP蛋白聚为6个进化分支;蛋白长度、等电点、分子量、脂肪指数及不稳定指数分别为143~215 aa、5.59~9.63、15.735 99~23.878 59 ku、85.28~94.95和27.96~57.14。80个蔷薇科ROP蛋白在草莓中数量最多,甜樱桃最少;蔷薇科ROP蛋白分布于第Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分支中,拟南芥ROP蛋白分布于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ分支中,即分支Ⅵ为蔷薇科特异性分支,分支Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ为拟南芥特异性分支。

为科学准确的鉴别谷子种质资源,加强对谷子种质资源管理和新品种保护。筛选出33对SSR标记对94份谷子种质资源进行了分子身份证的构建。从分布在谷子9条染色体上的500多对SSR标记中,筛选出33对多态性标记扩增国内外94份谷子种质资源,检测到203个多态性片段,每对标记的等位基因数为3~10,平均为6.2个。标记位点的多态信息含量(PIC)变幅为0.429~0.864,平均为0.740。品种间特异指数差异较大,为63.336~268.523,平均为189.000。结果表明,根据标记的等位基因数确定10对分子标记b185、b260、b224、b103、b225、CAAS1044、b186、b253、b105、CAAS3008组合,即可将94份核心种质资源完全区分开。

旨在评价陆地棉种质资源的遗传多样性和筛选代表性种质,为科学评价和高效利用陆地棉种质资源提供理论依据。基于367份陆地棉种质的SNP标记及其中353份种质的表型数据分别分析其遗传多样性、构建系统进化树及初级核心种质,并对初级核心种质的构建效果进行评价。结果显示,原始陆地棉群体SNP位点多态性信息含量为0.24,各表型性状的遗传多样性指数均接近或大于2.00,与前人研究结果相近。基于SNP标记可以将供试群体划分为3个类群,构建了73份基因型初级核心种质,初级核心种质的Nei's遗传多样性指数、多态性信息含量等指标数值大于原始种质。基于表型数据可将供试群体划分为3个类群,各性状均值呈第Ⅰ类群最小、第Ⅱ类群居中、第Ⅲ类群最大的趋势。构建了含70份材料的表型初级核心种质,各性状均值较原始种质的差异均不显著,极差、遗传多样性指数与原始种质相近,变异系数均高于原始种质。基于SNP标记构建的初级核心种质和基于表型数据构建的初级核心种质有15份重合,这些种质多为基因型第Ⅱ类群和表型第Ⅱ类群。以上结果表明,陆地棉种质资源基因型遗传多样性较低,但表型变异丰富、遗传多样性较高。本研究构建的基因型和表型初级核心种质遗传多样性代表性较好,可作为典型种质进行保存和利用。

为培育优质专用小麦,需要从育种早代开始品质参数的选择,由于在育种早代种子数量有限,只能选用一些小量品质测定方法。在常用的小量品质测定方法中,麦谷蛋白溶胀指数(SIG)和乳酸SDS溶剂保持力(LA-SDS SRC)2种方法预测小麦品质的效果比较好,目的是对这2种方法进行比较和必要的优化,为提高品质育种效率提供支持。以黄淮麦区培育的8个强筋、中强筋和中筋小麦品种为试验材料,用全麦粉分别测定不同材料的SIG和LA-SDS SRC值并对试验结果进行了比较,并对LA-SDS SRC法进一步做了优化处理。结果表明,SIG和LA-SDS SRC法测定的结果均与这些品种的面筋强度顺序一致,比较而言,LA-SDS SRC法预测面筋强度效果更好,能更好体现强筋品种与中筋品种之间的差异;优化后的LA-SDS SRC法(使用2 mL离心管)与标准LA-SDS SRC法(使用50 mL离心管)的测定结果高度相关,相关系数高达0.986,其预测面筋强度的效果优于使用2 mL离心管的SIG法。标准的LA-SDS SRC法和更小量的LA-SDS SRC法适合作为我国小麦品质育种的早代选择方法。

探究苜蓿种质资源亲缘关系,为苜蓿品种鉴定和新品种选育提供理论依据。采用ISSR和SSR分子标记方法对30份苜蓿材料进行遗传多样性分析。12条ISSR标记引物共扩增出125条带,多态性条带117条,多态性条带比率(PPB)为93.01%。有效等位基因数(Ne)、Nei's基因多样性指数(H)和香农多样性指数(I)均值分别为1.465 9,0.281 3,0.431 4;12条SSR标记引物共扩增出152条带,多态性条带144条,多态性条带比率(PPB)为94.05%。有效等位基因数(Ne)、Nei's基因多样性指数(H)和香农多样性指数(I)均值分别为1.542 7,0.313 9,0.470 1。2种标记遗传相似系数及聚类分析表明,材料Zxy2010p-7900、Zxy2010p-7740可单独分为一类,与其他材料亲缘关系较远;清水紫花苜蓿、陇东紫花苜蓿、甘农4号杂花苜蓿可分为一类,其品种间遗传相似系数较大,亲缘关系较近。2种标记方法客观真实地检测出供试苜蓿种质的亲缘关系。

抗寒是桃育种工作重要的目标性状,受多个基因的调控,转录组测序是对特定生理条件下的转录本进行测序分析,用以深入探究桃叶片低温响应的分子机制。以熊岳巨桃的叶片为试验材料对4 ℃低温(LT)处理下和正常叶片(RT)进行转录组测序分析。利用DESeq2进行差异表达分析,获得72个上调差异表达基因和3个下调表达基因。KEGG代谢通路分析差异表达基因的代谢通路,并进行蛋白的互作预测。结果显示,低温处理的叶片呈现卷曲、变黄和失水的生理状态,差异代谢基因主要富集在植物病原体互作、MAPK信号通路和次生物质代谢积累等途径。MYC2、SPCH 和Pti4~6转录因子可能在响应冷胁迫中调节低温带来的伤害中起到重要作用,MYC2和CBF蛋白预测相互作用,且分别与多个蛋白互作。本研究表明,有多个代谢途径共同响应桃叶片的低温胁迫,还预测到了可能在冷反应调节途径中起到关键作用的相关转录因子,为探究桃响应冷胁迫的分子机制打下基础。

为深入研究金花葵花朵开花前后基因和代谢物的变化,利用转录组学和代谢组学技术相结合的方法对金花葵花蕾和花朵进行检测。结果显示,通过转录组分析鉴定了206 636个Unigenes,筛选出42 618个差异表达Unigenes,其中包括63个差异表达转录因子家族,24个转录调节因子家族。GO分析结果显示,差异表达基因主要富集于囊泡介导的逆行运输等生物学过程。KOG功能注释显示,差异表达基因功能以通用功能预测居多,其次是信号转导机制、翻译后修饰蛋白周转以及碳水化合物的转运和代谢。差异表达基因KEGG富集分析表明,差异基因主要富集于代谢、植物激素和信号转导、淀粉和蔗糖代谢等代谢通路。通过代谢组学检测,筛选到差异显著代谢物135个,主要包括脂类、氨基酸及衍生物和黄酮类等,KEGG富集分析表明,差异代谢物主要富集于甘油磷脂代谢、糖基磷脂酰肌醇(GPI)-锚定生物合成和次生代谢产物的生物合成-未分类等过程,其中,缬氨酸,亮氨酸和异亮氨酸的降解代谢通路同时出现在了基因和代谢物KEGG代谢通路富集Top 20中。

WRKY转录因子是植物中特有的转录因子家族之一,研究证实WRKY转录因子在植物的生长发育及对生物与非生物胁迫响应中具有重要的调控作用。为揭示番茄WRKY基因的功能,基于前期转录组数据,以番茄高抗青枯病Hm 2-2(R)与高感青枯病BY 1-2(S)2个自交系株系为试验材料,克隆得到1个番茄WRKY转录因子SlWRKY75基因(Solyc05g015850.3)。通过生物信息学分析、氨基酸序列多重比对、系统发育树构建、实时荧光定量PCR(qRT-PCR)和病毒诱导的基因沉默(VIGS)等技术方法对其基因及编码蛋白的结构、表达模式与功能进行分析。结果表明,该基因的cDNA全长为653 bp,其最大开放阅读框为519 bp,编码172个氨基酸,其蛋白相对分子量为19.878 51 ku,理论等电点为9.32,属于亲水性非分泌蛋白,且不存在跨膜结构,同时,该蛋白具有1个高度保守的WRKY结构域和一个CX₄CX₂₃HXH锌指基序,且同属于第Ⅱ类家族。系统发育树分析表明,SlWRKY75与潘那利番茄SpWRKY75亲缘关系最近,并与其他茄科聚为1组,而与橡胶树HbWRKY75、陆地棉GhWRKY75等的亲缘关系较远,在系统发育树上处于不同的分支。qRT-PCR结果表明,SlWRKY75基因的表达具有组织特异性,并可被青枯菌、水杨酸和茉莉酸所诱导。利用VIGS技术得出,沉默SlWRKY75降低了植株对青枯病的抗性,表明SlWRKY75正调控番茄对青枯病的抗性。通过以上研究结果得出,SlWRKY75基因在番茄调控青枯病抗性响应过程中扮演着重要的角色。

为了对马铃薯蔗糖磷酸合成酶(SPS)编码蛋白StSPS1进行原核表达及多克隆抗体制备。从四倍体马铃薯品种川芋10号的块茎中克隆出了StSPS1基因,该基因编码区全长为3 165 bp,编码蛋白的长度为1 055 aa。随后基于构建的His标签融合表达载体PET30a-StSPS1,进行了StSPS1蛋白的诱导、变性、纯化、复性及兔免疫试验。结果发现,StSPS1蛋白分子量约为119.62 ku,在可溶性上清中的表达极少,主要在不溶的沉淀中表达,最佳的诱导条件为37 ℃下用0.5或1.0 mmol/L的IPTG诱导4 h。由于StSPS1为包涵体蛋白,故对其进行包涵体变性处理,并利用His标签纯化出了与目的条带大小相符的蛋白,同时通过His抗体进行了蛋白质免疫印迹(WB)试验,发现在119.62 ku处检测到目标条带,说明StSPS1包涵体蛋白纯化成功。最后,通过将透析复性后的StSPS1蛋白注射进兔子皮下组织中,成功免疫出2个StSPS1的抗体,经过WB鉴定发现2个抗体均能在抗原和川芋10号叶片的总蛋白中杂出目标条带。综上,对马铃薯StSPS1蛋白进行了诱导及纯化,并成功制备了StSPS1蛋白的兔多克隆抗体。

谷氨酸脱羧酶(GAD)是催化谷氨酸脱羧的裂解酶,对GABA合成通路起关键作用,并对植物抵御非生物胁迫有重要调控作用。前期通过代谢组和转录组关联分析筛选得到3个西瓜GAD基因家族成员(Cla97C01G007270、Cla97C01G007290和Cla97C04G079700)。在此基础上克隆了3个西瓜GAD家族基因,分别命名为ClGAD1、ClGAD2和ClGAD3,并对其进行生物信息学及表达模式分析。结果显示,ClGAD1、ClGAD2和ClGAD3的CDS分别为1 524,1 497,1 497 bp,其编码的氨基酸数量分别为507,498,498。3个蛋白均为亲水性蛋白;亚细胞定位于线粒体中;具有高度的保守性,保守结构域为谷氨酸脱羧酶;其启动子区域含有大量CAAT-box和TATA-box,以及与逆境胁迫相关的MYB、MYC等相应元件。3个GAD蛋白的二级结构均以α-螺旋、无规卷曲为主;三级结构均为同源六聚体结构。系统进化树显示,GAD基因家族成员与苦瓜、拟南芥的GAD亲缘关系最近。qRT-PCR分析显示,ClGAD1和ClGAD2在茎中表达量最高,而ClGAD3在花中表达量最高。ClGAD1、ClGAD2、ClGAD3分别在盐胁迫12,24,48 h表达量最高;冷和干旱胁迫下3个GAD基因的表达模式较为相似,均在胁迫早期发生大量表达,且ClGAD3在非生物胁迫下的表达量均高于其他2个家族成员。获得了西瓜3个GAD基因的cDNA全长,并对其进行生物信息学和表达模式分析,为丰富西瓜抗非生物胁迫基因资源提供了试验依据。

为解析杜鹃品种大鸳鸯锦花瓣粉色条纹形成的分子机制,挖掘与粉色条纹形成相关的关键基因,选取大鸳鸯锦盛花期花瓣,对花瓣白色区域与粉色条纹区域的色素分别进行测定,同时,利用 Illumina HiSeq^TM 测序平台对它们的转录组进行测序分析,并采用实时荧光定量 PCR(qRT-PCR)技术对测序结果进行验证。结果表明,大鸳鸯锦花瓣粉色条纹的形成是由花色苷积累引起的。花瓣粉色条纹区域与白色区域共鉴定出 7 086 个差异表达基因(DEGs),其中上调表达基因 3 802 个,下调表达基因 3 284 个。与花色苷形成相关的花青素生物合成、苯丙素生物合成和类黄酮生物合成途径在花瓣粉色条纹区域中更为活跃。根据 DEGs 的 GO 和 KEGG 富集分析结果,从与花色苷生物合成代谢相关及其调控途径共筛选出 31 个 DEGs,其中 26 个为花青素合成代谢结构基因, 5 个为转录调控基因(3 个 MYB 和 2 个 bHLH);26 个花青素合成代谢结构基因共编码 9 种酶,其中 20 个基因在花瓣粉色条纹组织中的表达水平明显高于白色花瓣组织;通过 NCBI 同源搜索发现 2 个 R2R3-MYB 和 1 个 bHLH 与已知调控果实或叶片中花青素合成有关的同源基因相似,它们在花瓣粉色条纹区域中的表达水平也均明显高于白色区域。选取10 个与花青素生物合成相关的差异表达基因,经 qRT-PCR 验证,发现基因表达趋势与转录组测序结果一致。