植物转座元件及其分子标记的研究进展

转座元件是基因组中可移动的DNA分子，在真核生物的基因和基因组进化中起着重要的作用。植物的转座元件分为反转录转座子和DNA转座子两大类，其中，反转录转座子又分为长末端重复序列(LTR)反转录转座子和非LTR反转录转座子两个亚类，而DNA转座子分为自主元件、非自主元件和微型反向重复转座元件(MITE)三种类型。基于植物转座元件的分子标记目前主要有序列特异扩增多态性(S-SAP)、MITE显示、转座子显示(TD)、MITE位点间多态性(IMP)、反转录转座子位点(IRAP)、反转录转座子-微卫星扩增多态性(REMAP)和基于反转录转座子插入多态性(RBIP)。综述了这些分子标记技术的原理及其在生物遗传多样性与系统进化分析、基因作图、品种鉴定等方面的应用。     

巴西橡胶树HbNAC1基因启动子的克隆及序列分析

NAC转录因子是植物特有的一类转录调控因子,在植物的生长发育、激素调节和境胁迫应答中具有重要的功能。为研究NAC转录因子在巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）抗逆胁迫中的功能,本项目组根据巴西橡胶树NAC转录因子-HbNAC1基因序列,通过Genome Walking方法从巴西橡胶基因组DNA中获得了长度为1861bp的HbNAC1基因的5＇调控区片段,序列分析表明该段序列含有一个典型的真核生物核心启动子区域,转录起始位点T位于起始密码子上游52bp处。该启动子序列除了含有TATA-box、CAAT-box等基本顺式作用元件外,还具有茉莉酸响应元件以及大量光顺式作用元件和逆境胁迫诱导相关的顺式调控元件,这表明HbNAC1基因在橡胶树逆境胁迫应答过程具有重要功能,其启动子可能是一个光诱导型和组织特异性启动子。     

马铃薯叶片特异性启动子克隆分析及其驱动的人白细胞介素-12表达载体构建

利用植物生物反应器表达具有应用价值的药用蛋白是近年来生物技术研究热点。本研究利用PCR技术从马铃薯基因组中克隆其叶片组织特异性启动子Prbcs后,利用PLACE等数据库对序列进行启动子元件分析,接着通过重叠PCR、限制性内切酶酶切、体外连接、转化等技术,以双元载体pCambia-2301为骨架,构建Prbcs驱动的药用蛋白人白细胞介素12（hIL12）表达载体。结果显示,本研究成功从马铃薯基因组中扩增得到了623 bp大小的启动子片段,序列分析表明该片段含有典型的启动子元件如TATA-box,以及一些组织特异性的相关响应元件,符合组织特异性启动子的特征;成功获得了基于pCambia-2301的Prbcs驱动的hIL12植物表达载体。本研究获得的Ppatatin启动子及其驱动的hIL12表达载体,为提高hIL12在植物生物反应器中表达量以及优化马铃薯生物反应器打下了基础。     

逆转座子对真核生物基因组及宿主基因表达的影响

逆转座子广泛存在于真核生物基因组中,由于其自身结构及转座的特殊性,它们对真核生物的基因及基因组的大小、结构、功能和进化都有重要影响,尤其是在基因表达调控上,逆转座子插入能够改变宿主基因(即被插入基因)转录的时间和空间模式,造成选择性拼接、形成多种转录本等多种效应。同时,逆转座子活动所造成的稳定变异为选择新的、有突破性的优良性状提供了丰富的素材,显示出其在动植物品种改良中的巨大应用潜力,用逆转座子作基因标签进行基因功能研究、开发一些新型分子标记等都已得到广泛的应用。因此,关于真核生物中的逆转座子及其对宿主基因表达影响的研究具有十分重要的理论意义和巨大的应用前景,是目前国际上生命科学领域研究的热点课题之一,本文就该领域近年来的研究进展作一概述。     

WRKY转录因子调控植物养分吸收利用及重金属解毒的研究进展

WRKY蛋白是植物特有的一类重要转录调控因子，它们通过与下游基因启动子上的W-box元件特异性结合诱导或抑制相关基因的表达，从而调控植物生长发育以及植物对生物和非生物胁迫的响应。植物WRKY基因组数目多，在拟南芥、大豆和水稻基因组中已经分别鉴定出74、182和109个，在植物对干旱、盐害、高温、养分匮乏和病原体感染等各种生物、非生物胁迫的响应过程中起关键作用。例如AtWRKY45和AtWRKY75参与调控拟南芥应答低磷养分胁迫，GmWRKY142正向调控拟南芥对镉胁迫的耐受性。在植物面对逆境胁迫时，WRKY蛋白通过与养分相关基因启动子的W-box元件特异性结合，进而实现自我调节或交叉调节，激活或抑制下游基因的转录以应对各种逆境胁迫。众多WRKY下游靶基因也已被鉴定出来，例如PHT家族成员与磷营养相关；3个拟南芥WRKY基因和6个大豆WRKY基因参与调控植物对氮素的吸收利用；6个拟南芥WRKY基因、10个大豆WRKY基因和5个水稻WRKY基因调节植物应对低磷胁迫；2个拟南芥WRKY基因和6个大豆WRKY基因影响植物对钾的吸收利用；3个大豆WRKY基因参与调控植物对硫营养的吸收利用；1个拟...     

黄瓜全基因组SnRK2基因的鉴定和序列特征分析

植物SnRK2基因在逆境应答和ABA信号转导及生长发育过程中具有重要功能。但是有关黄瓜(cucumis satovus L.)SnRK2全基因组水平的研究鲜见报道。本文利用生物信息学的方法从黄瓜基因组中鉴定出9个SnRK2基因,并对这些基因的染色体分布、内含子-外显子结构、系统进化、顺式调控元件等进行了系统分析。结果显示,黄瓜的SnRK2基因不均匀地的分布在基因组中,它们的外显子多数为9,编码区序列长度在909-1140bp之间。它们在遗传上分为3个不同的类群,预测编码的蛋白都具有激酶的典型结构。而且,在SnRK2基因上游调控序列中都含有多个不同激素和逆境应答顺式元件,预示它们在逆境应答和激素信号转导过程中具有一定功能。本文为进一步研究黄瓜SnRK2基因在逆境和激素应答中的功能奠定了基础。     

畜禽粪便厌氧发酵过程抗生素抗性基因归趋及驱动因子分析

针对畜禽养殖业抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)污染问题,该文选取厌氧发酵技术,对比不同厌氧发酵体系内ARGs消长与潜在宿主菌,挖掘不同因子与ARGs的相互关系。结果表明,厌氧发酵体系内微生物群落变化是ARGs消长的主要驱动因子,确定ARGs的潜在宿主菌是目前研究的难点;抗生素和重金属也是ARGs消长的重要驱动因子,控制抗生素污染和重金属污染可有效减缓ARGs污染;可移动遗传元件在ARGs水平传播过程中起着重要作用。综合而言,厌氧发酵体系内各个因子直接或间接影响ARGs消长,其中工艺参数是控制整个厌氧发酵体系的先决因素,在特定工艺参数下,微生物群落与体系物化指标相互影响与制约;微生物通过分子内部可移动遗传元件实现ARGs在不同微生物之间的水平传播。综上所述,通过综合协调各类因子实现厌氧发酵体系内ARGs消控是今后研究重点。     

棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4启动子的克隆及序列分析

棉纤维是纺织行业的重要原材料。赤霉素能够促进棉纤维的生长发育,而DELLA蛋白又是赤霉素信号转导通路中的关键调控因子,因此研究棉花DELLA蛋白基因表达的调控模式,对阐明棉纤维生长发育的分子生物学机理具有重要意义。本研究根据两个棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4序列设计特异引物,以陆地棉新陆早13号的基因组DNA为模板,用基因组步移法克隆了棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4的启动子。对两个启动子进行序列分析表明,这两个启动子均具有真核生物典型的核心启动子区,同时也都具有一个或多个光响应元件和赤霉素响应元件,说明这两个基因可能受到光信号和赤霉素信号的调控,这与其它植物中DELLA蛋白的表达模式是一致的。此外,这两个启动子还具有各种转录调控相关的顺式作用元件,比如其它激素类的响应元件和逆境胁迫响应元件,说明棉花中DELLA蛋白基因可能在响应其它激素信号以及逆境胁迫中也起到一定的作用。     

番茄LeNCED1基因5''-侧翼序列克隆及LeNCED1p:GUS融合基因构建

从番茄基因组中克隆LeNCED1基因5'-侧翼1456 bp调控序列,经生物信息学分析表明,LeNCED1基因上游调控序列中存在响应昼夜节律的顺式作用元件Circadian、光响应元件BoxⅠ、逆境胁迫响应元件(TC-rich repeats)、ABA响应元件ABRE等,构建了LeNCED1基因上游调控序列与报告基因GUS融合的植物双元表达载体pLeNCED1p:GUS.     

小鼠基因内含子中CpG岛和几个转录调控元件分析

内含子在基因转录调控中的作用已多次被实验报道,然而对其参与调控的普遍性还缺乏足够的理论支持。本研究利用计算分析方法,对小鼠基因内含子中的CpG岛（CpGisland）、TATA框（TATAbox）、CAAT框（CAATbox）以及GC框（GCbox）等元件的出现频率进行分析。结果发现,分别有56.01%、57.16%、65.88%和41.86%的第一内含子具有CpG岛、TATA框、CAAT框以及GC框,而它们在其它内含子中的平均出现频率则分别为14.07%、45.24%、49.91%和13.19%。即使考虑到不同位置的内含子,这些元件在第一内含子中的出现频率也显著高于它们在其它任何位置内含子中的出现频率。由于CpG岛、TATA框、CAAT框以及GC框均与基因的转录调控有关,据此推测小鼠第一内含子在基因转录调控过程中具有潜在的重要性。本研究结果为内含子参与转录调控提供了更多的理论依据。     

马铃薯（SolanumtuberosumL．）全基因组水平上LTR-逆转座子的鉴定与进化分析

LTR-逆转座子是构成基因组特别是植物基因组的重要组分。它们在寄主基因组的进化过程中起到重要作用。马铃薯是重要的经济作物和粮食作物,其全基因组序列的公布为进一步研究其遗传组成和演化提供了基础。本文以马铃薯全基因组序列为材料,用结构分析和同源比对的方法分离得到9318个完整的LTR_逆转座子,7281个非完整（trtmcated）LTR-逆转座子元件和3657个soloLTR元件。进一步研究表明,gypsy类转座子在距今两百万年（millionyearsago,MYA）时转座活性被抑制,而copia类元件活跃至今。马铃薯和番茄比较基因组学的研究表明,LTR-逆转座子序列变异率为18．73％,远高于基因序列的7．37％和CDS序列的5．01％。     

Trace Element Concentrations of Iowa Surface Soils

Trace elements in the environment have received considerable attention in recent years. This study was carried out to assess the concentrations of 15 trace elements in 171 representative Iowa surface soils obtained from 30 counties, representing 41 major soil series in Iowa, which constitute 63.5% of the Iowa landscape. This was coupled with analysis of eight major elements. The trace metals were determined either by atomic absorption spectrophotometry or an argon plasma emission spectrometer in soil digests. The ranges, means, median, standard deviations, and frequency distribution of the elements studied are reported. Results showed that, in general, concentrations of the trace elements were significantly correlated (P < 0.01) with those of the major elements studied. With a few exceptions, the concentrations of trace elements were intercorrelated (P < 0.01), suggesting their presence in soils predominantly as mineral constituents.     

Robustness in the mineral supply from temporary grasslands

Abstract

The current study examined the capacity of different temporary grassland legume–grass mixtures under different N supply levels to supply similar amounts of elements in systems where the herbage is cut for feed. Mixtures showed a good robustness in supplying equal amounts of mineral elements in the combined herbage as well as equal concentrations in dry matter of mineral elements compared with the same species in monocultures. The reasons for the mixed systems to be able to buffer differences in N supply levels as well as different compositions of the mixtures were that legume leaves and stems had similar concentrations of mineral elements, whether in monocultures or in mixtures with grasses. Grasses in mixture with legumes had however higher N, Ca, S, Zn, Cu and tended to have higher Mg concentration, both in stems and leaves, while Mn were less concentrated in mixtures’ dry matter. Further, the mixtures doubled their dry matter accumulation in the two weeks just around grass heading. The systems partly buffered the time-wise differences in the sense that the P accumulation paralleled dry matter but the N was diluted. This was mirrored in a decrease in N concentration and maintenance of the concentration level of P and other elements. As the stem–leaf ratio was higher (p<0.05) in festulolium than in ryegrass and as the stems of festulolium have lower concentrations of N, K, Ca, S, Mg, Fe and Cu than leaves, the mixtures including festulolium had a rapidly declining proportion of these elements in the combined mixtures’ dry matter. Management options in improving the mineral supplies are thus to choose species when establishing the temporary grasslands according to functionality, to manipulate the content of legumes by the N supply level, and to time the harvest of the herbage.     

土壤细菌趋化性研究进展

土壤是地球生态系统中最具生命活性的组成部分,特有的孔隙结构承载着生物圈中最丰富多样的微生物生命形态,为动植物提供了大量的调控功能。土壤是一个不断演变和发展的生态系统,而微生物是土壤生态系统的核心,也是驱动碳、氮等元素以及能量循环的关键因子。趋化性是细菌在长期进化过程中形成的帮助其寻找食物或趋利避害的本能,结合其他的内在生理特征,细菌能够迅速适应动态变化的环境。营养物、异源污染物和水分条件等的不均匀分布致使土壤中细菌趋化现象普遍存在,并且时刻影响土壤微生物的群落组成及其时空分布。近年来,土壤细菌趋化性已成为国内外土壤微生物学研究的热点和重点。本文分析了土壤细菌趋化性研究的前沿问题和主要进展,阐述了细菌趋化行为模式、趋化信号传导通路和趋化性数学模型,探讨了土壤中普遍存在的细菌趋化现象及相关的主要研究技术手段(荧光原位杂交技术、微流控技术和光学显微技术),并对土壤细菌趋化性研究的发展趋势进行了展望,旨在为今后的相关研究和实际应用提供参考。     

Conditions related to solubility of rare and minor elements in forest soils

Soil solutions expelled by high‐speed centrifugation (13900 g) of intact soil sample cores at field moisture from 30 forest topsoils (A horizons of mainly Dystric and Eutric Cambisols, according to the FAO‐Unesco system) low in clay were subjected to analysis of 60 elements, using ICP‐MS and ICP‐AES. Concentrations measured were related to soil and soil solution properties assumed to be important for the solubility of elements, using stepwise regression analysis. On an average two thirds of the variability in soil solution concentration of elements were accounted for by, in particular, organic C concentrations, pH and/or nitrate concentrations of the solutions, varying among elements from 19 to 90 %. Concentrations of elements strongly positively related to soil solution acidity were Al, Be, Ge, Li, Ni, Pb, and Zn, strongly negatively related to acidity were Ca, Mo, and W. Most positively related to nitrate concentrations in soil solutions were B, Ba, Cd, Mg, Mn, and Sr; negatively were Nb, Ta, and Ti. Concentrations of organic C in the soil solutions correlated positively, often quite closely, with most of the other elements studied, including La, all the lanthanides, and with Ag, Br, Cr, Fe, Ga, Hf, Hg, In, P, Th, U, Y, and Zr. Soluble organic compounds were apparently ’︁carriers’ of these elements in the soil solution. The concentrations of elements in HNO₃ digests of the soils usually accounted for just little or no statistical variability of their soil solution concentrations.     

原核生物基因组三核苷酸转移概率偏倚的物种特异性及致病关联性

作为DNA序列的重要组成特征,基因组寡核苷酸使用模式及其偏倚的研究已被广泛应用于原核生物基因组的分析.然而,关于寡核苷酸使用模式的偏倚是否具有种群特异性并反映种群的功能这一问题,尚未阐明.我们基于一阶马尔可夫链模型,提出了一个度量寡核苷酸使用模式偏倚的新指标--基因组三核苷酸（trinucleotide;tri-）转移概率偏倚（transition probability bias;TPB）特征向量,或称之为三核苷酸转移概率最大偏倚分布,并分析比较了727条有代表性的原核生物基因组序列tri-TPB特征向量.结果表明,基因组tri-TPB特征向量具有物种特异性,亲缘关系越近的物种,它们的tri-TPB特征向量越相似;同种内的不同菌株具有几乎完全相同的tri-TPB特征向量,并且不依赖于基因组的GC含量;此外,基因组tri-TPB特征向量的相似性与菌株的致病性特征相关.本研究结果为基于全基因组寡核苷酸组成和分布信息的物种及其致病性进化分析提供了新的思路和方法.     

Biofortification of Trace Elements in Food Crops for Human Health

Micronutrient deficiencies have been reported in food crops worldwide. Several macro- and micronutrients are essential for human health. However, among these elements, the trace elements zinc (Zn), iron (Fe), iodine (I), selenium (Se), and cobalt (Co) are limiting in the diets of much of the world's population. According to United Nations estimates, about 1 billion people, especially woman and children, are suffering from malnutrition of trace elements, especially in Africa, Asia, and South America. Improving bioavailability of these elements in food crops is an important strategy to overcome trace-element deficiencies in food crops and improving human health. Genetic variability in micronutrient contents in the grain of crops such as rice, corn, wheat, barley, soybean, and dry bean is widely reported in the literature. Hence, use of genetic variability among crop species and genotypes within species is an important strategy to achieve biofortification of grain of staple food crops. Other practices that can be adopted to improve bioavailability of essential elements in food crops are adopting appropriate agronomic practices, such as adequate rate, effective sources, and effective methods of fertilizer application. Use of biotechnology is also feasible to biofortification of staple food crops. Planting indigenous and traditional food crop species with high nutritive value is another important strategy to improve trace elements in human food.     

稳定同位素和元素指纹分析在白术产地溯源中的应用

为解决道地药材白术的产地溯源问题,本研究采用稳定同位素比质谱仪(EA-IRMS)和电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定了6个产地168种白术中δ¹³C、δ¹⁵N、δ²H、δ¹⁸O和δ³⁴S值及41种矿质元素含量,并结合化学计量学对不同产地白术进行鉴别。结果表明,线性判别分析(LDA)可以区分6个产地的白术。基于不同变量共建立7种不同判别模型,其平均交叉验证率分别为:稳定同位与素(88.17%)、矿质元素(98.67%)、常量矿物元素(41.83%)、 痕量矿质元素(99.33%)、稳定同位素与矿物质元素(100%)、稳定同位素与常量矿质元素(91.83%)以及稳定同位素与痕量矿物质(98.83%)。其中,δ¹⁸O、 δ³⁴S值以及Li、Dy、Sm、Er等稀土元素是影响判别的主要因素,主要由产地地理位置、气候条件和土壤类型决定。综上,基于稳定同位素、矿质元素和化学计量学的方法可对不同产地白术进行产地溯源。