普通小麦及近缘粗山羊草α-醇溶蛋白基因的克隆、定位与进化分析

通过特异PCR引物设计,从普通小麦品种(豫麦34和烟农19)和粗山羊草(T9、T197、T48、T176和T17)中扩增、克隆了7个新的α-醇溶蛋白基因,分别命名为Gli-YM34、Gli-YN19、Gli-T9、Gli-T197、Gli-T48、Gli-T176和Gli-T17,基因序列长度为846～891bp,编码282～297个氨基酸残基,都具有α-醇溶蛋白的典型结构特点。其中Gli-YM34和Gli-YN19基因推导的醇溶蛋白都含有一个额外的半胱氨酸残基,可能对面筋品质有正向作用。根据α-醇溶蛋白氨基酸序列所具有的4种T细胞抗原表位和多聚谷氨酰胺重复区的平均长度以及中国春缺体四体分析,将来自普通小麦品种的Gli-YM34和Gli-YN19基因定位在6D染色体上的Gli-D2位点,而且Gli-YM34和Gli-YN19与来自粗山羊草的α-醇溶蛋白基因具有很高的序列相似性,进一步证明粗山羊草是普通小麦D基因组的供体。在克隆的4个典型α-醇溶蛋白基因中检测到21个SNP和1个9bp的缺失。系统进化分析表明,α-醇溶蛋白基因与低分子量谷蛋白亚基基因关系较近,在大约43.69百万年时分化,与ω-醇溶蛋白和HMW-GS基因亲缘关系较远,它们的分化时间大约为79.39百万年。     

普通小麦品种小偃54中α/β-醇溶蛋白编码基因的克隆与序列分析

醇溶蛋白是小麦籽粒贮藏蛋白的重要组分,其组成与含量对小麦加工品质具有重要影响。本研究建立了利用PCR从普通小麦基因组BAC文库中筛选含有α/β-醇溶蛋白基因序列BAC克隆的方法,并获得9个不同的含有α/β-醇溶蛋白基因的BAC克隆。从其中鉴定出17个α/β-醇溶蛋白基因,其编码区序列长度为852~957 bp。12个序列在编码区内存在提前终止密码子,推测为假基因。其他5个成员(Gli-Xy54-1、Gli-Xy54-2、Gli-Xy54-3、Gli-Xy54-7和Gli-Xy54-13)分别编码291、310、311、287和317个氨基酸残基,都具有α/β-醇溶蛋白一级结构的典型特征。根据推导的氨基酸序列中乳糜泻病诱发因子的分布情况及多聚谷氨酰胺重复区的长度差异,推测Gli-Xy54-7可能定位于6A染色体,Gli-Xy54-2、Gli-Xy54-3和Gli-Xy54-13可能定位于6B染色体,Gli-Xy54-1可能定位于6D染色体。基因聚类分析支持了上述推论。这是第一次从普通小麦中筛选到包含α/β-醇溶蛋白基因的BAC克隆,并从中得到目标基因全长,对进一步研究普通小麦基因组中α/β-醇溶蛋白编码基因的组成、表达与功能有较好的参考价值。     

陕253γ-醇溶蛋白基因的克隆与序列分析

针对γ-醇溶蛋白基因家族成员,设计了覆盖其启动子及全长编码区的3对特异引物,从强筋小麦品种陕253中克隆了8条1 000 bp左右的片段(GenBank登录号为GQ871770~GQ871777)。该片段群包含典型醇溶蛋白亚基的完整编码序列,并在重复区存在丰富的插入/缺失(InDel);推导的氨基酸序列显示,8个基因均具有γ-醇溶蛋白亚基的典型结构特征,其中GQ871771为假基因,4条序列(GQ871770、GQ871772、GQ871776和GQ87177)具有9个半胱氨酸残基;启动子区序列分析表明,GQ871770、GQ871772、GQ871774和GQ871776在胚乳框存在6处SNP变异,其中两处变异发生于GCN4基序内,利用WebLogo3在线构建了储藏蛋白更具代表意义的30 bp保守胚乳盒模式。进化分析证实克隆序列属于γ-醇溶蛋白基因家族成员。     

小麦新品种“成电麦1号”α-醇溶蛋白基因的分离与序列分析

以染色体工程方法培育小麦新品种“成电麦1号”基因组DNA为模板,用小麦种子醇溶蛋白保守引物进行PCR扩增。扩增产物经克隆测序,获得978-1310 bp的6个序列（CD-1、CD-9、CD-11、CD-12、CD-17和CD-21）,其中3个序列（CD-1、CD-12、CD-17）编码284~301个氨基酸的α-醇溶蛋白基因,所编码的氨基酸序列在多聚谷氨酰胺区和重复区出现较大差异,在编码序列的半胱氨酸的数量和位置上,CD-1和CD-12序列具有特殊性。与乳糜泻（celiac disease）病人毒性抗原相关序列的比对结果表明CD-12不具有Glia-α20表位,而CD-1和CD-17序列只具有Glia-α9,Glia-α20的抗原序列。根据已发表的小麦A、B或D染色体组的α-醇溶蛋白基因的序列建立系统树,发现所克隆的“成电麦1号”α-醇溶蛋白基因序列具有特殊性,说明染色体工程方法培育的小麦新品种具有较大的种子蛋白基因变异,这些基因对小麦品质育种的作用值得进一步研究。     

多年生簇毛麦α-醇溶蛋白基因的分离与序列分析

以多年生簇毛麦（Dasypyrum breviaristatum）基因组DNA为模板,用小麦种子醇溶蛋白保守引物进行PCR扩增。扩增产物经克隆测序,获得999-1018bp的7个序列（GenBank登录号为EU186102-EU186108）,分别编码283-290个氨基酸。序列比对结果表明,它们具有α-醇溶蛋白基因的保守特征,是α-醇溶蛋白基因家系成员。该7个序列与乳糜泻（celiac disease）病人毒性抗原相关序列的比对结果表明,有5个序列在C末端具有Glia-α-2型抗原序列的特征。根据α-醇溶蛋白基因的编码氨基酸建立系统树,发现来自多年生簇毛麦的α-醇溶蛋白基因序列单独聚为一类,不能与普通小麦A、B或D染色体组的相关序列聚在一起。在序列分析的基础上设计了簇毛麦基因组α-醇溶蛋白基因的特异引物AS-V-gli-F和AS-V-gli-R,通过特异PCR扩增,AS-V-gli-F和AS-V-gli-R仅能对多年生簇毛麦、小麦-多年生簇毛麦部分双二倍体进行特异性扩增,而不能对小麦和其他小麦族物种进行扩增。因此,AS-V-gli-F和AS-V-gli-R可作为检测多年生簇毛麦α-醇溶蛋白基因向栽培小麦转移的分子标记。     

陕253γ-醇溶蛋白基因的克隆与序列分析

针对γ-醇溶蛋白基因家族成员,设计了覆盖其启动子及全长编码区的3对特异引物,从强筋小麦品种陕253中克隆了8条1000 bp左右的片段(GenBank登录号为GQ871770～GQ871777).该片段群包含典型醇溶蛋白亚基的完整编码序列,并在重复区存在丰富的插入/缺失(InDel);推导的氨基酸序列显示,8个基因均具有γ-醇溶蛋白亚的典型结构特征,其中GQ871771为假基因,4条序列(GQ871770、GQ871772、GQ871776和GQ87177)具有9个半胱氨酸残基;启动子区序列分析表明,GQ871770、GQ871772、GQ871774和GQ871776在胚乳框存在6处SNP变异,其中两处变异发生于GCN4基序内,利用WebLogo3在线构建了储藏蛋白更具代表意义的30bp保守胚乳盒模式.进化分析证实克隆序列属于γ-醇溶蛋白基因家族成员.     

小麦品种陕253 γ-醇溶蛋白基因的克隆、原核表达与功能鉴定

利用设计合成的特异γ-醇溶蛋白基因引物,采用PCR方法从小麦品种陕253克隆获得一个γ-醇溶蛋白基因(GenBank登录号GQ857626)。序列分析表明,该基因编码产物的II区由于碱基转换产生一个额外的半胱氨酸残基。构建了GQ857626的原核表达载体并转入表达菌株E. coli Rosetta gami B(DE3),IPTG诱导其成功表达。使用HisTrap HP组氨酸标记亲和层析柱纯化该基因的表达产物,并使用4 g粉质仪分析其功能。结果显示,将此纯化蛋白通过氧化还原反应整合到基础面粉后,面团的形成时间缩短,稳定时间减少,弱化度增加,导致主要的粉质指数明显下降,说明该亚基对面团流变学性质整体表现不利。     

粗山羊草全基因组Aux/IAA基因家族的分离、染色体定位及序列分析

生长素是植物生长发育过程中的关键激素之一,Aux/IAA家族基因是重要的生长素原初响应基因。通过生物信息学方法从粗山羊草(Aegilops tauschii)全基因组中分离出28个Aux/IAA基因,其中20个粗山羊草Aux/IAA蛋白具有4个保守结构域;28个Aux/IAA基因分布于全部7对染色体上,5个基因分别具有位于同一位点的已知标记。粗山羊草IAA3、IAA11和IAA26的表达具有组织特异性,分别在雌蕊、种子和根中特异表达。系统发育显示,11对粗山羊草-乌拉尔图小麦Aux/IAA蛋白、5对粗山羊草-大麦Aux/IAA蛋白直系同源。共线性分析表明,粗山羊草Aux/IAA基因与短柄草、水稻中同源基因具有很好的共线性。本研究分离的相关基因不仅可用于小麦的遗传改良,也为深入研究小麦Aux/IAA基因提供了信息。     

多年生簇毛麦a-醇溶蛋白基因的分离与序列分析

以多年生簇毛麦(Dasypyrum breviaristatum)基因组DNA为模板, 用小麦种子醇溶蛋白保守引物进行PCR扩增。扩增产物经克隆测序, 获得999~1 018 bp的7个序列(GenBank登录号为EU186102–EU186108), 分别编码283~290个氨基酸。序列比对结果表明, 它们具有a-醇溶蛋白基因的保守特征, 是a-醇溶蛋白基因家系成员。该7个序列与乳糜泻(celiac disease)病人毒性抗原相关序列的比对结果表明, 有5个序列在C末端具有Glia-a-2型抗原序列的特征。根据a-醇溶蛋白基因的编码氨基酸建立系统树, 发现来自多年生簇毛麦的a-醇溶蛋白基因序列单独聚为一类, 不能与普通小麦A、B或D染色体组的相关序列聚在一起。在序列分析的基础上设计了簇毛麦基因组a-醇溶蛋白基因的特异引物AS-V-gli-F和AS-V-gli-R, 通过特异PCR扩增, AS-V-gli-F和AS-V-gli-R仅能对多年生簇毛麦、小麦-多年生簇毛麦部分双二倍体进行特异性扩增, 而不能对小麦和其他小麦族物种进行扩增。因此, AS-V-gli-F和AS-V-gli-R可作为检测多年生簇毛麦a-醇溶蛋白基因向栽培小麦转移的分子标记。     

TaMyb2-Ⅱ基因在普通小麦(Triticum aestivum L.)及其近缘种中的单核苷酸多态性分析

以39份抗旱性不同的普通小麦、5份A基因组材料、4份拟斯卑尔脱山羊草（Aegilops speltoides）、6份粗山羊草（Aegilops tauschii）和2份四倍体小麦,分析TaMyb2基因的核苷酸序列长度多态性和单核苷酸多态性,及其与抗旱性的关系。结果发现,TaMyb2在A基因组材料中无目标片段扩增,在其他材料中检测到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3种类型序列。经详细分析,TaMyb2-Ⅱ序列长1 606 bp,在供试材料77 088 bp的核苷酸序列中包括34个单核苷酸变异,其中26个SNP,8个InDel,二者出现的频率分别为1/2 965 bp和1/9 636 bp,编码区π值（0.00055）小于非编码区的π值（0.00185）, 说明编码区的遗传变异小于非编码区的遗传变异。从SNP水平上分析,发现普通小麦与其D基因组供体种粗山羊草及四倍体小麦的亲缘关系较近,与B基因组供体种拟斯卑尔脱山羊草的亲缘关系较远。48份材料的TaMyb2-Ⅱ序列共分为18个单倍型（haplotype）,其中haplotype 2、3、5、6、8、9均为旱地栽培的普通小麦品种,说明普通小麦TaMyb2-Ⅱ的这几个haplotype结构可能与抗旱性有关。     

一年生簇毛麦α-醇溶蛋白基因的分离、原核表达与功能鉴定

醇溶蛋白是面筋的主要成分之一,对小麦品质具有重要影响。根据数据库中全长α-醇溶蛋白基因设计了1对通用引物,从5份一年生簇毛麦(Dasypyrum villosum)品系中共得到52条序列,长度在816~873 bp之间(GenBank登录号为KJ004676~KJ004727)。核酸序列分析表明,其中有8条假基因,有1条(KJ004680)缺失终止密码子。推导氨基酸序列显示,KJ004677、KJ004686、KJ004714和KJ004696含有1个额外的Cys,其中,前3条序列由于Tyr→Cys所致,而KJ004696则由于Ser→Cys突变。序列间的差异主要出现在N-端重复区和多聚谷氨酰胺I区,根据N端重复区多肽序列的差异将一年生簇毛麦α-醇溶蛋白分为5种类型。为了分析具有额外Cys的α-醇溶蛋白所具有的品质效应,选取KJ004708(具有典型的6个Cys)和KJ004714(具有1个额外的Cys)分别构建表达载体,IPTG诱导后均得到分子量约30 kD的蛋白,与理论值相符;目的条带经切胶串联质谱鉴定证明,这2个α-醇溶蛋白基因在大肠杆菌中正确表达。对表达的蛋白亚基进行纯化、复性和低温冷冻干燥,经4 g粉质仪分析表明,KJ004708和KJ004714均能改善面团的加工品质,其中具有1个额外Cys的KJ004714亚基对面粉品质的改善更为显著。     

Identification of α-gliadin genes in <Emphasis Type="Italic">Dasypyrum</Emphasis> in relation to evolution and breeding

To better understand molecular evolution of the large α-gliadin gene family and provide a potential value for wheat quality improvement, total 32 α-gliadin gene sequences were isolated from the two Dasypyrum species, D. villosum. (L.) Candargy and D. breviaristatum (Lindb. F.) Frederisksen. Twelve of 32 sequences contained the in-frame stop condons were predicted to be pseudogenes, suggesting the high variation of gliadin genes in Dasypyrum genome. There are five D. breviaristatum α-gliadin sequences present additional cysteine residues. Four peptides which have been identified as T cell stimulatory epitopes in celiac disease (CD) patients through binding to HLA-DQ2/8 were searched to all Dasypyrum α-gliadin gene sequences, and we found that the distribution of the epitopes varied between Dasypyrum genomes. Phylogenetic analysis of the Dasypyrum α-gliadin genes indicated that the sequences from D. breviaristatum displayed higher variation than those from D. villosum, and the genomic differentiation occurred between the two Dasypyrum species. Moreover, the promoter region of the Dasypyrum α-gliadin genes consisted of four different lengths, indicative of the retrotransposons involving the evolution of the gliadin gene promoters. Based on the specific sequences of the Dasypyrum α-gliadin promoter region, we produced sequence-characterized amplified region (SCAR) markers, and localized the Dasypyrum α-gliadin genes on chromosome 6 VS. The SCAR markers can be used to target the introgression of Dasypyrum α-gliadin genes in wheat–Dasypyrum derivatives.     

28个小麦微核心种质抗叶锈性分析

选取在成株期表现高、中、低抗叶锈的28个小麦微核心种质,利用39个以Thatcher为背景的近等基因系(或单基因系)作为已知基因的鉴别寄主,接种8个小麦叶锈菌致病型进行苗期抗叶锈基因推导,结合成株期抗病鉴定,初步明确了这些品种(系)的抗性和可能携带的抗病基因。利用19个与Lr基因紧密连锁或共分离的分子标记,对28个微核心种质进行抗叶锈病基因的进一步鉴定,推测新克旱9号可能含有Lr17、Lr2b、Lr14a和Lr33;兴义4号可能含有Lr26、Lr36和Lr37;紫皮可能含有Lr2b和Lr34;大白皮含有Lr1;毕红穗含有Lr1、Lr10和Lr34;中优9507含有Lr10;小白麦、红粒当年老、老麦、蝉不吱、苏麦3号和车锏子含有Lr1和Lr34;红花早可能含有Lr1、Lr34、Lr14a和Lr2b;江西早、泡子麦、三月黄、有芒扫谷旦、阜阳红、成都光头和酱麦可能含有Lr34;敦化春麦和甘肃96可能含有Lr28;欧柔可能含有Lr34、Lr16、Lr11、Lr3bg和Lr33;此外,新克旱9号、兴义4号、红花早、红粒当年老、欧柔、有芒扫谷旦、成都光头、甘肃96、小红皮、定兴寨、中优9507和红冬麦中可能含有未知抗病基因;在这28份种质中,不含Lr9、Lr19、Lr20、Lr21、Lr24、Lr29、Lr35、Lr38和Lr47基因。研究结果表明,测试的微核心种质中含有比较丰富的抗叶锈病基因,可为育种提供丰富的抗源。     

小麦硬度主效基因Pina和Pinb的克隆和序列分析

籽粒硬度是小麦品质改良的重要目标性状. 根据已报道的谷类作物中硬度主效基因Pina和Pinb的DNA序列, 设计了两对简并引物, 以我国软质小麦品种京411基因组DNA为模板, 进行PCR扩增, 分别获得了约450 bp的Pina和Pinb基因的全长特异性片段. 将其克隆到pGEM-3Zf(+)上, 重组子和酶切鉴定正确后, 进行序列测定和分析. 结果表明, 与     

78份四川小麦育成品种(系)条锈病抗性鉴定与抗条锈病基因分子检测

四川省是小麦条锈菌新小种产生的重要地区之一,了解2016年以来四川小麦育成品种(系)对当前流行的条锈菌生理小种和致病类型的抗性水平以及明确其抗条锈病基因的分布状况,可为四川育种防控小麦抗条锈病和品种布局提供理论依据。本研究选择2个小种CYR32和CYR34对78份四川小麦育成品种(系)进行苗期鉴定,利用当前小麦条锈菌优势小种CYR32、CYR33、CYR34,以及贵22-14、贵农致病类群等混合菌进行成株期人工接种鉴定,并利用19个抗条锈病QTL和基因QYr.nwafu-4BL、Yr5、Yr10、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26、Yr28、Yr29、Yr30、Yr36、Yr39、Yr41、Yr48、Yr65、Yr67、Yr78、Yr80和Yr81的分子标记对供试材料进行抗条锈病基因检测。结果表明,在78份供试材料的苗期鉴定中,对CYR32表现出抗性的有60份,占76.92%;对CYR34表现出抗性的有40份,占51.28%;同时对CYR32和CYR34表现抗性的有36份,占46.15%。78份小麦品种(系)在成株期均表现抗条锈病,其中绵麦835、蜀麦1743、蜀麦1829和蜀麦1868表现为免疫。苗期和成株期抗病性鉴定结果表明,成株期抗性材料有42份,占53.85%;全生育期抗性材料有36份,占46.15%。分子检测结果表明,可能携带QYr.nwafu-4BL、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26、Yr28、Yr29、Yr30、Yr39、Yr41、Yr65、Yr67、Yr78、Yr80和Yr81的材料分别有5、5、45、2、30、5、30、39、3、2、22、8、23、6和24份。同时携带2~6个抗条锈病基因的聚合材料分别有24、22、11、14和3份,占94.87%。所有供试品种(系)均未检测到Yr5、Yr10、Yr36和Yr48,仅西科麦18未检测到上述19个抗条锈病基因,可能携带其他已知或新的条锈病抗性基因。本研究鉴定了78份四川小麦育成品种(系)对条锈病抗性水平整体较好,明确了其携带的抗条锈病基因,为利用其培育持久抗性小麦品种提供了科学依据。     

Unique gliadin patterns in Chinese winter wheat cultivars

Cultivated Chinese wheat germplasm has been a valuable genetic resource in international plant breeding. Patterns of gliadin among cultivated Chinese accessions are unknown, despite the proven value and potential novelty. The objective of this work was to analyse the diversity within improved Chinese wheat germplasm. The electrophoretic banding patterns of gliadin in winter wheat cultivars and advanced lines were determined by acid-polyacrylamide gel electrophoresis. For 148 leading commercial cultivars and promising advanced lines used in this study, 48 patterns were identified, 29 corresponding to ω -gliadin, nine to γ -gliadin, five to β -gliadin and five to α -gliadin. The most frequent patterns were A6 in ω ; B in γ ; B in β and A in the region of α . A total of 116 band types appeared in the 148 samples: 94 accessions had unique gliadin types, and 22 gliadin, types while not unique, were found in 54 accessions. The gliadin patterns of Chinese wheat cultivars and lines greatly differed from the patterns of wheat lines from other countries. Three patterns, E, J, H, M, N and O in the ω -zone had not been reported previously. Three wheat zones of China, the Northern Winter Wheat Region, the Yellow and Huai Valley River valleys Winter Wheat Region and the Southwestern Winter Wheat Region, showed different frequencies in their gliadin patterns. This information can be used to monitor genetic diversity with Chinese wheat germplasm.     

Wheat improvement in India: present status,emerging challenges and future prospects

India is the second largest producer of wheat in the world, with production hovering around 68–75 million tons for past few years. The latest estimated demand for wheat production for the year 2020 is approximately 87.5 million tons, or about 13 million tons more than the record production of 75 million tons harvested in crop season 1999–2000. Since 2000, India has struggled to match that record production figure and thus faces a critical challenge in maintaining food security in the face of its growing population. The current major challenges facing future wheat production in India are increasing heat stress; dwindling water supplies for irrigation; a growing threat of new virulence of diseases such as wheat rusts (yellow, brown, and black) and leaf blight; continuous adoption of rice-wheat systems on around 11 million hectares; changes in urbanization patterns, and demand for better quality wheat. In addition, the threat posed by the new stem rust race Ug99 can not be underestimated. The wide gap (around 2.5 t/ha) between the potential and harvested yield in the eastern Gangetic Plains also cries out for solutions. Addressing issues related to different stresses will require harnessing genes discovered in landraces and wild relatives following conventional as well as non-conventional approaches. For effective technology delivery in areas that suffer from poor linkages with farmers, participatory research needs to be strengthened. The future germplasm requirements from a dependable collaborator such as CIMMYT are largely being dictated by the above factors.