玉米苗期水分胁迫下相关基因差异表达研究

采用cDNA-AFLP技术对玉米幼苗在PEG胁迫和土壤干旱胁迫下的基因表达进行了研究分析,获得转录本衍生片段(TDFs)488条,经测序和同源比对获得42个cDNAs。同源性BLAST搜索结果表明:18个cDNAs的同源序列均为功能未知的玉米克隆,7个cDNAs序列与功能已知的玉米基因同源,5个TDFs序列与功能未知的水稻克隆同源,7个TDFs序列与功能已知的水稻基因同源,剩余的cDNAs序列分别与西红柿、高粱等同源。在获得的cDNAs片段中,既有与干旱胁迫相关的重要功能蛋白,也有一些重要的转录因子。     

利用cDNA-AFLP技术分析炭疽菌危害诱导茶树的差异表达基因

应用cDNA-AFLP技术筛选炭疽菌（Colletotrichum sp.1）危害诱导茶树毛蟹品种（Camellia sinensis cv. Maoxie）的差异表达基因,为探究茶树抗炭疽菌的分子机制奠定基础。利用256对选择性扩增引物组合分析病菌接种后0 h和48 h的叶片cDNA,经筛选、测序和BLAST比对获得136条差异表达片段（TDFs）。同源基因功能分析结果表明,128条TDFs与Nr数据库已有基因同源,其功能以胁迫响应、生物调控与信号转导为主;其中51条TDFs与TPIA数据库中冷害、干旱、盐碱条件下的差异表达基因高度同源。进一步对27条TDFs进行qRT-PCR验证,结果显示,有24条TDFs的表达情况与cDNA-AFLP的结果一致,WRKY转录因子、乙烯响应转录因子、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等抗逆相关基因的表达显著上调。本试验通过筛选获得差异表达的抗逆相关基因,为后续的基因功能研究奠定基础。     

茶树在干旱条件下的mRNA差异表达

采用20%PEG-6000对福鼎大白茶无性系扦插苗进行模拟干旱处理,应用mRNA差异显示技术研究干旱与正常浇水对照的mRNA差异表达,发现1个在干旱条件下减量表达片段N_3-5。序列分析和同源性比对表明,N_3-5与茶树无性系Sajin茶叶色突变基因组序列标签S31.B15（Accession：DQ443473.1）有75%的同源性。根据序列相似同源基因的功能推测,该片段可能与茶树的抗旱机制有关。     

西藏青稞品种喜玛拉雅10号干旱胁迫的SSH文库构建及干旱诱导表达基因分析

为了研究西藏青稞抗旱的分子机制,以西藏耐旱青稞(Hordeum vulgare L.var.nudum HK.f.)品种喜玛拉雅10号为材料,利用抑制性差减杂交技术(SSH)构建青稞苗期叶片干旱胁迫诱导基因表达的正向差减文库。挑取600个阳性克隆进行PCR验证,并对验证后的单克隆进行测序分析,共获得420个有效序列。去除冗余序列和嵌合序列后,获得220条高质量EST序列,其中183条singlets,37条contigs。BlastN分析表明,其中189个EST序列可以在GenBank的unigene中找到同源序列,31个未能找到unigene同源序列;BlastX分析表明,62个EST序列unigene与未知功能蛋白或假定蛋白有较高的相似性;158条EST序列与已知功能蛋白有较高的同源性。获得的EST序列多数不仅与植物的非生物胁迫相关,也与植物的生物胁迫反应相关,说明植物在胁迫反应中有明显的共同机制。其中与大麦表达序列高度同源的EST占58%;这些基因涉及参与信号转导和转录调节的基因(11.96%),编码保护、防御和胁迫耐受蛋白的基因(9.78%),跨膜转运相关基因(5.43%),光合作用基因(6.52%),参与结构和功能代谢合成途径中的一些酶(30.43%)等代谢过程。实验结果表明,青稞在干旱复水条件下可诱导一系列特异基因的表达,如参与抗旱反应相关酶和蛋白基因锌指蛋白、衰老相关蛋白、CAS、细胞色素P450、热激蛋白、胁迫诱导蛋白,以及LEA蛋白、脱水蛋白、P5CS等保护蛋白基因。用KOBAS系统将56个EST定位到32个Pathways中,初步分析发现,谷氨酸盐代谢途径(Glutamate metabolism)、精氨酸和脯氨酸代谢途径(Arginine and proline metabolism)、泛素蛋白介导的蛋白质水解代谢(Ubiquitin mediated proteolysis)途径可能与青稞抗旱相关性较大。     

小麦TCP基因家族的全基因组鉴定和对热胁迫的响应

TCP是植物发育调控的重要转录因子。为了挖掘小麦TCP基因的功能,本研究利用生物信息学方法和qRT-PCR技术,对小麦TCP基因家族进行全基因组鉴定和在热胁迫下的表达分析。全基因组鉴定结果表明,普通小麦品种中国春中存在58个非冗余的TaTCP基因。根据与AtTCPs和OsTCPs的系统发育分析,在小麦中分别有26个PCF、20个CIN和12个CYC/TB1聚类。进一步预测TaTCP基因在达尔文进化下的压力选择,发现除了TaTCP16-A相对于乌拉尔图小麦中直系同源基因是正向选择,其他基因都是纯化选择的过程。利用在线RNA-seq数据分析TaTCPs基因在5种组织器官中与冷、热和干旱胁迫下的表达图谱,结果显示,小麦TCP基因在不同的组织和胁迫中存在差异表达。最后,通过qRT-PCR技术检测12个不同发育阶段的小麦叶片在短期热胁迫下TaTCP5部分同源基因的表达水平,结果表明,在35℃下处理1h,TaTCP5-D的相对表达量在拔节期、拔节后期、孕穗前期和抽穗期都有明显的上调,这些结果为进一步研究TaTCP基因的功能奠定了良好的基础。     

小麦TaNIP4-1基因的克隆及生物信息学分析

水通道蛋白不仅控制着水分和一些小分子溶质的跨膜运输,也是植物体应对非生物胁迫的重要组成部分。为了进一步研究小麦水通道蛋白的功能,本研究以NCBI和Ensemble Plant数据库中查找出的已报道的小麦水通道蛋白基因序列为模板,针对其保守区设计了19对引物,应用PCR的方法从5个小麦品种中克隆出19个基因片段。通过比对鉴定到一个此前未曾报道的新基因,并对其进行生物信息学分析,将其命名为TaNIP4-1。理化特性分析表明,该基因位于3A染色体短臂,基因全长1 315bp,CDS序列长度864bp,含有3个外显子和2个内含子,编码含有288个氨基酸的多肽,含有保守的沙漏模型,有6个跨膜区和2个保守的NPA基序。亚细胞定位预测结果表明该基因位于质膜上。该基因启动子序列含有与逆境响应相关的顺式调控元件,而对7日龄的麦苗进行干旱和盐胁迫处理后,其qRT-PCR结果显示,干旱和盐处理5h后,TaNIP4-1基因在小麦叶片中的表达量明显上调;盐处理7d后,TaNIP4-1基因在小麦根部的表达量显著上调。由此可见,TaNIP4-1基因参与了小麦应对逆境的过程。     

小麦冷休克蛋白基因TaCSP的克隆及表达分析

为深入研究小麦冷休克蛋白(cold shock proteins,CSPs)基因,根据大肠杆菌(E.coli)CSPs蛋白保守氨基酸序列,借助生物信息学技术检索小麦EST序列,采用同源序列法拼接了小麦3个冷休克蛋白基因,并以小麦叶片总RNA为模板,采用RT-PCR对其进行扩增;同时,采用荧光定量PCR对3个基因的组织表达特性以及ABA、低温、高温、干旱和盐胁迫条件下的表达模式进行了研究。结果表明,小麦3个冷休克蛋白基因TaCSP1、TaCSP2和TaCSP3全长分别为290、374和377bp,各编码69、69、80个氨基酸残基。序列分析表明,TaCSP1、TaCSP2和TaCSP3之间氨基酸相似性为72.9%~84.3%,与大肠杆菌来源CSPs的相似性为40.0%~79.7%。荧光定量PCR表达谱分析显示,TaCSPs在抽穗期小麦的根、茎、叶和幼穗中均能表达。胁迫分析表明,3个冷休克蛋白基因在小麦幼根中的表达,在低温和ABA处理下,表现为早期诱导、后期抑制,在高温、干旱和盐胁迫下,则表现为早期抑制、后期有所恢复。克隆获得的小麦3个冷休克蛋白基因在根组织中强烈表达,并受ABA和冷胁迫诱导,推测其在小麦抵御逆境胁迫过程中发挥重要作用。     

小麦microRNA167e的特征及表达模式分析

MicroRNAs(miRNAs)是一类在植物发育调控和逆境胁迫响应过程中发挥重要功能的小RNA,为了探讨miR167e在小麦中的生物学功能,以小麦品种中国春、豫麦18和矮抗58为材料,利用RT-PCR技术克隆了小麦miR167家族基因新成员 MIR167e,并采用qRT-PCR技术分析了其时空表达特性及其对渗透胁迫的响应模式。结果将小麦 MIR167e基因定位在第5同源群染色体的短臂上,将该基因A、B和D基因组的三个部分同源基因分别命名为 TaMIR167e-5AS、 TaMIR167e-5BS和 TaMIR167e-5DS。序列分析显示,该miRNA前体区域在所检测品种间高度保守,3个部分同源基因间仅存在SNP差异,在成熟tae-miR167e对应区域完全一致。时空表达特性分析显示,tae-miR167e在籽粒发育过程中表达呈上调趋势,在不同组织间的表达差异较大,其中在3叶期,叶片和根系中表达量较高,种子中次之,穗下节中表达量最低;在干旱胁迫条件下,该miRNA受胁迫诱导而上调表达,与中国春相比,矮抗58根系中该miRNA的诱导表达启动更快,在叶片中的表达水平更高;在盐胁迫条件下,该miRNA在根系中呈下调表达趋势,而在叶片中上调表达。推测tae-miR167e在小麦发育调控和渗透胁迫响应过程中发挥重要功能。     

盐胁迫对小麦根系氧化损伤及细胞程序性死亡的影响

为探究小麦根系响应盐胁迫逆境的生理机制,以耐盐性不同的三个春小麦品种新春11号(高耐)、新春29号(中耐)和新春6号(盐敏感)为材料,分析300 mmol·L~(-1)NaCl胁迫对耐盐性不同的小麦品种根系生长、活性氧含量、抗氧化酶活性及细胞程序性死亡的影响。结果表明,与对照相比,盐胁迫下三个品种根长显著下降,根系干、鲜重均呈下降趋势,新春11号和新春29号变化幅度较小,而新春6号变化幅度相对较大;根尖中超氧阴离子产生速率保持增长趋势,耐盐性强的品种上升速率慢于耐盐性弱的品种,过氧化氢含量先增后降,最后与对照基本相同。超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性均在盐胁迫初期快速上升,胁迫30min后开始下降。SOD活性在耐盐性强的小麦品种中显著升高,而APX活性在耐盐性弱的品种中则显著升高。Evans Blue染色结果发现,随着盐胁迫时间的增加,死亡细胞数目逐渐增多。聚丙烯酰胺凝胶电泳显示,盐胁迫4h后即可检测到DNA片段化的发生,表明NaCl胁迫对小麦造成氧化损伤,诱导小麦根尖发生细胞程序性死亡。     

滴灌春小麦根系形态特征及内源激素含量对花期干旱及复水的响应

为探明北疆地区不同抗旱性滴灌春小麦品种根系形态及内源激素在开花期干旱后复水过程中的变化特征及其与生物量的关系,以春小麦耐旱性强品种新春6号和耐旱性弱品种新春22号为材料,在土柱栽培下设置常规灌溉（CK）、开花期轻度干旱和中度干旱3种水分条件,分析了干旱胁迫后复水条件下不同耐旱性小麦品种根系形态特征、渗透调节物质及内源激素和生物量的差异。结果表明,两个品种的根长密度（RLD）、根体积密度（RVD）、根表面积密度（RSAD）、可溶性糖（SS）含量、脯氨酸（Pro）含量、生长素（IAA）含量、赤霉素（GA₃）含量、玉米素（ZT）含量、地上部干物质积累量（SDM）以及产量均在干旱复水后随时间呈先增后降趋势,以轻度干旱后复水条件下表现最佳。两个品种比较,在轻度干旱后复水条件下新春6号的RLD、RVD、RSAD、SS含量、Pro含量、IAA含量、GA₃含量、ZT含量、ABA含量、SDM及产量较新春22号平均高出3.38%、4.30%、4.29%、21.84%、10.81%、5.99%、10.02%、16.05%、3.13%、6.86%和3.47%。经相关分析,两个品种于各处理下的RLD、RVD、RSAD、SS含量、Pro含量与IAA含量、GA₃含量和ZT含量间均呈显著正相关,与ABA含量呈显著负相关。综上所述,较优的根系生长及生理代谢是春小麦具有较高抗旱性的原因;轻度干旱后复水可调节滴灌春小麦根系渗透调节物质和内源激素含量变化,进而优化根系形态,促进干物质向穗部转运及产量形成,可作为新疆滴灌春小麦灌溉模式。     

小麦籽粒清蛋白和球蛋白表达对干旱胁迫的响应

为了解干旱胁迫对小麦籽粒灌浆期蛋白表达的影响,以强筋优质小麦品种藁城8901为材料,采用双向电泳以及质谱鉴定分析了干旱胁迫和正常生长条件下成熟籽粒清蛋白和球蛋白表达谱的差异。结果表明,与正常生长条件相比,干旱胁迫后,小麦籽粒出现130个差异蛋白质点。通过MALDI TOF-TOF质谱鉴定和数据库搜索,最终成功鉴定出57个差异蛋白,其中上调表达29个,下调表达19个,特异表达7个,沉默表达2个;涉及ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、α-淀粉酶抑制剂、过氧化还原酶、β-淀粉酶、二硫键异构酶、丝氨酸蛋白酶抑制剂、超氧化物歧化酶等13种蛋白质,其中代谢类10个,能量类2个,蛋白质加工和储藏6个,病害防御相关17个,转录1个,功能未知和假定蛋白21个。说明干旱胁迫影响小麦籽粒灌浆期的多个代谢途径,进而影响小麦产量和品质。     

新疆春小麦品种耐热性评价

为筛选出丰产性好的耐热性春小麦品种,在花后15d至成熟期以自然生长为对照,分析了塑料棚高温处理下19份新疆主推春小麦品种产量性状的变化,并采用产量指数、千粒重热感指数及容重热感指数相结合的方法对供试材料的耐热性进行评价。结果表明,灌浆期高温胁迫下小麦千粒重降低,进而导致减产。新春6号、新春9号、新春11号、新春17号、新春22号、新春27号、新春31号、新春33号和新春37号在高温及常温条件下的丰产性均较好,其中新春6号及新春37号丰产性突出。千粒重热感指数小于1的品种有10个,分别为新春6号、新春17号、新春22号、新春26号、新春29号、新春32号、新春34号、新春36号、新春40号和新春41号。容重热感指数小于1的品种有10个,分别为新春6号、新春11号、新春17号、新春22号、新春27号、新春32号、新春33号、新春34号、新春39号和新春40号。综合热感指数及产量指数,新春6号、新春17号、新春22号及新春37号的耐热性较好,可作为耐热高产品种在生产中推广应用。新春40号丰产性较好,千粒重及容重热感指数小于1,千粒重高,可作为小麦耐热育种的亲本。新春41号在两种温度条件下千粒重高,可作为耐热性种质资源。     

干旱胁迫下氮肥对玉米叶片衰老影响及与碳氮平衡的关系

以玉米品种兴民18为研究材料,设置高氮和低氮两个氮水平,通过盆栽人工控水的方式进行干旱和复水处理,分析干旱胁迫下氮肥对玉米叶片衰老和叶片碳氮平衡的影响,研究碳氮平衡和叶片衰老及抗旱性的关系。研究结果表明,在干旱胁迫下,高氮处理下增加了玉米对干旱的敏感性,加快了干旱胁迫下玉米叶片的衰老进程;干旱胁迫下碳氮比显著升高,说明碳氮平衡可能参与了干旱诱导的叶片衰老调控。在干旱胁迫及复水条件下,干旱条件下高氮处理的碳氮比相较于低氮处理增加幅度更大,碳氮平衡受干旱破坏程度更严重,说明高氮并不能增加干旱胁迫后下部衰老叶片中的氮浓度,也不能缓解干旱胁迫引起的碳氮失衡。干旱胁迫下高氮导致碳氮失衡加剧,可能是高氮增加了玉米对干旱的敏感性和叶片加速衰老的原因之一。     

灌浆期高温与干旱对小麦籽粒淀粉合成相关酶基因表达的影响

灌浆期高温与干旱是影响小麦籽粒淀粉合成与积累的重要因素。为探讨灌浆期高温、干旱及其复合胁迫对小麦籽粒淀粉合成及积累的影响机理,以郑麦366为试验材料,采用大田盆栽和人工气候室模拟高温相结合的方法,研究了灌浆期高温、干旱及其复合胁迫对小麦籽粒淀粉合成相关酶基因表达特性及淀粉含量的影响。结果表明,灌浆期高温导致小麦籽粒淀粉合成相关酶基因表达高峰期提前,并不同程度抑制淀粉合成相关酶基因的表达;干旱胁迫不同程度提高了 AGPL1、 AGP1-a、 AGP1-b、GBSSI、SSI、SSIIc、SSIIIb、BEI、BEIIb、 ISA2、PHOH基因的表达量,降低其余被测基因表达量;高温和干旱复合胁迫与单因素胁迫对被测指标的影响不尽相同,表明两者对某些指标存在互作效应。高温与干旱均导致成熟期籽粒直链、支链和总淀粉含量下降。淀粉合成相关酶基因表达特性与淀粉积累密切相关。综上所述,高温与干旱改变了淀粉合成相关酶基因的表达,使淀粉积累受抑,导致小麦籽粒淀粉含量和产量下降。     

PEG 6000胁迫对小麦三叶期蛋白表达的影响

为了探索干旱胁迫下小麦蛋白质表达的变化,选取旱地品种烟D27、 陕优225和水地品种新麦18、小偃22、1031为材料,在小麦三叶期,用18%和35%两种浓度的聚乙二醇(PEG6000)模拟干旱胁迫,处理待试小麦24 h后,用TCA丙酮法提取叶片全蛋白,通过SDSPAGE电泳分析小麦在干旱胁迫后的蛋白质带谱,并运用高效液相色谱质谱联用技术鉴定了新麦18的35.0 kD干旱敏感蛋白条带。结果表明,PEG6000胁迫后分子量28.0 kD蛋白在水地品种中消失,在旱地品种中正常表达或诱导表达。此外,干旱胁迫使抗旱品种烟D27诱导产生33.0和23.0 kD干旱应答蛋白条带,导致抗旱性弱的水地品种新麦18的35.0 kD蛋白条带消失。对新麦18的 35.0 kD蛋白条带进行液相色谱分离结合质谱分析后发现其含有17种与基本生命活动有关的蛋白,这些蛋白与小麦对干旱胁迫的适应性代谢调节有关。     

抗旱节水型衡麦系列品种的选育方法及系谱分析

为探讨抗旱节水小麦的定向培育方法,对抗旱节水型衡麦系列品种选育过程进行了总结和分析。多年来河北省农林科学院旱作农业研究所围绕"节水抗旱、抗逆高产、广适稳产、优质早熟"的育种目标,着眼解决地下水资源极度匮乏与农业生产矛盾突出的问题,为培育抗旱节水型广适小麦品种,利用常规育种技术与分子标记检测手段,广泛筛选遗传背景远缘且生态差异较大的优异亲本组配组合,创新采用不同世代水旱交替双向综合选择技术,先后育成16个抗旱节水型小麦品种,提高了选择效率和水资源利用率。在系谱上,衡观35等为代表的衡麦系列品种与蚂蚱麦、碧玉麦和洛夫林10号存在一定的血缘关系,且含有对光周期不敏感的Ppd-Dla等优异基因。这些品种目前已由冀中南冬麦区推广至黄淮冬麦区(南、北片)、北部冬麦区(天津)和长江中下游冬麦区(湖北襄阳)等区域种植,展示出生态广适、节水稳产的特点。