黄瓜、甜瓜和西瓜MLO基因家族的比较基因组学分析

MLO基因是植物特有的一类基因家族,在调控植物抵抗生物和非生物胁迫方面起着重要作用。为了揭示葫芦科作物MLO基因的遗传变异及系统发育关系,本文以黄瓜、甜瓜和西瓜基因组数据为基础,利用生物信息学方法对其MLO基因家族进行鉴定与分析。结果发现,黄瓜、甜瓜和西瓜基因组中共含有42个MLO基因家族成员,每一个物种均含有14个成员,且保守性强;系统发育关系揭示了这些成员在黄瓜、甜瓜和西瓜基因组中并不呈现一一对应关系,表明MLO型基因在这3种植物分化之后分别发生了扩展和丢失;进一步将其与模式植物拟南芥、番茄、豌豆MLO型白粉病基因进行聚类分析:一方面,借助于拟南芥MLO基因的分类标准,揭示了在黄瓜、甜瓜和西瓜基因组中也存在双子叶植物MLO型白粉病基因的特异区组,他们各自至少包含3个候选的白粉病基因,序列比对进一步发现这些基因均具有MLO型白粉病基因的典型结构特征,如7个跨膜结构域、钙调蛋白结合区以及两个缩氨酸区域(I和II);另一方面,大部分区组中包含的MLO基因均来源于拟南芥和黄瓜、甜瓜和西瓜MLO基因家族的成员,表明了MLO基因家族在拟南芥和葫芦科作物分化之前就已经存在。EST表达分析表明MLO基因广泛地参与到黄瓜、甜瓜和西瓜器官的营养生长和生殖生长。研究结果为揭示黄瓜、甜瓜和西瓜MLO基因的进化关系、功能及克隆表达分析奠定了基础。     

谷子MLO家族的全基因组鉴定和表达谱分析

MLO是高等植物特有的一类抗病家族,在响应非生物胁迫中发挥重要作用。为全面解析MLO基因在谷子基因组中的特征,本研究利用生物信息学的方法,从谷子基因组中共鉴定出12个MLO基因,并对其编码蛋白的结构特征、亚细胞定位、系统进化关系、保守氨基酸残基位点进行预测,分析MLO基因在不同组织中的表达特征。结果表明,谷子MLO基因编码的蛋白质均包含有一个MLO结构域和多个跨膜区,且大多定位于细胞膜上,并存在一些保守的氨基酸残基位点和基序;与其他物种MLO成员的聚类结果表明,谷子MLO可分为7个类群(Ⅰ~Ⅶ),其中第Ⅶ类全部由禾本科作物的MLO成员组成,这些可能是禾本科作物单独进化出的一类特有的MLO成员;Si MLO10与单子叶植物中已知的抗白粉病MLO基因聚在第Ⅳ类,是谷子中一个候选的抗白粉病基因,而单子叶和双子叶植物中已知功能的MLO成员分别聚在第Ⅳ、第Ⅴ类群,表明MLO功能的形成可能发生在单、双子叶植物分化之后。大多数MLO基因在谷子的根、茎、叶、穗中均有表达,且不同的基因表达量存在较大差异,说明谷子MLO家族成员可能具有不同的生物学功能。本研究结果为揭示谷子MLO基因的功能及其在谷子抗白粉病育种中的应用奠定了一定的理论基础。     

二穗短柄草GRFs基因家族的鉴定及表达模式分析

GRFs基因家族在植物生长发育及逆境响应中起着重要的调控作用。为了探明二穗短柄草GRFs基因家族的基本特征及其进化关系,本研究利用生物信息学方法在全基因组水平上对二穗短柄草GRFs基因家族成员进行鉴定与分析。结果表明,二穗短柄草GRFs基因家族包括12个家族成员,蛋白质序列长度在238~577个氨基酸之间;序列比对发现二穗短柄草GRFs家族基因包括2个保守的QLQ和WRC结构域及广泛的保守基序;染色体定位发现,12个家族成员在二穗短柄草的5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体分布最多;系统发育关系比较分析表明,这些GRFs基因家族成员存在4对直系同源基因。RT-qPCR分析表明,全部GRFs基因家族成员在二穗短柄草幼嫩组织中表达量较高,而在根系和衰老组织中表达量较低,外源激素特别是GA₃诱导了二穗短柄草大部分GRFs基因家族成员的上调表达,表明GRFs基因家族广泛地参与了二穗短柄草分生组织功能和器官形成的生命进程。本研究结果为二穗短柄草GRFs家族蛋白功能的研究奠定了理论基础。     

番茄GRX基因家族的鉴定及表达分析

GRX基因家族是从原核生物到真核生物中普遍存在的一类巯基-二硫键氧化还原酶,在植物的生长发育、器官构建及逆境胁迫和激素信号应答中均发挥重要作用.本研究在番茄基因组范围内,利用生物信息学方法对番茄的GRX基因组家族的成员、分布及结构和功能等进行分析.预测结果显示,番茄GRX家族包含55个蛋白质,分为4个亚族,其中植物特有的CC亚族成员最多,有35个,其他GRX基因成员与拟南芥GRX家族具有相似分类.在番茄GRX结构域中包含12个重要的基序,主要分布在序列的N端,相同亚族中的GRX成员蛋白序列的氨基酸保守域构成基本一致,且各亚族成员的氨基酸保守域组成特异,表明这些基序的存在对GRX蛋白功能的执行是必需的.利用实时荧光定量PCR对番茄GRX基因的组织表达和胁迫响应分析,结果表明,GRX基因具有组织特异性表达差异,CC型在根和花中表达较高,在果实中表达较低;在盐、SA、ABA、高温和低温胁迫条件下,22个番茄GRX基因的表达模式被阐明;其中部分基因的表达水平被显著地诱导增加或者降低,很可能参与了调控番茄逆境胁迫条件下的防御应答反应.本研究结果将为番茄GRX家族基因的深入研究提供依据,为进一步解析GRX基因功能奠定基础.     

葡萄BBX基因家族的鉴定与表达分析

BBX转录因子家族参与植物幼苗的光形态建成、开花、光周期调控及避荫反应等,在高等植物的生长发育过程中起到重要作用。为了解葡萄中BBX基因家族功能,本研究利用生物信息学方法对葡萄BBX基因家族成员的数量、结构、启动子、氨基酸特性、染色体定位及基因进化进行分析。结果表明,葡萄BBX家族有25个成员,以酸性蛋白为主;亚细胞定位表明,有4个分泌途径信号肽,VvBBX2、VvBBX5、VvBBX7、VvBBX20;有2个叶绿体转运肽,VvBBX23、VvBBX24;有1个线粒体靶向肽VvBBX1。染色体定位分析发现,25个VvBBXs基因主要分布在1、3、4、5、7、9、11、12、14、18、19共11条染色体上;系统发育进化分析发现葡萄BBX家族成员分为5个亚家族;葡萄与拟南芥的同源性分析发现,葡萄BBX蛋白家族有很强的保守性;在葡萄BBX基因启动子序列中含有光相应元件、激素类响应元件、低温响应元件等多种顺式作用元件。葡萄BBX基因家族在不同发育时期不同葡萄组织中的表达谱显示,该基因家族具有一定时空表达特异性;不同光照条件下,葡萄BBX基因的相对表达量有显著变化,这表明葡萄BBX基因家族与光形态建成及光合作用有着密切的关系。本研究结果为葡萄BBX基因家族的进一步功能分析提供了重要研究基础。     

葡萄基因组中KUP蛋白的生物信息学分析

植物钾（K＋）转运体蛋白在K＋的跨膜运输中起重要作用,进而维持植物体正常生长和代谢活动。本研究中,通过隐马尔科夫模型（HMM）和葡萄蛋白质库搜索,共找到18个葡萄钾转运体蛋白（VvKUPs）。利用生物信息学方法,我们对葡萄家族12条KUP蛋白序列的系统发生和KUP基因组定位进行分析,然后对其氨基酸组成成分、理化性质以及二级结构进行预测和分析,同时还分析了葡萄与拟南芥、水稻和杨树的K卯基因家族之间的联系。基因组定位结果发现其分布在至少9条染色体上。二级结构预测结果发现不同成员间氨基酸数目、氨基酸序列间的疏水性存在一定的差异;仅一螺旋和无规则卷曲为主要二级结构组成部分。基因结构分析表明,KUP基因家族成员分别含有7～10个内含子。葡萄KUP蛋白的亚细胞定位分析表明VvKUP主要定位于膜结构上。电子表达图谱分析结果表明：12条K卯基因有对应的EST序列,其中的11条KUP有相应的电子表达谱,并主要在花、果实、花序和花蕾等组织部位表达。     

毛竹NF-Y家族基因的鉴定与表达分析

为阐明毛竹NF-Y家族基因的结构、进化关系和表达情况,本研究利用水稻和拟南芥NF-Y家族的蛋白序列,通过Blast比对分析,鉴定出33个毛竹NF-Y家族基因。基于植物NF-Y亚家族成员的氨基酸序列特征,毛竹33个NF-Y家族成员分为3个亚家族,分别命名为Ph NF-YA、Ph NF-YB和Ph NFYC。构建毛竹、二穗短柄草、粟、水稻和拟南芥NF-Y家族系统发育树,结果表明,毛竹各NF-Y亚家族成员的进化趋势不同,与Ph NF-YA亚家族相比,Ph NF-YB和Ph NF-YC在进化上较为保守,毛竹在NF-YA亚家族上可能出现了扩增,而在NF-YB和NF-YC两个亚家族上可能出现了成员丢失现象。通过Cufflinks等软件对毛竹7个组织材料的转录本深度测序数据分析,发现有些NF-Y家族基因在各器官中普遍表达,如Ph NF-YA7、Ph NF-YA3和Ph NF-YB8在根茎叶中均有表达;有些NF-Y家族基因则在特定器官表达,如Ph NF-YA1、Ph NF-Y2、Ph NF-YA4和Ph NF-YA10在竹笋幼根表达。实时荧光定量RT-PCR分析毛竹NF-Y家族基因在毛竹笋各个组织的表达情况,结果表明,毛竹NF-Y家族基因在不同的节间组织中差异表达。本研究结果为进一步深入探究毛竹NF-Y家族基因功能奠定了理论基础。     

甜瓜EIN3/EILs基因家族全基因组鉴定与进化分析

以拟南芥的EIN3/EILs蛋白保守结构域为探针序列,对甜瓜全基因组的蛋白质数据库进行搜索,搜索后获得4个EIN3/EILs蛋白序列。对甜瓜EIN3/EILs基因家族的系统进化、序列相似性、基因结构进行了分析。通过对所有甜瓜的EIN3/EILs基因的表达谱分析得知该基因家族在各组织中均有表达,其中在果实以及愈伤组织中高丰度特异表达,不同基因之间的表达模式差异明显。     

蓖麻WOX转录因子家族成员的全基因组分析及逆境胁迫响应

WOX是植物中特有的一类转录因子,参与植物发育和应激反应。为探究蓖麻基因组WOX转录因子信息,本研究通过生物信息学方法鉴定出11个蓖麻WOX转录因子家族成员,并对其系统发育、基因结构、保守基序及理化性质等基本信息进行鉴定与分析。结果显示,11个WOX成员被分为三个进化支,在古代进化支、中间进化支和现在进化支分别有2、2和7个成员,同一进化支成员的外显子、基因结构具有相似性,但理化性质差异较大。利用RT-qPCR检测根、茎、叶不同组织中5个蓖麻RcWOXs基因在干旱与盐胁迫下表达情况,结果表明,RcWOXs在不同组织中的表达具有特异性;除RcWOX10受干旱胁迫抑制外,RcWOX2、RcWOX4、RcWOX8和RcWOX9在干旱和盐胁迫下均被诱导表达,表明RcWOX转录因子在蓖麻逆境胁迫中起调控作用。本研究结果为进一步探究蓖麻WOX转录因子家族在逆境胁迫中的功能提供了一定的理论参考。     

几种芸薹属作物APX家族基因的鉴定与序列分析

抗坏血酸过氧化物酶(APX)是植物体叶绿体清除H₂O₂的关键酶。为了探究芸薹属作物中APX家族基因的序列特点和表达模式,本研究利用生物信息学方法,从大白菜、甘蓝和欧洲油菜中分别鉴定出10、9和22条APX 家族基因,对这41个成员序列特点、染色体分布、CDS保守域、蛋白保守结构域、蛋白三级结构和系统进化关系等进行预测分析,并通过基因表达数据库分析这些基因在高温、干旱和生物胁迫等逆境条件下的表达模式。结果表明,APX在进化树上可分为8个亚族,分散在不同的染色体上;这些APX基因拥有相对稳定的CDS保守结构域、蛋白保守结构域和三级结构,都具有过氧化物酶功能域,在peroxidase功能域的后端均含有一个螺旋结构状的保守域Motif6。APX基因的Ka/Ks值均小于1,表明APX家族基因整体上正在经历纯化选择。大部分APX1和APX2基因在受到高温胁迫时表达上调,其中BrAPX2a在大白菜的胚和胚乳中强烈响应高温胁迫,但在大白菜其他部位表达微弱,存在一定的表达组织特异性。APX3、APX4等基因对干旱和高温胁迫响应不明显;甘蓝3个APX1基因在白粉虱为害胁迫时表达上调。本研究结果为芸薹属作物APX家族成员的克隆、表达与功能研究提供了一定参考。     

谷子硫解酶基因家族鉴定及表达模式分析

硫解酶(thiolase)是脂肪酸代谢的关键酶,在植物次生代谢合成、生长发育以及抵抗非生物胁迫中均发挥重要作用.为探究谷子硫解酶基因家族的基本特征,本研究利用生物信息学方法,对谷子硫解酶基因家族成员进行了鉴定,对蛋白理化性质及系统进化、基因结构、染色体位置、启动子、基因进化进行了分析;采用转录组测序进行了根、茎、叶、穗...     

小麦新品系2-26中抗白粉病基因的遗传分析和RAPD标记

由小麦白粉病菌引起的白粉病是世界上很多小麦种植区的主要病害之一。本研究对稳定抗白粉病品系2-26中的抗病基因采用常规遗传方法进行了分析。结果表明,2-26中存在一对显性抗白粉病基因,暂命名为Pm2-26。运用RAPD方法对白粉病抗感亲本和抗感池进行DNA多态性分析,获得2个紧密连锁的RAPD标记（SBSC2和SBSI2...     

Genetic studies on the powdery mildew resistance of winter barley lines derived from Hordeum spontaneum accessions collected in Israel

The genetics of the powdery mildew resistance of 15 Hordeum spontaneum-derived winter barley lines were studied in testcrosses with selected cultivars carrying the MIa12 and MIa13 resistance alleles, in order to identify the inheritance of the resistance and to test for linkage with the MIa locus on chromosome 1H (5). A total of 27 genes were identified. Only one of these genes (in line 1–12 x Dura) could eventually be allelic to a gene previously identified in H. spontaneum Koch. A monofactorial dominant inheritance was identified in the majority of the lines. Three of the tested lines possessed recessively inherited genes and in one line a dominant and a recessive gene were identified. In respect to the reaction of the lines against European mildew cultures, lines with a bifactorially inherited resistance had a broader resistance spectrum than those with a monofactorial inheritance, while lines carrying recessive factors showed a moderately expressed resistance. In three cases a linkage with the MIa locus was found, while in two further lines a possible allelism to this locus was indicated by the absence of recombinant progeny plants. By using more than two isolates for linkage analysis, it was possible to identify additional genes for mildew resistance, reaching a maximum number of four genes in the same line. In some cases, a different inheritance was observed for the resistance of the same line against different isolates. It was assumed that different genes exist, each being effective against a different isolate.     

Resistance to powdery mildew in populations of barley landraces from Morocco

Forty-eight populations of barley landraces collected from Morocco were screened for resistance to powdery mildew and a number of different resistance genes were detected. Landraces originated from the collection of the International Center for Agricultural Research in the Dry Areas – ICARDA, Aleppo, Syria. Twenty populations of tested landraces (about 42%) showed resistance reactions and 46 single plant lines were selected. Fourteen of these lines were tested in the seedling stage with 17 and another 32 lines with 23 differential isolates of powdery mildew, respectively. The isolates were chosen according to their virulence spectra observed on the Pallas isolines differential set. Five lines originating from five populations of landraces showed resistance to all prevalent in Europe powdery mildew virulence genes. Thirty-five lines (76%) showed resistance reaction type 2. The distribution of reaction type scores indicated that about 81% of all reaction types observed were classified as powdery mildew resistance (scores 0, 1 and 2). In forty-one lines (89%) the presence of unknown genes alone or in combination with a specific one was detected. Four different resistance alleles (Mlat, Mla6, Mla14 and Mla22) were postulated to be present in the tested lines alone or in combination. Among specific resistance alleles the most common was allele Mlat (resistance Atlas). This allele was postulated to be present in twenty-three (50%) tested lines. The use of new identified sources of resistance to powdery mildew in barley breeding is discussed.     

Identification of new sources for resistance to powdery mildew in H. spontaneum-derived winter barley lines

Twenty four barley lines derived from the F ₇generation of crosses between two winter barley cultivars and different accessions of Hordeum spontaneum Koch collected in Israel were tested against a set of ten European and five Israeli powdery mildew cultures, possessing virulence genes which completely match the spectrum of known mildew resistance genes. The comparison of reaction patterns justified the conclusion that new genes for resistance have been conferred from H. spontaneum which also differ from genes previously identified in other wild barley accessions from Israel. Participation in the expression of the resistance reaction of one of the two barley cultivars used in the development of the lines is well documented in some cases. The majority of the lines was found to be highly resistant against all or almost all European isolates, while various kinds of reactions were observed against the Israeli cultures. The effective transfer of novel mildew resistance from H. spontaneum into winter barley confirms similar results with spring barley, indicating natural wild barley populations in Israel as a significant gene pool for yet unexploited mildew resistance in barley.     

建国以来黑龙江省春小麦抗白粉病基因检测及其组成分析

为了解黑龙江省春小麦抗白粉病基因的组成及分布规律,本研究利用已开发的Pm2、Pm3b、Pm4、Pm8、Pm13和Pm21抗白粉病基因分子标记对黑龙江省推广的123份小麦品种进行了检测和分析。结果表明,在123份小麦品种中分布4种抗白粉病基因,其中Pm2、Pm3和Pm13分布频率较高,分别为95.1%、95.1%和94.3%,Pm8分布频率较低,仅为0.01%,且不存在抗白粉病基因Pm4和Pm21;黑龙江省春小麦抗白粉病基因组合共有7种类型,其中Pm2/Pm3b/Pm13类型所占比例最高,为88.6%,其次为Pm2/Pm3b、Pm2/Pm13和Pm3b/Pm13,所占比例分别为3.3%、2.4%和2.4%,Pm2和Pm2/Pm3b/Pm8/Pm13所占比例最低,为0.8%。本试验结果明确了建国后黑龙江省春小麦品种抗白粉病基因的组成和分布频率,为高效开展小麦抗白粉病育种提供了一定的理论依据。     

基于因子分析-BP神经网络的小麦叶片白粉病反演模型

明确白粉病胁迫下小麦叶片受害程度并构建误差小、精度高的反演模型,是实现小麦白粉病遥感监测和精确防控的基础。基于大田小区小麦白粉病人工接种试验,采用高光谱仪测试不同白粉病危害程度下冬小麦叶片光谱反射率,利用常规光谱特征参数、比值指数和归一化指数及因子分析(factor analysis,FA)与BP神经网络(back propagation neural network,BPNN)相结合的方法对小麦叶片白粉病严重度进行模型模拟并对模型拟合精度与适用性比较。结果表明:对小麦白粉病反应敏感的光谱波段为415、485~495、620~640 nm。常规光谱参数中表现较好的光谱植被指数和两波段比值及归一化植被指数的决定系数范围为0.6~0.8,均方根误差范围为8.5~11.5,其中,RI(670,855)、NDVI(680,880)、RGRcn和PSRI对白粉病反演精度及误差控制表现得相对较好。经过FA提取敏感波段的公共因子,进而利用BPNN算法进行模拟,较常规光谱参数有效提高了病情严重度的估算精度,各个测定时期模拟检验决定系数大于0.80,模型的检验均方根误差小于8.09,整个灌浆期反演模型检验的均方根误差和相对误差分别为7.84和7.56%,反演模型对小麦白粉病的整个病症期均具有很好的适用性。由此可得,基于FA-BPNN法所建立的反演模型精度高、误差小,对小麦白粉病病害时期兼容性好,研究结果对植物病害精确防控具有重要意义。     

含抗白粉病新基因普通小麦-黑麦1R二体异附加系的遗传学鉴定

黑麦（Secale cereale）含有丰富的优良基因,在小麦遗传改良中具有重要利用价值。为了鉴定普通小麦（Triticum aestivum）与奥地利黑麦杂交后代选育的抗白粉病品系N9436-1的黑麦遗传物质,对其进行了细胞学、基因组原位杂交、Giemsa-C分带、SCAR（sequence characterized amplified region）标记以及酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)分析。结果表明,N9436-1形态学和细胞学稳定,2n=44=22Ⅱ,对白粉病免疫,携带奥地利黑麦的多小穗性状。以奥地利黑麦总基因组DNA为探针的原位杂交结果及Giemsa C-分带显示,N9436-1含有2条奥地利黑麦的1R染色体, SCAR标记鉴定及A-PAGE分析进一步证实N9436-1携带有黑麦遗传物质,表明N9436-1携带的抗白粉病基因不同于Pm8和Pm17,是新的抗白粉病基因,可作为白粉病抗源用于小麦抗病育种。     

Reaction to powdery mildew and stripe rust in related species and landraces of wheat

Field and controlled environmental tests indicated that the 49 accessions of closely related species and 12 landraces of wheat (Triticum aestivum L. em. Thell.) from the National Gene Bank of China showed different reactions to powdery mildew (Blumeria graminis (DC.) E. O. Speer. f. sp. tritici) and stripe rust (Puccinia striiformis Westend f. sp. tritici) at adult and seedling stages. Unknown Pm genes or alleles were postulated with Triticum baeoticum Boiss. accessions BO 3 and Triticum monococcum L. MO 4 and MO 5 when inoculated with 21 powdery mildew isolates at seedling stage. Fourteen accessions of T. baeoticum, T. monococcum, Triticum durum, and wheat landraces were inoculated with 30 stripe rust isolates at seedling stage. Unknown Yr genes or alleles were postulated with T. baeoticum Boiss. accession BO 5, as well as wheat landraces Xiaobaimai, Laomangmai, and Shaanxibai. Heterogeniety in reaction to powdery mildew isolates and stripe rust races were observed in related species and landraces of wheat.