套作大豆苗期茎秆木质素合成与抗倒性的关系

为从茎秆强度的角度探索套作大豆苗期耐阴抗倒机制,对套作大豆苗期茎秆木质素合成与抗倒性的关系进行了研究。采用耐阴性不同的3个大豆品种(系),在大豆-玉米套作和大豆单作两种种植模式下,测定茎秆的木质素含量及其合成过程中的苯丙氨酸转氨酶(PAL)、4-香豆酸:Co A连接酶(4CL)、肉桂醇脱氢酶(CAD)、过氧化物酶(POD)等关键酶活性以及茎秆抗折力和抗倒伏指数。结果表明,套作大豆苗期倒伏严重,茎秆抗折力、抗倒伏指数、木质素含量和相关酶活性均显著低于单作。不同大豆品种受套作荫蔽影响程度不同,强耐阴性大豆南豆12茎秆抗折力降低幅度最小,在套作环境下其茎秆抗折力、抗倒伏指数大,茎秆木质素含量高,PAL、4CL、CAD、POD活性强。相关分析表明,套作大豆苗期茎秆木质素含量与抗折力极显著正相关(r=0.890,P0.01),与倒伏率极显著负相关(r=–0.889,P0.01),与4CL、CAD酶活性显著正相关。套作环境下,强耐阴性大豆苗期茎秆中较高的4CL、CAD活性是其维持高木质素含量的酶学基础,而高木质素含量有利于提高茎秆强度,进而增强其抗倒伏能力。     

大豆主茎木质素积累规律分析

为明确大豆节间木质素积累规律,深入理解木质素积累与大豆植株抗倒伏间的关系,进而为调控大豆植株表型和抗倒伏大豆新品种选育提供参考依据,选取具有代表性的有限生长习性品种Charleston,按照20,35株/m² 的2种密度种植桶栽大豆,在2种不同密度下测定主茎的木质素含量,分析Charleston主茎第3节间的细胞伸长区（EZ）和次生细胞壁成熟区（MZ）木质素含量、在木质素合成过程中的4-香豆酸：辅酶A连接酶（4CL）、苯丙氨酸转氨酶（PAL）、肉桂酸脱氢酶（CAD）等关键酶活性以及对应基因的表达量。手工切片及分光光度计测定的结果表明,大豆主茎木质素含量由形态学上端向下端逐渐增加。低密度处理主茎中的木质素含量高于高密度。无论是高密度还是低密度处理,单一节间（茎3）木质素含量均为MZ>EZ;低密度处理茎中4CL、PAL、CAD的活性高于高密度处理。2个密度处理下茎中4CL、PAL、CAD活性变化规律较为一致,与基因表达结果相符合。大豆植株主茎中木质素含量受到木质素合成途径中的多种酶调控。木质素合成的关键酶基因多以基因家族形式存在,同一基因家族中的酶基因在同一物种...     

杨树糖基转移酶GT14基因家族分析及响应盐胁迫基因的筛选

木材的形成基于维管形成层细胞的分裂分化,其中次生壁加厚是关键步骤。研究表明,植物在盐胁迫下细胞壁的组分与结构将发生变化,其中细胞壁表面的多糖阿拉伯半乳聚糖(arabinogalactan protein,AGP)起重要作用。AGP糖链是由糖基转移酶(glycosyltransferase, GT)催化合成,在细胞壁的生物合成中起关键作用,而且其表达量变化直接影响木质部的发育。本研究通过对杨树GT14 (Glycosyltransferase family14)家族进化关系与基因结构分析发现该家族基因在进化上具有较强的保守性。同时,3个杨树GT14基因在盐胁迫下表达量上调,且其中2个基因在体外表现出GlcAT活性。启动子元件分析发现这3个基因均包含多个非生物胁迫响应元件。本研究分析了杨树GT14基因功能,并为提高木本植物非生物耐逆作用提供线索。     

山药品种苏蓣8号抗炭疽病基因的转录组测序与表达分析

为深入研究炭疽病抗病机制提供候选基因，从分子水平探索炭疽菌侵染对山药炭疽病基因转录水平的影响。苏蓣8号是高感炭疽病品系024经组培诱变所育成的高抗炭疽病山药新品种，为挖掘苏蓣8号炭疽病抗性基因，采用胶孢炭疽菌菌株4-2分别接种苏蓣8号和品系024,以未接种苏蓣8号的叶片为对照，利用转录组测序技术分析抗感材料在接种炭疽菌后不同时间点的差异表达基因。结果表明，抗感材料接种24,48,72,96 h共同差异表达基因个数分别为197,132,187,313个，去除各接种时间点共同差异表达的基因数，共获得711个差异表达基因。GO功能富集显示，差异基因主要与响应生物刺激、防卫反应、细胞壁代谢和氧化还原过程等有关。KEGG富集分析表明，生长素、茉莉酸和乙烯等防御相关的植物激素信号转导途径多个基因表达出现差异，其中5个生长素早期响应基因、茉莉酸和脱落酸合成关键酶基因均上调表达，乙烯响应因子ERF036下调表达，可能负向调控山药炭疽菌的侵染；参与次生代谢产物修饰的多个细胞色素P450基因、泛素连接酶及植物甾醇合成酶、防御素和凝集素基因上调表达；WRKY类、MYB类和TIFY类转录因子正向或负向调控抗病...     

干旱胁迫对不同生态条件下蒙古扁桃叶片PAL和C_4H活性的影响

植物细胞壁在遭遇逆境后会出现增厚现象,以抵御不良环境,有研究认为这是由于细胞壁内的木质素沉积形成的.目前认为木质素的合成途径不只一条,但苯丙氨酸解氨酶(PAL)和肉桂酸4-羟基化酶(C_4H)等酶在合成中起到了十分重要的作用.因此,本试验以野生蒙古扁桃为试验材料,研究干旱胁迫对其在不同生态环境条件下体内PAL和C_4H酶活性影响的变化.结果表明:在遭受干旱胁迫时,蒙古扁桃叶内PAL和C_4H活性随干旱胁迫程度的增加而逐渐增强,且干旱地区的蒙古扁桃叶内PAL和C_4H活性要强于相对不干旱地区.PAL和C_4H活性与植物的抗旱性呈正相关关系.     

大豆响应荫蔽胁迫的形态及生理机制研究

在传统间套作基础上发展而来的"玉米-大豆带状复合种植"模式,能显著提高土地产出率,在不降低玉米的产出基础上净增加大豆产量,在中国西南地区得到了快速发展。但是,在该模式下,高位作物玉米对低位作物大豆形成荫蔽胁迫,限制了该模式的进一步推广。荫蔽胁迫下,红光/远红光比值(R:FR)下降,大豆的光能截获量显著减少,植株表现出下胚轴纤细、叶面积减小、叶柄细长、叶片变薄、易倒伏等典型的荫蔽胁迫表型,极大地限制了间套作大豆的产量和品质提升。因此,在生理和分子水平上研究大豆对荫蔽胁迫的响应机理,培育耐荫大豆品种,对指导间套作大豆生产具有理论和现实意义。本综述研究了农业生产中的荫蔽胁迫,荫蔽对间套作大豆农艺性状、光合作用及倒伏的影响,同时阐述了大豆响应荫蔽胁迫的生理及分子机制;并在此基础上,探讨了本领域未来的主要研究方向。     

氮素胁迫对水稻根系影响的转录组分析

养分胁迫会直接影响水稻的生长发育,相对于地上部分,根系往往较早感知环境胁迫。为了研究水稻根系对养分胁迫响应的分子机制,通过Illumina Hiseq2000平台测序,对氮素胁迫下水稻根系转录基因表达情况进行分析。结果表明,氮素胁迫诱导根系出现了2 270个差异转录基因,其中上调表达的有1 176个,下调表达的有1 094个。采用GO功能分类和Pathway功能注释,可将注释的基因划分为48个功能类别118条代谢途径,包括糖酵解、脂肪酸代谢、氧化磷酸化、氨基酸代谢、淀粉蔗糖代谢等生物学过程。部分根系关键基因表达变化表明,氮素胁迫诱导大量新生蛋白质合成,形成各种酶类,促进新RNA合成,从而形成了更多的新生蛋白质。氮素胁迫诱导根系IAA积累更多来自极性运输,参与植物细胞伸长发育的EGase基因及木质素特异合成途径的关键酶(CCR)表达量发生上调,这些转录基因表达量的变化是根系受养分胁迫刺激而发生了伸长生长的内在机制。     

利用WGCNA鉴定花生主茎生长基因共表达模块

以不同主茎高花生品种为材料,利用转录组测序技术分析茎秆转录组基因表达的异同,并结合加权基因共表达网络分析(WGCNA),深入挖掘与主茎生长相关基因,深入认识花生茎秆形态建成的分子机制。结果表明,矮秆型Df216与高秆型花育33号相比较共有5872个差异基因; Df216与中间型山花108相比较共有6662个差异基因,这些差异基因涉及细胞壁和次生细胞壁的生物起源及调控过程、苯丙烷生物合成及代谢过程、木质素生物合成过程、纤维素合酶活性等分子功能。WGCNA鉴定到5个与主茎高呈极显著相关的共表达模块。编码咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶、转录因子ATAF2、WAT1、GDSL脂肪酶等基因是模块内的核心基因。通过筛选权重值构建核心基因的局部网络发现, Grey60模块的核心基因ADRL3L与编码莽草酸香豆酯/奎酸酯3’-羟化酶、4-香豆酸辅酶A连接酶、羟基肉桂酰辅酶A莽草酸/奎尼酸羟基肉桂酰转移酶、以及快速碱化因子、锌指蛋白、类COBRA蛋白等基因有较高互作网络关系; Brown模块核心基因TZB0A2则与编码b-1,4-半乳糖基转移酶、果胶乙酰酯酶、类受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、富含亮氨酸重复序列的伸展蛋白等基因有较高互作网络关系。相关模块与核心基因的挖掘以及基因生物学功能和互作网络的解析有助于揭示花生主茎生长的遗传基础。     

大豆转录因子GmMYB52的克隆、表达及结合功能分析

MYB类转录因子在植物的生长发育和逆境响应中有重要的调控作用。依据课题组前期获得的盐胁迫相关的数字表达谱(DGEP)数据,获得盐胁迫响应显著上调基因GmMYB52,利用RT-PCR方法从栽培大豆(Williams 82)中克隆该基因片段,并与已公布的Williams 82基因组数据库序列比对,该基因与GmMYB52序列一致。生物信息学分析表明,GmMYB52编码区(CDS)全长1083 bp,编码360个氨基酸。其编码的氨基酸序列具有MYB类转录因子的共同特征,其距N端110~160氨基酸残基处有MYB结构域;系统进化树分析表明,该基因编码的蛋白与GmMYB62、拟南芥AtMYBSt1、苜蓿Mt MYB52、水稻Os MYBS3及木豆Cc MYB-like protein J的亲缘关系最近;实时荧光定量PCR结果表明,大豆根部GmMYB52的转录水平受外界非生物逆境的调控,用脱落酸(ABA)和低温(4℃)处理后12 h明显上调,用氯化钠和PEG处理0.5~24.0 h后检测到GmMYB52的转录水平在50%~600%区间内呈现出先上调后下调再上调的趋势。GmMYB52为组成型表达,在大豆的幼苗期和开花期表达较多,在成熟期表达相对较低。GmMYB52在茎叶与开花期的花中表达较强,在根的表达较弱,而在成熟期的豆荚中几乎不表达。亚细胞定位的结果表明,GmMYB52定位于细胞核,符合典型转录因子的定位特征。酵母杂交系统检测表明,GmMYB52具有转录激活特征,并且能够与MYB相关顺式作用元件基序相结合。本研究结果表明,GmMYB52编码典型的MYB转录因子,具有转录激活活性及DNA结合活性,在大豆中的表达可能与大豆的非生物胁迫和ABA信号转导途径有关,推测其可能参与了大豆对非生物胁迫的响应。     

化控剂对东北春玉米茎秆理化特性及抗倒伏的影响

通过探讨春玉米茎秆纤维素、半纤维素和木质素含量及木质素合成相关酶活性对不同化控剂的响应, 明确化控剂调控茎秆抗倒伏能力的力学机制, 可为生产上化控剂的合理运用提供理论依据。2015年和2016年在东北农业大学向阳实验实习基地进行大田定位试验, 以玉米品种东农253为材料, 分别于六叶期喷施吨田宝(代号DTB)及DCPTA [2-(3,4-二氯苯氧基)三乙胺]和ETH (2-氯乙基膦酸)复配剂(代号KP), 对照为清水, 完全随机区组排列。分析玉米不同生育时期茎秆抗折力、抗倒伏指数、木质素、纤维素和半纤维素含量及木质素合成关键酶的活性变化对不同化控剂处理的响应。喷施化控剂可显著提高茎秆4-香豆酸: CoA连接酶(4CL)和肉桂醇脱氢酶(CAD)活性, 以及纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量、茎秆抗折力和抗倒伏指数, 显著降低实际倒伏率。相关分析表明, 茎秆抗倒伏指数与木质素含量、半纤维素含量呈极显著正相关(相关系数分别是0.67和0.64); 茎秆抗折力与纤维素含量呈极显著正相关(相关系数为0.89); 木质素含量与CAD活性呈极显著正相关(相关系数为0.89), 与4CL活性呈显著正相关(相关系数为0.51), 而与苯丙氨酸转氨酶(PAL)和酪氨酸解氨酶(TAL)活性均没有显著相关性。六叶期喷施化控剂通过提高茎秆木质素合成相关酶的活性(特别是CAD和4CL的活性), 改善茎秆纤维品质性状, 显著增强了春玉米茎秆的抗倒伏能力。     

假禾谷镰孢侵染小麦后3种植物激素相关基因的差异表达分析

假禾谷镰孢(Fusarium pseudograminearum)是我国近年新发现的小麦病原真菌,本研究目的是揭示植物激素信号传导途径中相关基因表达对假禾谷镰孢侵染的响应。利用假禾谷镰孢野生菌株WZ2-8A侵染小麦品种周麦24,对接种后5 d和15 d样品进行转录组测序,分析差异表达基因,并对候选基因进行q RT-PCR验证。假禾谷镰孢侵染后,小麦幼苗生长受到明显抑制,根长、株高、根重和地上部分鲜重均显著降低。转录组分析结果表明,植物激素信号传导途径中有29个基因差异表达,涉及到生长素、细胞分裂素和脱落酸3种植物激素。在接种后5 d有11个差异表达基因,其中2个上调,9个下调;在接种后15 d共有25个差异表达基因,其中8个上调,17个下调。在生长素信号传导途径中,生长素输入载体AUX1差异表达,影响生长素的极性运输,从而影响小麦根部的细胞伸长。在细胞分裂素信号传导途径中,起正调控作用的B-ARR上调表达,推测其促进细胞分裂素的信号传导,从而抑制细胞分裂,与生长素协同作用,造成小麦的长势减弱。在脱落酸途径中,脱落酸受体PYR/PYL下调表达;起到负调控作用的PP2C相关基因均上调表达。脱落酸使植物对真菌和细菌的抗性起到负调控作用,其信号传导途径与茉莉酸/乙烯途径相互拮抗,脱落酸信号传导途径的阻遏可能会使茉莉酸/乙烯途径信号通路打开。q RT-PCR结果基本能够和转录组测序结果相拟合,说明在假禾谷镰孢侵染胁迫下,脱落酸的信号传导被抑制可能是中抗品种周麦24对假禾谷镰孢产生一定的抗性的生理基础。     

Genetic and genomic approaches for improving biofuel production from maize

Grasses, which are currently at the basis of cattle feeding, will, in the near future, be a major source of cell wall carbohydrates for sustainable biofuel production. The association of lignins with other matrix components, together with linkages between cell wall carbohydrates, greatly influences cell wall properties, including the degradability of structural polysaccharides by micro-organisms in animal rumen or industrial fermenters. The improvement in biofuel production from plants is based on the understanding of the cell wall composition and assembly, and on the discovery of genetic and genomic mechanisms involved in each component biosynthesis and their depositions in each lignified tissue. While nearly 40 QTL have been shown for lignin content, only seven locations appeared of greater importance in investigated genetic resources. Expression studies highlighted that several genes in the lignin pathway are less expressed in lines with higher cell wall degradability. However, only a few lignin pathway genes mapped in QTL positions, and the fully relevant candidates might be genes involved in regulation of lignin pathway genes, or in regulation of lignified tissue assembly.     

大丽轮枝菌侵染陆地棉早期的转录组分析

【目的】旨在深入挖掘大丽轮枝菌致病相关基因。【方法】运用转录组测序技术比较分析了强致病力大丽轮枝菌Vd991在侵染陆地棉品种Coker 312早期阶段的基因表达情况。【结果】对Vd991侵染前后的转录组数据进行差异表达分析,共筛选到979个差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs),其中376个上调,603个下调。通过基因注释和功能分类发现,这些DEGs涉及细胞增殖与生长、产孢、碳水化合物结合、蛋白激酶活性调节、裂解酶活性、水解酶活性等功能。对上调DEGs进行基因本体(Gene ontology,GO)功能富集分析,发现共有277个GO词条达到显著富集水平(P0.05),涉及生长速率正向调控、核苷酸合成、解旋酶活性等功能;京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路分析表明,上调DEGs参与53个代谢通路,包括嘧啶代谢、嘌呤代谢等。【结论】在早期侵染过程中,大丽轮枝菌细胞增殖相关基因表现活跃。上述分析为进一步揭示大丽轮枝菌的致病机理提供了有价值的参考。     

大豆叶片响应CO2浓度升高、干旱及其交互作用的转录组分析

气候变暖及大气CO₂浓度升高成为全球共识,由此增加极端天气气候事件(干旱)发生的频率和强度并对大豆生产带来不确定性。本研究通过大豆表型和叶片转录组测序(RNA-seq)分析,阐释CO₂浓度升高、干旱及其交互条件对大豆基因表达影响,明确CO₂浓度升高影响大豆耐旱性的调控途径,并在两个不同遗传背景品种中验证,从分子水平为未来气候变化背景下大豆抗旱育种提供理论参考。表型结果表明, CO₂浓度升高促进了大豆的生长并缓解干旱胁迫的负面效应。叶片转录组测序分析共筛选到89个CO₂响应基因, KEGG分类显示这些基因主要参与抗氧化物质(萜类、黄酮类等)代谢,同时特异性差异表达基因功能主要集中在细胞组分和生长发育方面。干旱条件下筛选的1006个差异表达(16倍)基因主要参与各类氨基酸(脯氨酸、色氨酸等)代谢途径,绝大多数蛋白质合成与转运相关基因上调,表明干旱胁迫下大豆叶片内物质合成交换过程加强。交互条件下筛选出的8566个差异表达基因主要参与碳水化合物代谢,光合作用-天线蛋白途径的相关基因几乎...     

棉花纤维次生壁加厚期基因的表达谱分析

本研究以高纤维强度材料0-153和转基因抗虫棉sGK9708为亲本构建的高代重组自交系群体(F608)中纤维强度具有显著差异的两个系(高强材料69307和低强材料69362)作为材料,利用cDNA芯片技术,对纤维次生壁加厚阶段(15 DPA和20 DPA)的基因表达谱进行研究.共检测到差异表达基因3 383个,占cDN...     

小麦杂交种与亲本之间穗下节间基因差异表达分析

以株高和穗下节间长度表现杂种优势的小麦杂交组合矮9×冀矮8号的杂种及其亲本为材料, 应用cDNA-AFLP技术分析杂种、亲本的穗下节间基因差异表达情况。分离差异表达基因段后, 对其克隆、测序并在GenBank进行Blast-x分析和功能推测, 发现差异表达的基因包括分别受赤霉素和细胞分裂素诱导表达、与细胞分裂有关的基因cdc2和PAS1基因, 它们在小麦杂种节间中分别特异表达和偏高亲表达。另有一个与细胞快速膨大有关的液泡质子泵H⁺-PPase基因在杂种中偏高亲表达。其他差异表达的基因包括蛋白激酶等与植物信号传递相关基因、与物质代谢相关的基因、参与基因转录调控的基因、与泛素参与的蛋白降解相关的基因等。小麦杂交种与亲本的穗下节间, 大量基因涉及细胞分裂、膨大和物质代谢、转录调控等过程, 初步推测它们的差异表达可能与穗下节间及株高杂种优势形成有关。     

不同施氮水平下甘蓝型油菜发育种子中基因表达谱差异分析

氮肥是油菜生长发育需要的重要营养元素之一, 增施氮肥可提高油菜籽产量和蛋白含量, 但降低种子含油量。筛选氮肥不敏感油菜基因型、发掘氮肥响应基因及调控网络研究尚不多见。本研究以油菜中双11和德国品种Parter为材料, 设置4个氮水平(施用尿素0、90、180和270 kg/hm^–2), 随机区组试验, 利用Agilent油菜基因芯片在全基因组水平分析施氮(180 kg/hm^–2)和未施氮(对照)处理授粉25 d种子的基因表达谱。结果显示, 随着施氮量的增加, 种子含油量降低, 而蛋白含量增加, 且在2个品种中的变化程度不同, Parter含油量的下降水平比中双11显著。处理与对照相比, 中双11和Parter分别有827个和3 676个差异表达基因, 明显存在基因型的差异; 2个品种中共同的差异表达基因有278个, 其中上调表达的151个, 下调表达的80个, 差异表达在10倍以上的基因有4个。根据基因功能注释, 2个品种中的差异表达基因分子功能主要为催化、结合和转录调节活性, 参与细胞、代谢和应激等生物过程, 约50%的差异基因未得到功能注释。选择8个差异表达基因进行实时荧光定量PCR分析, 结果显示2种方法的检测结果吻合率为94%, 表明检测结果具有一定的生物重复性。本结果为进一步筛选油菜氮肥敏感基因型、开展氮应答机制研究提供了有用信息。     

大麦条纹叶片突变体的表型鉴定及转录组分析

叶色是与作物的光合速率及产量紧密相关的重要性状,利用叶色突变体研究叶绿体的发育过程及调控网络,有助于揭示叶色形成的机制。本研究在农杆菌介导的大麦幼胚遗传转化过程中,获得一个具有条纹叶片的突变体(msal),该突变株具有条纹白化的叶片、茎秆,叶鞘、幼穗及幼种,其叶绿素和类胡萝卜素含量均下降。叶绿体超微结构观察显示条纹叶片突变体细胞的叶绿体数量变少,呈狭长型,结构不完整。转录组分析表明在突变体中有1004个差异基因,其中388个表达量下调,609个表达量上调。GO富集分析显示细胞组份"叶绿体"的富集频率最高,为23.0%,P值为5.74e^-07,表明"叶绿体"在转录水平上发生了改变。62个与叶绿体发育相关的差异基因在突变体中表达量均为上调,而与类胡萝卜素合成相关的差异基因表达量下调。我们推测该突变体抑制了类胡萝卜素的合成,影响了叶绿体发育,而作为补偿机制激活了叶绿体相关发育基因的表达。