基于蛋白质组学的高丹草苗期杂种优势分析

高丹草是代表性的利用杂种优势的饲用牧草, 本研究以杂种高丹草及其亲本三叶期叶片为试材, 采用双向电泳、质谱技术及生物信息学分析方法, 进行了蛋白质组学研究。凝胶上检测到的可重复蛋白点400多个, 其中杂种与亲本间达到了显著水平的差异蛋白点34个, 包括显性( 单亲沉默3个, 偏高亲表达17个, 偏低亲表达5个)和超显性表达( 特异表达1个, 超高亲表达6个, 超低亲表达2个)模式, 因此推测显性和超显性效应共同促进高丹草杂种优势的形成, 且显性效应作用更大。同时, 成功鉴定出其中的27个蛋白点涉及到8个功能类别, 即：光合作用、碳水化合物代谢、胁迫响应、ATP合成、蛋白质合成、电子转移、信号转导及未知蛋白。高丹草所占比例最大的光合蛋白多数呈上调表达, 表明杂种叶片光合作用增强进而同化更多的有机物是杂种优势形成的主要原因。网络互作的关键节点蛋白为杂种优势特异蛋白的基因操作提供了靶蛋白。本研究在蛋白质水平为高丹草杂种优势分析提供了理论依据, 也为其他饲草作物的相关研究提供了理论参考。     

玉米雌穗发育杂种优势相关miRNA的研究

杂种优势已广泛应用于玉米育种, 在提高玉米产量、品质以及增强抗逆性等方面起到了重要的作用, 然而杂种优势的分子机制尚不清楚。植物miRNA主要在转录和转录后水平调节基因的表达。为阐明miRNA是否及如何对玉米雌穗发育杂种优势产生影响, 本研究对玉米杂交种郑单958及其亲本自交系(昌7-2和郑58)进行了高通量miRNA测序和降解组测序。取玉米雌穗花序分生组织(IM)发育为成对小穗分生组织(SPM), 进而产生小穗分生组织(SM), 及小花分生组织(FM)将3个不同时期的雌穗样品用于miRNA建库测序, 鉴定出16个miRNA家族中的81个保守miRNA为非加性表达, 认为是与雌穗发育杂种优势形成相关的miRNA; 3个阶段中分别检测到80.30%、56.06%和48.10%的非加性表达的miRNA被显性或超显性抑制。鉴定出8种新的miRNA, 属于7个miRNA家族。通过雌穗降解组测序, 发现在郑单958及其亲本自交系中共同检测到的miRNA靶向42个基因的82个转录本。根据测序结果构建了miRNA参与玉米雌穗杂种优势的模型, 并推测在雌穗发育早期阶段杂交种雌穗的miRNA的普遍抑制导致其靶基因上调表达, 随着发育进程miRNA逐步解除抑制, 带来其靶基因表达量的逐步减少, 这种miRNA与其靶基因的拮抗关系也许与玉米雌穗发育杂种优势形成有关。     

散穗高粱与白壳苏丹草杂交F1及其染色体加倍植株ISSR分析

为了明确散穗高粱与白壳苏丹草杂交F1及其染色体加倍植株遗传差异性及其遗传距离,为下一步新品种育成利用奠定基础和提供科学依据。试验利用ISSR标记技术对散穗高粱与白壳苏丹草杂交F1及其染色体加倍植株进行多态性位点比较分析。结果表明：6条适宜引物共扩增得到重复性好的清晰条带164条,其中144条多态性条带,多态性比率达到86.9%;材料间的遗传距离变幅为0.2690~0.5923,散穗高粱与散穗高粱×白壳苏丹草F1加倍植株之间的遗传距离最远;供试材料以遗传距离0.26为基准可分为散穗高粱和白壳苏丹草;散穗高粱×白壳苏丹草杂种F1;散穗高粱×白壳苏丹草杂种F1加倍植株这三类。     

相思杂种优势的转录组初步分析

马大杂种相思(Acacia mangium×A. auriculiformis)是生产中极具潜力的相思新树种,为了探索相思杂种优势的分子机理,本研究通过高通量转录组测序技术对大叶相思、马占相思及其子代马大杂种相思的幼嫩叶片进行无参转录组测序分析。结果显示大叶相思、马大杂种相思和马占相思质控数据的Clean reads分别为42 595 190、55 373 032和46 553 286条,有效数据占原始Raw reads的比例在99%以上;Q20、Q30分别高于98%和95%。优化组装后总转录本数量为133 473,总Unigenes为83 117,序列碱基总数为122 735 856 bp,其中1 000 bp以内的共有63 377条,占总数的76%以上。3种相思的Unigenes表达量分布十分接近,共同检测到的Unigenes为20 379个,对这些Unigenes进行KEGG功能注释,共注释到129个不同的通路中,其中光合作用、植物激素信号转导通路中的相关基因显著富集。对3种相思注释到map00195 (光合通路)中的Unigenes进行表达量的差异分析,发现大部分的Unigenes在马大杂种相思中的表达量均高于双亲。这些Unigenes对应的基因主要为影响光合作用过程的关键基因,且马大杂种相思的光合通路中的相关基因表达量均显著高于双亲,由此推测这是导致杂种相思生长优势的主要原因。本研究结果可为今后开展相思杂交育种提供理论依据。     

高丹草遗传效应与杂种表现预测模型

以5个高粱不育系材料为母本, 18个优质苏丹草材料为父本, 按照遗传交配设计(NCII)配制成90个杂交组合。分别在内蒙呼市和包头两地, 利用与高丹草产量相关的QTL位点标记检测亲本间的遗传差异, 并将F₁的8个性状表型值对亲本材料进行标记位点的筛选, 建立标记效应和标记型值估算体系。估算特异性位点对性状表现的效应及杂种标记型值, 进而分析杂种标记型值与杂种表现的相关性, 应用逐步回归分析法建立8个性状杂种表现的预测模型, 并通过Jackknife抽样技术检测模型的精确度和稳定性。结果显示, 在分别考虑显性、加性作用下8个性状的标记型值与表型值的相关系数平均为0.65, 各性状的可决系数较大(0.51~0.88), 而且两地结果趋势一致, 表明该预测模型稳定性强, 精确度较高。该模型对高丹草的杂种表现预测以及亲本选配都具有一定的指导意义。     

大豆杂种产量相关的位点及等位变异分析

选用来源于中国黄淮和美国的熟期组II~IV的8个大豆品种, 按Griffing方法II设计, 配成28个双列杂交组合, 包括8个亲本共计36份材料。选用300个SSR标记, 对8个大豆亲本进行全基因组扫描, 利用基于回归的单标记分析法, 对大豆杂种产量和分子标记进行相关性分析, 估计等位变异的效应和位点的基因型值, 剖析杂种组合的等位变异。结果表明, 300个SSR标记中有38个与杂种产量显著相关, 分布于17个连锁群上, 其中D1a和M等连锁群上较多, 有8个位于连锁定位的QTL区段内(±5 cM)。单个位点可分别解释杂种产量表型变异的11.95%~30.20%。杂种的位点构成中包括有增效显性杂合位点、增效加性纯合位点、减效加性纯合位点和减效显性杂合位点4部分, 其相对重要性依次递减。从38个显著相关的SSR标记位点中, 遴选出Satt449、Satt233和Satt631等9个优异标记基因位点, Satt449~A311、Satt233~A217和Satt631~A152等9个优异等位变异, 以及Satt449~A291/311、Satt233~A202/207和Satt631~A152/180等9个优异杂合基因型位点。这些结果为理解杂种优势的遗传构成和大豆杂种产量聚合育种提供了依据。     

鹅掌楸属植物生长旺盛期叶芽基因差异表达与杂种优势关系的分析

为了探讨鹅掌楸属植物杂种优势形成的分子机理,以其亲本及其杂种生长旺盛期的芽为材料,利用DDRT-PCR技术,分析了杂种及亲本基因表达的差异,并与杂种的4个生长性状杂种优势表现进行相关分析。结果发现,杂种和亲本之间存在显著的基因表达差异,可归纳为：双亲共沉默型（Ⅰ）、杂种特异表达型（Ⅱ）、单亲表达一致型（Ⅲ）和单亲表达沉默型（Ⅳ）。通过相关分析发现：单亲表达一致型（Ⅲ）与杂种鹅掌楸的叶面积杂种优势呈显著正相关;单亲表达沉默型（Ⅳ）与杂种鹅掌楸的地径和株高都呈显著负相关。进而推测,基因的差异表达可能与鹅掌楸属植物甚至林木杂种优势的形成相关。     

烟草PMT基因单核苷酸多态性与烟碱含量变异的研究

为了解析不同烟草品种间烟碱含量差异的遗传机制,深入探索烟碱表型变异与基因序列多样性之间的关系。本研究从29份烤烟品种全基因组重测序所揭示的基因组序列变异中,分析了普通烟草种4个PMT基因家族基因的SNP和Indel变异,筛选错义突变位点。发现在NtPMT2基因第1个外显子的第75个碱基处存在1个错义SNP位点C23_49502707,在供试群体存在G和T两种等位变异。结合8个环境点的烟碱表型鉴定,可知在显著水平上T基因型等位变异供试品种的烟碱平均含量比G基因型的高14.7%,是高烟碱优异等位变异。进而对该位点进行了PCR标记转化,并筛选到1对扩增稳定、带型清晰的功能标记。本研究为克隆烟碱含量调控相关基因奠定了良好的实验基础,为高烟碱品种的分子标记辅助选择提供了可用的标记和基因资源。     

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。     

几种高粱--苏丹草杂交种的光合特性及同工酶酶谱差异

分析了5种高丹草和2种苏丹草的光合特性和同工酶酶谱特征.依据净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率4个光合指标的测定结果,综合评定7种供试材料光合能力的强弱顺序为蒙农青饲3号高丹草＞蒙农青饲1号高丹草=蒙农青饲2号高丹草=佳宝高丹草＞黑壳苏丹草=白壳苏丹草＞健宝高丹草.在分蘖期7种供试材料叶片的POD和SOD同工酶酶带数、酶带位点和酶带强弱均存在着一定的差异,从蛋白质分子水平上为各材料的鉴定提供了重要依据;同一种同工酶酶谱表型在同一植物的不同发育阶段和不同器官材料均表现不同,所获得的酶带遗传信息量比测定单一生育阶段和单一器官材料要大的多,更能系统地反映各供试材料间的遗传差异性.     

基于SSR分子标记的高丹草遗传图谱构建及相关性状QTL定位

本试验以散穗高粱和红壳苏丹草为亲本,以其杂种F2代的170个分离单株为作图群体,利用SSR分子标记技术和Join Map 3.0作图软件构建高丹草遗传连锁图谱,并在此基础上对分蘖数、株高、氢氰酸含量等8个相关性状进行QTL定位。结果表明:从120对SSR引物中共筛选出50对多态性引物,利用这些引物对作图群体各单株进行PCR扩增,共获得226个多态性标记,平均扩增标记为4.5个/引物。构建出一张由10个连锁群组成的高丹草SSR分子遗传图谱,含181个SSR标记,图谱总长803.13 cM。各连锁群长度在5.8~152.3 cM之间,标记间平均距离4.38 cM,图谱密度较高。在构建图谱的基础上,对高丹草8个相关性状进行QTL定位,共获得17个QTLs,其中控制茎粗的QTL 4个,控制叶宽的QTL 3个,控制叶片数、叶长、分蘖数和穗长的QTL各2个;控制株高和氢氰酸含量的QTL各1个。这些QTL位点分布于高丹草SSR遗传连锁图谱的其中8个连锁群上,其遗传贡献率的范围为12.5%~25.6%。本研究可为进一步开展高丹草重要性状基因的精细定位、图位克隆、功能分析,以及分子标记辅助育种提供理论指导。     

小麦产量与品质性状杂种优势的研究

本试验在河南省从北到南4个不同纬度的地点上连续进行2年(共8个环境类型).材料包括7个小麦亲本和由此按不完全双列杂交模式组配、人工去雄授粉产生的12个杂种组合.研究结果,小麦杂种单株籽粒产量平均杂种优势及其变异幅度分别为22.01%、11.90—40.64%.每穗粒数的杂种优势大于千粒重和单株穗数的杂种优势.面团形成时间,面团稳定时间,拉伸仪面积、峰值、延伸度及其拉伸仪峰值与延伸度的比值均呈现正向杂种优势;籽粒蛋白质含量、吸水率、面筋含量和弱化度表现负向杂种优势.但单株籽粒蛋白质产量表现正向杂种优势,平均17.20%.容重表现正向杂种优势,且变异范围较窄.杂种优势的环境变异主要是受地点以及地点、年份和杂种间二级互作的显著影响.     

玉米Gln1-4的gDNA序列、基因结构、保守功能域与等位变异

本研究旨在分离玉米谷氨酰胺合成酶(GS)家族重要成员Gln1-4 gDNA序列全长,分析基因结构、保守功能域与自然等位变异,为氮利用效率功能位点关联性分析奠定基础。利用PCR步移(walking)方法分离Gln1-4基因区域基因组DNA序列,用生物信息学方法分析基因结构与保守功能域,测序与序列比对法分析重要区域自然等位变异。结果表明,分离得到自交系Mo17 Gln1-4区域gDNA 3 724 bp,起始密码子至终止密码子序列长2 858 bp,登录到GenBank (登录号为EU369651), 并注释。Gln1-4基因含10个外显子与9个内含子,18个剪接位点均为保守的5'供位GU与3'受位AG模式。编码的GS蛋白由356个氨基酸组成,分子量39.2 kD,等电点(pI)为5.202。氨基末端外显子2到外显子6为氨离子结合结构保守功能域;羧基末端外显子8与外显子9构成ATP酶活性保守功能域。Gln1-4与Gln1-3基因相比,在DNA序列、氨基酸序列、基因结构、保守功能域均很保守,氨基酸序列一致性达98.31%。52个玉米自交系的Gln1-4等位变异分析中,共鉴定出318个等位变异位点,其中242个SNP,45个Indels,占90%。该基因氮利用效率功能关联性分析区间应位于氨离子结合功能域与ATPase活性保守功能域中重要的变异位点,18个剪接位点。     

矮腥黑粉菌胁迫的小麦全基因组重测序与转录组联合分析

为揭示矮腥黑粉菌胁迫下的小麦抗感品种间遗传背景差异,筛选小麦抗矮腥黑穗病候选基因。本研究以小麦感病品种‘伊犁053’和中抗品种‘中麦175’为研究对象,在接种矮腥黑粉菌后对籽粒组织进行重测序与转录组测序的联合分析。经过差异InDel分析后,共有69 840个变异基因与转录组数据进行了联合分析,有7 300个基因在小麦发病籽粒组织中有表达,有162个(2.22%)基因呈极显著差异表达,且基因表达量倍数变化≥1.5倍(‘中麦175’相对于‘伊犁053’,有125个上调, 37个下调);经过差异SNP分析后,共有98 331个变异基因与转录组数据进行了联合分析,有7 438个基因在小麦发病籽粒组织中有表达,有126个(1.69%)基因呈极显著差异表达,且基因表达量倍数变化≥1.5倍(‘中麦175’相对于‘伊犁053’,有86个上调, 40个下调)。本研究成功揭示了在矮腥黑穗病胁迫下抗感病小麦品种间的遗传差异表达信息,为进一步筛选小麦抗矮腥黑穗病候选基因提供参考。     

玉米转录因子候选基因关联分析

转录因子作为转录水平基因表达调控的重要上游因子,广泛参与玉米生长发育相关基因的表达调控,而目前关于转录因子候选基因关联分析的报道较少。为了研究转录因子对玉米表型的潜在影响,本研究以508份玉米自交系组成的关联群体全基因组范围内属于81个转录因子家族的2 034个转录因子序列,结合21种已公布的玉米农艺及产量性状表型数据,进行了候选基因关联分析。结果表明,在Q+K模型下,共鉴定到3 578个SNP与21种表型显著关联(P≤10~(-3))。这些SNP解释表型变异范围为2.37%～68.15%。其中轴色显著关联的转录因子最多,为105个;ZmMADS10关联到的表型最少,只有8个。在家族成员10个以上的转录因子家族中,G2-like家族转录因子显著性成员比例最高,FHA家族平均每个基因含有的SNP个数最多。这些显著SNP位于内含子区、外显子区、5'UTR区和3'UTR,分别占比47.19%、28.20%、12.23%和12.39%。本研究捕获了对玉米生长发育存在广泛调控的转录因子SNP,为玉米分子标记辅助育种提供了基因资源和分子标记。     

基于大豆胞囊线虫病抗性候选基因rhg1的InDel标记开发与鉴定

大豆胞囊线虫病是严重危害大豆生产的重要病害之一,根据抗病候选基因开发标记可为分子标记辅助选择抗病材料提供标记资源.本研究通过对大豆胞囊线虫抗性候选基因rhg1的序列比对分析,发现4个插入/删除位点,针对其中3个多碱基插入/缺失位点开发了InDel标记.应用开发的3个InDel标记对33份栽培大豆进行基因型鉴定,共检测到等位变异11个,平均每个位点3.67个.其中rhg1-I1位点有等位变异5个,rhg1-I2位点有等位变异2个;rhg1-I4位点有等位变异4个.各等位变异发生频率范围为0.8%～77.3%.InDel标记与大豆胞囊线虫抗性间的关联分析表明,rhg1-14为抗性相关标记,对抗病资源的检出效率为88.2%,对感病资源的检出效率为100%.该标记的288 bp等位变异和294 bp等位变异为抗病相关等位变异,269 bp等位变异和272 bp等位变异为感病相关等位变异.此标记与常用于标记辅助选择的Satt309配合鉴定可以提高SCN抗病资源的检测效率.     

基于大豆胞囊线虫抗病候选基因rhg1的InDe1标记发掘与鉴定

大豆胞囊线虫病是严重危害大豆生产的重要病害之一,根据抗病候选基因发掘标记可以为分子标记辅助选择抗病材料提供标记资源。本研究通过对大豆胞囊线虫抗病候选基因rhg1的序列比对分析,发现4个插入/删除位点,针对其中3个多碱基插入/缺失位点开发了InDel标记。应用开发的3个InDel标记对33份栽培大豆进行基因型鉴定,共检测到等位变异11个,平均每个位点3.67个。其中rhg1-I1位点有等位变异5个,rhg1-I2位点有等位变异2个;rhg1-I4位点有等位变异4个。各等位变异发生频率范围为0.8%~77.3%。InDel标记与大豆胞囊线虫抗性间的关联分析表明,rhg1-I4为抗性相关标记,对抗病资源的检出效率为88.2%,对感病资源的检出效率为100%。该标记的288 bp等位变异和294 bp等位变异为抗病相关等位变异,269 bp等位变异和272 bp等位变异为感病相关等位变异。此标记与常用于标记辅助选择的Satt309配合鉴定可以提高SCN抗病资源的检测效率。     

高丹草(高粱×苏丹草)产量及其构成因素的QTL定位与分析

利用分子标记技术,在许多作物上已获得了高密度的分子遗传图谱,并定位了许多主要农艺性状的QTL,而在牧草上这方面的研究尚属空白。为提高育种中对牧草产量性状优良基因型选择的效率,对高丹草的单株产量及其构成因素(株高、分蘖数、叶片数)进行QTL定位,确定其在染色体的位置及其遗传效应,探讨其杂种优势产生原因。在以高粱413A和棕壳苏丹草杂交获得的248个F2:3家系构建的作图群体中,应用AFLP和RAPD两种标记技术构建了高丹草(Sorghum×Sudan grass)的遗传连锁图谱。共包含168个标记,分布于10个连锁群,图谱总长度为836 cM,标记间平均图距为4.98 cM。采用Joinmap/QTL4.0对高丹草单株产量及其三大构成因素进行QTL定位。共检测到QTLs19个,分布在8个连锁群上,其中,第1和3连锁群最多,各为4个和3个。单个QTL解释性状表型变异的5.20%～51.50%。检测到的19个QTL中,表现加性效应的有1个,占5.26%,部分显性效应的有3个,占15.79%,显性效应的有6个,占31.58%,超显性效应的有9个,占47.36%。超显性效应和显性效应在高丹草杂种优势的遗传基础中占主导地位。     

Amy6-4基因遗传多样性及其与α-淀粉酶活性的关联分析

α-淀粉酶活性是影响大麦种子发芽和麦芽制作及啤酒酿造的重要性状,Amy6-4为编码高等电点的α-淀粉酶基因,挖掘其高活性的等位变异对啤酒大麦的品种改良具有指导意义。通过对58份大麦品种中Amy6-4基因的重测序,研究了该基因的核苷酸序列以及在品种间的遗传多样性,并在群体结构分析的基础上,进行了核苷酸多态性与α-淀粉酶活性的关联分析。结果表明,Amy6-4基因共存在7个单核苷酸变异位点(SNP),构成5种单倍型。其中,H_3单倍型最普遍,发生频率为51.7%(30/58);其次为H_1单倍型,发生频率为39.7%(23/58);其他3种单倍型发生的频率约为10%。SNP位点及其构成的单倍型均与酶活性无关联性。