雷蒙德氏棉和亚洲棉TCP基因家族的生物信息学分析

TCP基因家族是植物中特有的一类转录因子家族,涉及了植物的多种生长途径以及各种生理生化反应的信号传导。为了更好地了解TCP基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数量和分布情况等,通过生物信息学方法,在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出37个TCP基因家族成员,并对TCP家族成员进行基因结构、染色体定位、保守域、进化关系等分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉全基因组分别编码37个TCP转录因子成员。雷蒙德氏棉30个成员基因分布在10条染色体上,亚洲棉37个成员基因分布在13条染色体上;内含子/外显子结构分析表明,TCP基因结构较为简单,大部分不含内含子;功能结构域分析,发现所有TCP转录因子具有高度保守的TCP结构域;根据结构域差异和系统发育分析的结果,将TCP基因家族分成2个亚族,进一步划分为PCF、CIN、CYC/TB1三个亚类。以上结果为进一步研究棉花TCP基因家族各成员的功能奠定一定的理论基础。     

二倍体栽培棉种草棉和亚洲棉的核型比较研究

以二倍体栽培棉种草棉(Gossypium herbaceumL.)3个品种和亚洲棉(G.arboreum L.)6个品种,以及1个亚洲棉与草棉种间杂种 F_1为材料,进行核型分析。结果表明,草棉和亚洲棉在核型上基本相似,其主要差异是草棉具有2对 st 染色体,而亚洲棉中没有;虽然2个棉种的核型类别都属于2A 型,但草棉的核型比亚洲棉更对称,属于较原始的类型。来     

雷蒙德氏棉一段单拷贝序列的FISH分析

雷蒙德氏棉基因组草图的完成为棉花的基础研究奠定基础,然而该基因组草图仍需要后续的补充和完善。利用雷蒙德氏棉基因组草图信息,分别在6条较长染色体的端部选取了4 kb的序列。通过生物信息学分析这些序列在基因组中的拷贝情况,发现2号染色体一端的序列Chr2D属于单拷贝序列,且其内部没有重复序列。随后以该段序列为探针,对雷蒙德氏棉有丝分裂中期染色体进行荧光原位杂交,结果显示在1号染色体和4号染色体的一端有明显的杂交信号,信号大小远远大于4 kb序列所能产生信号的大小,而信号的强度则比正常的杂交信号暗弱。试验结果说明该4 kb序列Chr2D可能在1号染色体和4号染色体的1个端部有较高的拷贝数,而信号强度的暗弱则说明该序列在染色体上的分布方式可能为散漫分布。杂交信号在1号染色体和4号染色体上的相似性说明,这2对染色体可能有一定的亲缘关系。该结果将对雷蒙德氏棉基因组草图的补充完善有帮助。     

亚洲棉和雷蒙德氏棉MATE基因家族生物信息学及其同源基因在陆地棉中的表达分析

多药和有毒化合物排出(MATE)蛋白家族是1个次级转运蛋白家族。为了更好地了解亚洲棉和雷蒙德氏棉中MATE蛋白的种类和数量,利用2种二倍体棉花基因组的氨基酸和c DNA数据库对MATE基因家族进行筛选,并分析亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组中MATE基因的种类和进化关系。结果显示,在亚洲棉基因组中初步鉴定了34个MATE基因,而在雷蒙德氏棉中筛选出42个MATE基因。基因结构和系统进化的比较分析表明,进化关系近的MATE基因在结构上基本是一致的。同时对陆地棉中克隆的Gh TT12及与其同一族的部分MATE基因进行荧光定量分析,推测其所在同一族的MATE基因功能可能与转运原花青素有关。这些结果为进一步深入分析棉花MATE基因的功能以及在原花青素转运中的作用提供了理论基础。     

利用RAPD检测棉属种间亲缘关系的研究

利用RAPD分子标记技术对棉属24个种进行了种质资源遗传多样性研究,并用棉属近缘植物杨叶肖槿为参考对照,旨在从DNA分子水平上进行亲缘关系鉴定和系统分类。在40个RAPD引物中筛选出多态性高的引物26条,多态性条带比率为2l.0%。使用NTSYS-pc（Version 2.00）软件,及Jaccard’s相似系数UPGMA法进行聚类,表明材料之间存在较大的遗传多样性,对20个二倍体棉种进行遗传相似系数比较,说明旱地棉和绿顶棉、澳洲棉之间的亲缘关系最远;对异源四倍体棉种与A和D染色体组棉种的遗传相似系数比较结果表明,异源四倍体棉种与A染色体组中的草棉和亚洲棉,相似系数都较高,说明在四倍体棉种演化过程中草棉和亚洲棉起的作用是等比例的;异源四倍体棉种与雷蒙地氏棉的遗传相似系数显著高于与其他参试的D染色体组棉种,证明异源四倍体棉种的D染色体组供体种为雷蒙地氏棉,并支持异源四倍体棉种单系统发育起源学说,A染色体亚组的草棉或亚洲棉与D染色体亚组的雷蒙地氏棉两者杂交和染色体加倍后形成原始的异源四倍体棉种,并随着地理和遗传的趋异而分化形成不同的四倍体棉种;RAPD分子标记聚类结果与传统的分类结果基本相符,说明RAPD分子标记资料可用于棉属植物的分类和系统发育研究。     

雷蒙德氏棉和亚洲棉Alfin-like PHD finger家族的生物信息学分析

Alfin-like PHD finger是植物中特有的一类转录调控因子,在调控植物生长发育、非生物胁迫响应及抗病反应等过程中起重要作用。为全面了解Alfin-like PHD finger基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数目、分布情况及家族各成员间的关系,进而研究和揭示Alfin-like PHD finger在棉花抵抗逆境胁迫中的作用。运用生物信息学的方法在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出12个和10个Alfin-like PHD finger基因家族成员,并对家族成员的基因结构、染色体定位、保守结构域及进化关系等方面进行分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉中Alfin-like PHD finger转录因子具有高度保守的DUF3594结构域和PHD结构域,两个二倍体棉花中该家族基因成员之间为一对一关系;雷蒙德氏棉中的12个成员基因分布在5条染色体上,亚洲棉中的10个成员基因也分布在5条染色体上;亚细胞定位预测发现,该家族的基因分别定位于细胞核、叶绿体基质、过氧化物酶体和细胞质基质;根据结构域差异和系统发育分析结果,将Alfin-like PHD finger转录因子家族分为3个进化分支。上述结果为分离鉴定棉花中新的逆境胁迫响应基因提供参考。     

五个澳洲野生棉种色素腺体和棉酚性状研究

本文研究了斯特提棉（Ｇ．ｓｔｕｒｔｉａｎｕｍ）、南岱华棉（Ｇ．ｎａｎｄｅｗａｒｅｎｓｅ）、澳洲棉（Ｇ．ａｕｓ－ｔｒａｌｅ）、纳尔逊氏棉（Ｇ．ｎｅｌｓｏｎｉ）和比克氏棉（Ｇ．ｂｉｃｋｉ）五个澳洲野生棉种的种仁和植株各主要器官的色素腺体和棉酚及其旋光体含量。结果表明，五个棉种均具有种子无色素腺体、植株有色素腺体的特性，但五个棉种植株各器官上色素腺体的分布差异较大，特别是花瓣，其中斯特提棉和南岱华棉的花瓣具有正常的色素腺体，比克氏棉和澳洲棉的花瓣具有少量的色素腺体，纳尔逊氏棉的花瓣无色素腺体。五个棉种种仁棉酚含量极低，但植株各器官均含有较高的棉酚；棉酚旋光体含量测定结果表明，五个棉种的叶片中均只有左旋棉酚，而不含右旋棉酚，其中斯特提棉和南岱华棉两个种的左旋棉酚含量显著低于其余三个棉种     

二倍体野生棉与四倍体栽培棉基于GISH的遗传关系分析

[目的]研究二倍体野生棉与四倍体栽培棉间的遗传亲缘关系,进一步探索各棉种间的起源与进化.[方法]以5个二倍体基因组的代表种B1(异常棉)、C1(斯特提棉)、E2(索马里棉)、F1(长萼棉)以及G1(比克氏棉)的基因组DNA(gDNA)为探针,以2个四倍体栽培种(陆地棉中棉所16、海岛棉新海7号)有丝分裂中期染色体为靶DNA,进行了基因组原位杂交(Genomic in situ hybridization,GISH)分析.[结果]以B1、E2和F1gDNA为探针时,杂交信号主要分布在2个栽培种较长的13对A亚组染色体上;各产生3对较强的GISH-NOR信号,其中1对分布在较长的A亚组上,2对分布在较短的D亚组上,其GISH-NOR信号强度与分布情况与以D基因组棉种为探针时相似.说明二倍体B、E、F基因组与四倍体棉A亚基因组具有较高的同源性,亲缘关系更近.这一点与它们的地理分布情况相符;而它们基因组中的45S rDNA重复序列与二倍体D基因组的45SrDNA重复序列同源性较高.C1和G1中以gDNA为探针时,杂交信号分布在2个栽培种全部26对染色体上,无法区分开A或D亚组染色体,都有3对较强的GISH-NOR信号.这一现象与D基因组拟似棉(D6) gDNA为探针的GISH相似,表明二倍体C和G基因组与四倍体棉的A和D亚基因组均具有较高的同源性,或者C和G基因组同时含有A基因组(或其他非洲棉基因组)和D基因组成分,进一步证实了其基因组成分的杂合性;而它们基因组中的45S rDNA重复序列同属D基因组类型.[结论]这些发现可为棉花杂交育种和棉属起源与演化研究提供有用信息.     

雷蒙德氏棉DnaJ蛋白的生物信息学预测及盐胁迫下的表达分析

Dna J蛋白是一类很大的蛋白家族,是近年来研究较多的与胁迫反应等相关的蛋白。本文利用生物信息学手段,系统研究了雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii)Dna J蛋白的数目、分类、染色体定位、亚细胞定位、进化以及在旱地棉(Gossypium aridum)和克劳茨基棉(G.klotzschianum)盐胁迫下的表达模式。结果显示:雷蒙德氏棉基因组有119个Dna J蛋白,长度从73个氨基酸到2574个氨基酸不等;在13条染色体上不均匀分布,且具有不同的亚细胞定位;Dna J结构域大致被分为9个小组,每个小组都有与拟南芥同源的基因;盐胁迫下,鉴定到旱地棉和克劳茨基棉共同差异表达的Dna J基因3个,在旱地棉盐胁迫整个过程中差异表达的基因2个。雷蒙德氏棉Dna J基因家族的鉴定和分析,将为进一步研究Dna J基因家族的功能奠定一定的基础。     

棉花非冗余性EST-SSR新标记的开发及其评价

利用Clustal X等软件对公共数据库现有的393 753条棉花EST序列分析,得到349 815条非冗余EST序列,借助自主开发的SSRmine软件共发掘SSR位点11 372个,分布于10 507条EST中,EST-SSR的频率是3%,平均相隔21 kb出现一个SSR。在2~6 bp的重复基元中,三核苷酸和六核苷酸分别占34.1%、40.6%,二、三、四、五和六核苷酸基序分别以AG/CT、AAG/CTT、AAAT/ATTT、AAAAG/CTTTT和AAAAAG/CTTTTT的类型最多。利用去冗余的且在亚洲棉、陆地棉、海岛棉中没有被开发过的410条EST序列设计开发了200对非冗余性SSR引物,利用自主开发的SSRD软件通过SSR引物序列下载、预处理、Blastn、提取相似性分值≥81%的引物编号、提取引物冗余对、冗余引物写成一行等6个步骤去除来源于自身部分同源序列以及与CMD释放的不同棉种相似性SSR引物,得到了非相似性引物,定名为CRIXXX (CRI即Cotton Research Institute)。并分别选用棉花12个种的代表性材料对其中100对进行引物功效评价,包括多态信息含量(polymorphism information content, PIC)及引物通用性研究。结果显示,从自主开发的100对SSR引物筛选出56对均能在12份材料间扩增出稳定明显的条带, 其中多态性引物35对,多态率占35%。引物的PIC变幅为0.097~0.888,平均为0.482;1对海岛棉EST-SSR引物在12份材料间的通用性为100%,25对亚洲棉引物通用性为81%,74对陆地棉引物通用性为80.1%。     

半野生棉与亚洲棉对草甘膦抗性评价及比较分析

采用叶片棉球定位鉴定法,初步鉴定并评价了半野生棉和亚洲棉对草甘膦的自然抗性,结果表明:参试材料抗性水平从高抗至高感分6级,极端抗性水平相差33.3倍(0.2%对0.006%)。其中,半野生棉对草甘膦的自然抗性分级丰富,抗性水平分布自高抗至高感;但大部分半野生棉不耐草甘膦,近86%(346份)的材料抗性水平处于低耐级别以下。而亚洲棉抗性水平都处于高抗至低耐的4个级别,抗性多样性较差,但整体抗性水平较高,70.3%(71份)表现为耐或以上级别。从半野生棉和亚洲棉中分别筛选到2份和5份高抗材料,半野生棉中有1份高感材料,亚洲棉中无对草甘膦敏感材料。本研究报道的极端材料为棉花草甘膦抗性遗传机制研究、新品种的培育、内源抗性基因的挖掘和感抗机理研究,奠定了良好的材料基础。     

亚洲棉EST-SNP的挖掘及其在陆地棉中的验证

【目的】随着不同棉种序列数据库的逐步完善以及高通量测序技术的发展,棉花单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism,SNP)标记开发可利用的公共数据资源逐步增加。【方法】本研究基于陆地棉祖先基因组的现代种亚洲棉表达序列标签(Expressed sequence tag,EST)数据库,利用CAP3对亚洲棉EST数据库进行拼接。拼接获得7 187个重叠群(Contig),再利用Quality SNP软件进行SNP位点分析。【结果】在807条含有4条以上EST序列的Contig中查找到2 690个SNP位点。通过筛选次要等位基因频率大于30%的位点,获得953个可靠度较高的候选SNP,通过电子筛选,最终获得可用于陆地棉分析的SNP 149个,利用位点特异性聚合酶链式反应以及酶切扩增多态序列验证了EST-SNP的准确性。【结论】本研究证实基于亚洲棉EST数据库挖掘用于陆地棉研究的EST-SNP切实可行,并有望将EST-SNP用于陆地棉遗传图谱构建、重要性状的基因定位以及分子标记辅助育种。     

Genome-Wide Identification and Functional Prediction of Phytochelatin Synthase Gene in Upland Cotton

[Objective] Heavy metal stress rise advertise effects on growth and development in plant, from which phytochelatin synthase (PCS) plays key roles to protect plant cells. This article will present studies on the gene amount, structure, distribution and features. [Method] PCS gene family in cotton are analyzed based on completely global genome sequence cotton species including Gossypium hirsutum ((AD)1), G. raimondii (D5) and G. arboreum (A2), for further understanding of those genes and protein family features. In this study, we conducted the analysis involving in identification on PCS family members, special protein domain comparison, polygenetic analysis, gene structure prediction and Cysteine survey. [Result] 2, 2 and 4 PCS genes were identified out in G. raimondii (D5), G. arboreum (A2) and G. hirsutum ((AD)1), respectively. All these 8 PCS genes had phytochelatin and phytochelatin_C domains and strictly conserved amino acid residues related to catalytic activity. Cotton PCS protein family members could be divided into 2 sub-group, and these members belongs to sub-group I or sub-group II are close todicotyledon or nematode, respectively. What’s more, there are some difference in both gene structure and Cys distribution between those 2 sub-groups. Less integrity of exons in PCS genes in G. raimondii, comparing to G. hirsutum and G. arboreum. [Conclusion] Comparing to sub-group II, the PCS genes from sub-group I should be higher catalytic activity. G. hirsutum and its donor G. arboreum probably are more heavy metal tolerant than G. raimondii. Based on the results, this research will provide some insights on further functional study.     

中棉种质资源研究

中棉属于亚洲棉(C.arboreum L.)的族系。1982～1985年,对200个品种进行田间调查和纤维、棉籽仁测试分析。结果是:中棉生育期100天左右,变幅在97～103天。衣分平均31.01%,变幅18.96～40.47%。2.5%跨距长度(Span Length)平均20.24mm,变幅16.2～24.7mm。纤维比强度(g/tex)平均22.27,变幅11～31.0之间。纤维细度麦克隆值(Micronai     

棉花MAPKs家族成员的聚类分析

MAP激酶(促分裂原活化蛋白激酶)级联信号通路(MAPKs)由3种级联磷酸化的蛋白激酶MAPKKK、MAPKK和MAPK组成,在调控植物的生长发育、胁迫响应及抗病反应等过程中都起重要作用。为了全面了解棉花MAPK、MAPKK、MAPKKK家族各成员间的关系,进而研究和揭示MAPKs在棉花抗病、抗逆中的作用,利用已公布的雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组数据,并从NCBI数据库中收集陆地棉的MAPKs氨基酸序列,运用生物信息学的方法对棉花(陆地棉、雷蒙德氏棉、亚洲棉)MAPK、MAPKK和MAPKKK家族的氨基酸序列进行了同源比对和聚类分析。结果表明:棉花MAPK家族具有特征性结构TEY磷酸化位点或TDY磷酸化位点,依据其氨基酸序列可划分为A、B、C和D族,其中TEY类包含A、B和C族,TDY类只包含D族;棉花MAPKK家族具有特征性保守区域S/T-X5-S/T和活性部位基序D(I/L/V)K,并依据其氨基酸序列也可将其划分为A、B、C和D族;棉花MAPKKK家族具有MEKK特征性保守区域G(T/S)PX(W/Y)MAPEV和Raf特征性保守区域GTXX(W/Y)MAPE(L/V),进而分为MEKK类和Raf类2组亚群。本研究梳理了棉花MAPKs中的MAPK、MAPKK、MAPKKK家族各成员间的关系,为进一步研究棉花MAPKs信号传导途径和揭示其在棉花抗病、抗逆中的作用提供了基础信息。     

三个栽培种中天然彩色棉的遗传多样性及关联分析

本研究利用主要农艺性状和SSR标记分析了137份陆地棉、13份海岛棉以及27份亚洲棉等不同纤维色泽的种质资源。170对SSR引物共检测到1036个等位基因变异。其中有多态性的等位基因923个,平均每个SSR位点有5.43个等位变异,变化范围为1~10。位点多态性信息量(PIC)的变化范围为0.56~0.93,PIC在0.85以上的多态性SSR位点为122个。结果表明,实验材料存在着丰富的遗传多样性。在群体结构分析基础上,使用TASSEL软件中的混合线性模型(MLM),在陆地棉中得到与11个性状相关联的SSR标记23个;在海岛棉群体得到与5个性状关联的17个标记;在亚洲棉中检测到与8个性状关联的15个标记位点。在三个栽培种中与纤维色泽度相关的标记位点一共有6个,分别是CIR51-4、BNL1421-2、BNL2656-2、DPL570-2、GH268-6和TMB131-1,表型变异解释率从3.12%到18.97%。三个栽培种中天然彩色棉种质具有丰富的遗传多样性,为棉花的种间、种内杂交育种以及拓宽棉花新品种的遗传背景提供了物质基础和理论依据。