水稻品种特优12在苏打盐碱处理下数字表达谱分析

通过不同盐碱处理下水稻品种特优12转录组测序分析,初步研究了该品种盐碱胁迫下的差异表达基因和基因表达模式。并对差异表达的基因进行了功能分类和注释。结果表明特优12在盐碱胁迫下,差异表达基因主要参与了氧化还原反应,渗透逆境响应,逆境胁迫响应,氧化胁迫响应,次生代谢途径,刺激响应,盐胁迫响应,化学刺激响应,非生物刺激响应等途径。     

杨树miRNA的靶基因预测及低氮胁迫表达分析

目的鉴定杨树受低氮胁迫后miRNA的靶基因,分析靶基因在氮胁迫后的差异表达并探讨其功能,为揭示杨树低氮胁迫下miRNA的调控功能提供参考,并为树木低氮营养高效利用育种提供重要的候选基因。方法根据miRNA的保守性及与靶基因的严谨互补配对关系,以杨树miRNA为探针利用靶基因预测软件psRNATarget,通过与毛白杨转录组的基因序列进行比对鉴定靶基因,进一步开展毛白杨受低氮胁迫后靶基因的差异表达分析及功能注释。结果获得了131个miRNA家族的242个miRNA成员对应的3 024个靶基因,分别参与了植物激素信号转导、次生代谢产物的生物合成、氨基酸合成代谢、碳代谢和RNA运输等通路。57个靶基因在低氮胁迫处理后发生显著变化,其中受到诱导（29个）和抑制（28个）的基因数目相当。14个低氮胁迫响应的miRNA,其对应的11个靶基因也发生了显著的差异表达变化,其中miRNA和靶基因表达量发生相反变化的有8个miRNA。本研究发现参与植物激素信号转导的靶基因（2个）及参与代谢途径的靶基因（6个）发生了差异表达。miR162的靶基因编码ABC转运蛋白,miR393运用于靶基因KAT2调节Na+和K+动态平衡,miR399的靶基因PIF3编码光敏色素互作因子PIFs蛋白,这些miRNA及靶基因可能在杨树响应低氮胁迫中发挥重要作用。结论本文鉴定到了毛白杨中一批低氮胁迫响应miRNA的靶基因,可调控杨树对氮逆境胁迫信号的反应。这些miRNA及靶基因为进一步揭示miRNA及靶基因在低氮胁迫下的调控功能提供了研究线索,为树木氮营养的高效利用改良提供了重要候选基因。      

响应低磷胁迫的小麦MDP激酶基因TaMPK1a-1的克隆和表达分析

 【目的】蛋白磷酸化在介导非生物逆境信号的转导中具有重要作用。以笔者在低磷胁迫下鉴定的小麦促分裂原活化蛋白激酶（MAP激酶）基因TaMPK1a-1为基础,开展该基因应答低磷逆境分子特征的研究。【方法】利用cDNA-AFLP技术,鉴定特异上调表达的MAP激酶基因TaMPK1a-1。采用生物信息学技术研究基因结构和编码蛋白特征,采用半定量RT-PCR技术研究TaMPK1a-1应答低磷胁迫逆境的分子特征。【结果】TaMPK1a-1 cDNA长度为2 170 bp,开放阅读框为1 737 bp,编码578个氨基酸残基。TaMPK1a-1含有2个参与双重磷酸化作用的TEY和TDY基序。在正常供磷条件下,磷高效品种石新828和磷低效品种冀7369根叶中均检测不到TaMPK1a-1的转录本;低磷处理下,TaMPK1a-1的表达在上述品种的根叶中均受到明显诱导。与冀7369相比,低磷条件下石新828根叶中TaMPK1a-1的转录本明显增多。【结论】TaMPK1a-1级联转导途径不仅影响着小麦对低磷信号的响应,而且对于增强小麦适应低磷胁迫的能力中也可能具有重要作用。     

氮胁迫下小麦叶片转录组分析

氮素是小麦生长发育过程中重要的营养元素,利用转录组技术鉴定参与小麦低氮胁迫分子调控网络的基因,对揭示小麦耐低氮分子机理、开展耐低氮育种具有重要参考意义。采用Illumina HiseqTM 2500高通量测序技术,对小麦品种晋麦47正常生长和低氮胁迫下的叶片进行转录组测序,筛选差异表达基因并在GO、KEGG 数据库中进行比对注释,分析小麦低氮胁迫响应相关基因。结果显示,对照组与低氮组分别获得高质量序列52 383 726和52 192 061条,检测到差异表达基因1 267个,其中上调表达基因179个,下调表达基因1 088个。差异基因GO功能注释到3个大类的44个功能组。差异表达基因被注释到178个途径上,主要富集于氨基酸代谢、碳水化合物代谢、脂类代谢和信号传导等途径。转录因子分析发现,在低氮条件下变化明显的转录因子家族包括WRKY、MYB和NAC等。     

小麦钙调素基因TaCaM1分子特征及转化烟草植株对低磷胁迫的反应

钙信号转导途径在介导植物应答和适应环境逆境中发挥重要作用。本试验以前期鉴定的对低磷逆境产生应答的小麦钙调素基因TaCaM1为基础,对该基因分子特征、应答低磷胁迫表达模式及介导植株抵御低磷逆境的生物学功能进行了研究。结果表明,TaCaM1基因与部分植物种属CaM家族基因高度同源,基因编码蛋白含有植物种属CaM家族蛋白含有的保守结构域,该基因翻译蛋白经内质网分选后定位在细胞质中。低磷胁迫下,根系中该基因的转录本数量随胁迫进程不断减少,复磷后低磷下调的基因表达不断上调。基因转化结果表明,丰磷条件下,上、下调表达株系的植株生长、干鲜重、含磷量和磷累积量以及细胞保护参数与野生型对照相比表现相似;低磷处理下,与对照相比,转化株系的植株生长和上述生理生化参数发生明显改变,表现为正义系Sen-1植株长势变差,磷累积量减少,部分保护酶活性下降,丙二醛含量增加;而反义系Anti-1植株长势增强,磷累积量增多,细胞保护酶活性提高,丙二醛含量减少。研究表明,TaCaM1通过下调响应低磷逆境,在植株抵御低磷逆境中发挥重要的负调控效应。     

翅碱蓬响应高盐胁迫的分子机制研究

为研究翅碱蓬Suaeda heteroptera响应高盐胁迫的分子机制,试验将翅碱蓬植株在高盐胁迫(856 mmol/L NaCl)和无盐(0 mmol/L NaCl)条件下处理2 h后,对植株分别进行全转录组测序。结果表明:通过RNA-seq分析共获得转录本147 176个,拼接后获得单基因(Unigene)84 545个;比较转录组学分析显示,与无胁迫组(对照)相比,高盐胁迫下翅碱蓬共检出144个差异表达基因,其中发生表达上调的有55个,发生表达下调的有89个;GO富集分析显示,差异表达基因主要分布在次生代谢、信号转导、光合作用电子传递等途径;KEGG富集分析显示,差异表达基因涉及的代谢通路有14个;对差异表达基因发生富集的5个主要代谢通路(光合作用、蔗糖与海藻糖代谢、植物激素信号转导、苯丙基类生物合成、半胱氨酸与甲硫氨酸代谢)进行了详细阐述,从分子水平探讨了翅碱蓬响应高盐胁迫的机制。本研究结果可为更深入研究翅碱蓬耐盐分子机制、挖掘耐盐关键基因提供数据资料。     

氮胁迫下小麦叶片转录组分析

氮素是小麦生长发育过程中重要的营养元素，利用转录组技术鉴定参与小麦低氮胁迫分子调控网络的基因，对揭示小麦耐低氮分子机理、开展耐低氮育种具有重要参考意义。采用Illumina HiseqTM 2500高通量测序技术，对小麦品种晋麦47正常生长和低氮胁迫下的叶片进行转录组测序，筛选差异表达基因并在GO、KEGG 数据库中进行比对注释，分析小麦低氮胁迫响应相关基因。结果显示，对照组与低氮组分别获得高质量序列52 383 726和52 192 061条，检测到差异表达基因1 267个，其中上调表达基因179个，下调表达基因1 088个。差异基因GO功能注释到3个大类的44个功能组。差异表达基因被注释到178个途径上，主要富集于氨基酸代谢、碳水化合物代谢、脂类代谢和信号传导等途径。转录因子分析发现，在低氮条件下变化明显的转录因子家族包括WRKY、MYB和NAC等。     

小麦HP基因家族鉴定和分析

组氨酸磷酸转运蛋白HP(histidine phosphotransfer proteins)在植物的生长发育调控及逆境胁迫应答中发挥重要作用。为理解HP基因在小麦基因组中的进化特征和功能,研究通过生物信息学分析鉴定普通小麦的HP基因家族成员,对其理化性质、进化特征、基因结构、顺式作用元件以及在逆境胁迫条件下的表达模式进行了分析。结果表明,在小麦基因组鉴定到31个HP基因,编码蛋白质序列包括116～200个氨基酸。通过和其他植物的HP蛋白比较以及对蛋白结构、基因结构和基序的分析,显示小麦HP家族基因序列具有保守性。顺式作用元件预测表明,HP基因具有光、植物激素、干旱、低温等非生物胁迫响应相关的启动子调控元件。热图分析表明,HP基因在应答非生物胁迫中表达模式存在多样性;qRT-PCR分析表明,TaHP5-6B基因在低磷胁迫下受到强烈的诱导表达。综上所述,小麦全基因组鉴定的HP家族基因是非生物胁迫响应的重要基因资源。     

小麦响应干旱胁迫环状RNA的鉴定

目的 干旱是限制全球小麦生产的主要非生物胁迫之一,探索小麦应对干旱的分子调控机制对小麦分子育种具有重要意义。环状RNA（circRNA）已被证实在植物抵御外界环境胁迫的过程中扮演着重要角色。鉴定小麦响应干旱胁迫的circRNA,有助于构建小麦干旱胁迫响应的调控网络,为解析小麦的抗旱性机制奠定基础。方法 以2个抗旱性差异显著的小麦品种（周麦13和冀麦38）为试验材料,对其在干旱及对照条件下的根部样本进行circRNA测序。鉴定小麦circRNA并对其进行特征分析,筛选与干旱胁迫响应相关的差异表达circRNA,并对其靶向microRNA（miRNA）进行预测。进一步根据miRNA及其靶基因在干旱胁迫下的表达模式,构建小麦响应干旱胁迫的潜在circRNA-miRNA-mRNA调控模块。结果 共鉴定获得1 409个小麦circRNA,其中,多数（68.91%）为外显子circRNA,且仅有133个circRNA在2个品种中被同时鉴定获得。在干旱胁迫下共鉴定获得239个差异表达circRNA,其中138个circRNA在抗旱型品种周麦13（ZM13）中特异性差异表达,19个circRNA在2个品种中同时差异表达。共预测到34个靶向miRNA以及1 408个miRNA靶基因。根据这些差异表达circRNA、靶向miRNA以及miRNA靶基因在干旱胁迫后的表达模式,共筛选出5个分别以tae-miR9664-3p、tae-miR1122b-3p、tae-miR9662a-3p、tae-miR6197-5p和tae-miR1120c-5p为中心的小麦响应干旱胁迫的潜在circRNA-miRNA-mRNA调控模块。结论 小麦circRNA具有明显的品种特异性,且在不同抗旱型小麦品种之间具有不同的表达模式。共鉴定到239个响应干旱胁迫的小麦circRNA以及5个潜在的circRNA-miRNA-mRNA调控模块。     

小麦RPD3/HDA1基因家族的全基因组鉴定及其对热胁迫的响应

RPD3/HDA1是组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDACs)家族中最大的亚族,已知的HDAC家族基因在拟南芥、水稻等植物的生长发育和非生物胁迫方面都发挥着重要作用,但小麦中对HDACs的研究却较少。为探究小麦中 RPD3/HDA1家族基因对热胁迫的响应,本试验利用生物信息学方法,从小麦全基因组中鉴定出36个小麦 RPD3/HDA1基因,并对其基因结构、进化关系、顺式作用元件和热胁迫下的表达模式进行分析。结果表明:除3A和4A外,其余小麦染色体均含有该家族基因,其基因结构中外显子和内含子的数目差异明显。该小麦家族基因在不同组织和不同逆境胁迫中存在差异表达, TaHDAC-Ⅱ-3a、 TaHDAC-Ⅱ-3b和 TaHDAC-Ⅱ-3d在叶片中的表达量明显高于其他组织, TaHDAC-Ⅰ-2d、 TaHDAC-Ⅰ-2a和 TaHDAC-Ⅰ-2b在热胁迫后表达量有明显上调。进一步研究发现,不同基因在同一生育时期的热胁迫下响应不同,同一基因在不同生育时期对热胁迫的响应也不同,并且相对于35℃而言,多数基因对42℃胁迫响应更显著。这些结果对寻找小麦 RPD3/HDA1家族候选耐热基因具有重要的参考价值。     

冷应激引起鸡下丘脑基因表达谱差异分析

为研究冷应激发生机制以及冷应激过程中下丘脑神经内分泌系统基因表达变化,选取28日龄淮南麻黄鸡为研究对象,采用全基因组表达谱芯片技术分析冷应激24 h后下丘脑组织差异表达基因.通过比较淮南麻黄鸡冷应激24 h前后下丘脑组织基因表达谱,表达倍数＞3倍的基因共877个,其中下调基因334个,主要涉及HAAO、CHRNA9及STAM2等信号转导接头分子基因的低表达;上调基因543个,主要为CCK、NPY及其受体基因、CAMK2A、SST及TRH等基因.对差异表达基因参与的生物学过程分析可见,在冷应激24 h过程中,鸡下丘脑首先启动神经受体-配体相互作用,刺激鸡体产生采食欲望,随后启动脂质代谢途径以供应机体能量需求.在此过程中,Jak-STAT、Ca离子信号通路等一系列生物反应途径发生响应,以调节机体对寒冷应激的反应.差异表达基因的生物学通路分析为阐明鸡冷应激机理提供重要信息,差异表达基因分析有助于抗冷应激分子育种候选基因筛选.     

Genome-wide identification and transcriptome profiling reveal great expansion of SWEET gene family and their wide-spread responses to abiotic stress in wheat(Triticum aestivum L.)

The Sugars Will Eventually be Exported Transporter(SWEET) gene family, identified as sugar transporters, has been demonstrated to play key roles in phloem loading, grain filling, pollen nutrition, and plant-pathogen interactions. To date, the study of SWEET genes in response to abiotic stress is very limited. In this study, we performed a genome-wide identification of the SWEET gene family in wheat and examined their expression profiles under mutiple abiotic stresses. We identified a total of 105 wheat SWEET genes, and phylogenic analysis revealed that they fall into five clades, with clade V specific to wheat and its closely related species. Of the 105 wheat SWEET genes, 59% exhibited significant expression changes after stress treatments, including drought, heat, heat combined with drought, and salt stresses, and more up-regulated genes were found in response to drought and salt stresses. Further hierarchical clustering analysis revealed that SWEET genes exhibited differential expression patterns in response to different stress treatments or in different wheat cultivars. Moreover, different phylogenetic clades also showed distinct response to abiotic stress treatments. Finally, we found that homoeologous SWEET genes from different wheat subgenomes exhibited differential expression patterns in response to different abiotic stress treatments. The genome-wide analysis revealed the great expansion of SWEET gene family in wheat and their wide participation in abiotic stress response. The expression partitioning of SWEET homoeologs under abiotic stress conditions may confer greater flexibility for hexaploid wheat to adapt to ever changing environments.     

Comparative proteomic analysis of cold responsive proteins in two wheat cultivars with different tolerance to spring radiation frost

Spring radiation frost (SRF) is a severe environmental stress which impairs wheat yield and productivity worldwide. To better understand the mechanism of wheat (Triticum aestivum) responding to SRF, a comparative proteomic analysis was performed to analyze the changes of the key proteins in two wheat cultivars Jimai22 and Luyuan301 with high and low tolerance to SRF respectively. A total of 43 differentially expressed proteins (DEPs) which mainly involved in carbohydrate metabolism, amino acid metabolism, resistance proteins and antioxidant enzymes, photosynthesis and cellular respiration proteins, cell-wall related proteins, protein translation/processing/degradation and signal transduction were isolated and identified by two-dimensional electrophoresis and MALDI-TOF-TOF MS. The results revealed that of the 21 DEPs in Jimai22 responding to the SRF, 13 DEPs were upregulated and 8 DEPs were downregulated, and that of the 22 DEPs in Luyuan301, 9 DEPs were upregulated and 13 DEPs were downregulated. These DEPs might be responsible for the stronger cold resistance of Jimai22 compared to Luyuan301. The expression pattern and function analysis of these DEPs were very significant to understanding the mechanism of the SRF responses in wheat.     

小麦逆境胁迫相关基因Ta14S的克隆及表达分析

【目的】克隆与逆境胁迫相关的基因,通过对目的基因的表达分析进一步解析植物的抗逆机制,为小麦抗逆育种提供候选基因和理论依据。【方法】基于cDNA芯片数据获得的水分胁迫诱导上调表达基因EST序列,运用RACE技术进行cDNA全长克隆,采用生物信息学软件分析克隆基因的编码蛋白特性,并利用实时荧光定量PCR分析该基因在不同组织及不同胁迫处理条件下的表达模式。【结果】通过RACE扩增获得小麦cDNA全长序列（GenBank登录号：JN650603）,命名为Ta14S。该基因序列全长为1 056 bp,其中,5′端非编码区11 bp,3′端非编码区253 bp,开放阅读框为792 bp,编码263个氨基酸。序列比对发现其蛋白质序列包含1个蛋白激酶C的底物结构域、1个类膜蛋白结合域、1个转录因子结合域和1个核输出信号结合域,具有植物14-3-3蛋白的结构特征;运用实时荧光定量PCR进行Ta14S表达分析,该基因在小麦苗期根中表达量最高,在PEG和低温胁迫的任何时间点均稳定上调表达,在ABA和高温胁迫的6 h内其相对表达量均显著高于对照,推测Ta14S可能参与小麦ABA信号通路中对逆境胁迫的抗性反应。【结论】获得小麦Ta14S的全长cDNA序列,其编码蛋白包含与蛋白质互作的典型功能域;通过对Ta14S在干旱、高温、低温、ABA胁迫过程中的表达特性分析表明,Ta14S在小麦逆境胁迫中发挥着重要的调控功能。     

水稻与稻瘟病菌不同小种互作的基因差异表达谱分析

【目的】分析水稻接种稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）48 h后亲和互作与非亲和互作反应的基因表达谱,探索水稻对不同稻瘟病菌抗性差异的分子机理。【方法】运用Affymetrix表达谱芯片分析差异表达mRNA;通过分子注释系统平台（MAS 3.0）对差异表达基因进行了基因注释及GO分析;应用实时定量PCR 对部分差异表达基因进行验证。【结果】在49 824个转录本中共检测到大约24 000个转录本,Fold change大于2.5的基因共1 028个,其中非亲和互作上调基因460个,下调基因568个。所验证的4个基因的荧光定量PCR结果与芯片结果基本一致。经GO分析差异基因对应蛋白的功能主要涉及信号转导、酶的调节、转录及分子转运等。【结论】水稻与稻瘟病菌非亲和与亲和互作的基因表达谱存在较大差异,基因芯片筛选到的差异表达基因通过GO注释明确了差异基因的分子功能及信号通路,有利于进一步了解植物抗病机制,并可能为稻瘟病防治措施提供新的途径。