化学诱变获得甘蓝型油菜矮秆突变新种质

油菜矮秆种质资源的发掘与创制对于培育株高适度矮化、抗倒性强、高产稳产、适合于机收的新品种具有重要意义。本研究利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯处理甘蓝型油菜品种浙油50种子诱发获得两个矮秆突变体3060和4036,其株高分别为74.5 cm和72.0 cm,株型紧凑直立,苗期和成熟期诸多表型特征以及种子脂肪酸组成和含油量等品质性状发生了显著变化。遗传分析结果初步表明,两矮秆突变受单个隐性基因或隐性主基因控制,不存在细胞质效应。光暗处理条件下,两突变体幼苗形态建成正常,推测其矮化机制不涉及油菜素内酯途径。喷施不同浓度外源赤霉素可显著促进两突变体幼苗下胚轴伸长,但均不能使下胚轴长度恢复到原亲本的水平,表明矮秆突变的发生可能与赤霉素信号传导过程中的变异有关。两突变体所具有的一些重要特征特性赋予其一定的利用价值。     

前沿动态

正植物响应光和生物钟节律双重信号的重要分子机理太阳光不仅是植物生长发育的重要能源来源,还参与调控植物的形态建成,是植物生长发育最重要也是最基本的生长信号之一。在黑暗和光照条件下,植物分别进行暗形态建成和光形态建成。COP1和PIF是幼苗光形态建成中两类重要的负调控因子,使植物在黑暗条件下表现为暗形态建成。生物节律在植物的光形态建成中也起到了非常重要的作用,其中PIF4为生物节律中非常重要的转录因子之一。     

利用修饰光敏色素信号途径进行作物改良的可行性

介绍了模式植物拟南芥中受光敏色素调控的光形态建成机制;综述了有关禾本科植物光敏色素信号途径及其突变体与产量性状关系的相关研究进展。指出：对小麦、玉米等作物光敏色素过表达和/或功能缺失突变体的株高、开花期、避荫性反应和产量等变异进行系统研究,对其产量性状突变体进行遗传学、生物化学和分子机制进行解析,有望探索出通过修饰作物的光信号途径改良农作物的新策略。     

拟南芥18srRNA参与隐花色素介导的信号传导途径的研究

通过筛选以拟南芥蓝光受体隐花色素双突变体cry1cry2为遗传背景的激活标签突变体库,得到一株SCC98D株系,该突变体具有早开花,下胚轴变短,并具有花瓣数目增加等表型,彻底恢复了cry1cry2的晚开花和长下胚轴表型.通过TailPCR的方法克隆得到SCC98D突变体中激活标签插入位点的侧翼序列,通过对该侧翼序列测序发现插入位点在18srRNA的1751bp处,运用RTPCR方法分析插入位点周围基因的表达,发现只有18srRNA的表达被激活,由此证实了18srRNA参与隐花色素介导的信号传导途径.     

拟南芥PHOT1基因的超表达载体构建及遗传转化

蓝光受体向光素PHOT1和PHOT2以光强依赖方式介导植物向光性反应、叶绿体运动、气孔开放、叶片的伸展及定位生长等许多生理反应,并且在不同的生理反应过程中,PHOT1和PHOT2可能采用不同的信号路径实现其功能互补。为更深入地研究其介导的下胚轴向光弯曲反应机制,构建了拟南芥PHOT1基因超表达载体,测序正确后,利用农杆菌介导花序转化法,分别转入拟南芥野生型gl1及其phot2突变体中,利用潮霉素B对转基因株系进行了初步筛选,并对T3代纯合转基因植株的PHOT1表达量进行了RT-PCR分析,筛选出了比对照gl1植株高16倍左右的PHOT1-OX株系,比对照phot2突变体植株高约12倍的phot2PHOT1-OX株系,为进一步对PHOT1基因功能进行研究提供良好材料。     

粘液繁殖体植物抱茎独行菜TTG1基因转化拟南芥的表型研究

[目的]将过量表达典型粘液繁殖体植物抱茎独行菜TTG1基因(LpTTG1)的转基因拟南芥株系表型与野生型和突变体进行比较,为深入研究LpTTG1基因的功能提供参考依据.[方法]在体视显微镜下,通过对拟南芥野生型、ttg1突变体及LpTTG1基因过表达转基因株系的植株表型,幼苗叶表皮毛、下胚轴和根毛以及种子形态进行观察比较.[结果]拟南芥ttg1突变体与野生型和LpTTG1过表达转基因型的幼苗在下胚轴的颜色、根毛着生方式、真叶表皮毛等方面有显著差异,但后两者表型间无显著差异.[结论]缺失TTG1基因可导致拟南芥幼苗形态发生显著变化,但此基因过量表达不一定对拟南芥形态产生影响.     

黄瓜COP9信号复合体亚基CsCSN5b的亚细胞定位和表达分析

COP9信号复合体( Constitutively photomorphogennic sig-nalosome, CSN)是一种在黑暗条件下抑制光形态建成的调节蛋白[1] ,1992年在研究调控拟南芥的光形态建成的转录因子时被发现,突变体拟南芥在黑暗条件下,子叶展开,下胚轴缩短,这一表型与野生型拟南芥在光照下幼苗生长的形态一致.CSN是一种高度保守的多亚基蛋白质复合体,调控动物、植物的生命活动,如生长、分化、繁殖.CSN主要参与调节泛 素-蛋 白 酶 体 通 路 ( Ubiquitin proteasome system, UPS) [2] ,UPS是蛋白质高效特异性降解的主要途径,目标蛋白被泛素三酶级联反应,靶蛋白进行泛素化修饰后,由26S蛋白酶体催化蛋白质降解[3].     

不同光质对作物形态建成和生长发育的影响

光作为植物生长发育过程中的重要环境因子,除了为光合作用提供能量外,还作为一种信号因子,在植物的形态建成和生长发育方面起到重要的调节作用。从种子萌发、根系生长、茎生长、叶片生长、开花、光合作用、抗病性等方面综述光质对作物形态建成和生长发育的影响,并且在此基础上,展望光质在调控作物生长发育方面的研究方向和途径,以期为进一步的研究提供参考。     

光受体和赤霉素对植物开花协同作用的研究进展

开花是植物生长发育中的一个重要节点，标志着植物由营养生长阶段向生殖生长阶段的转变。在植物体内存在着一个复杂的开花调节网络，该网络由多种环境信号响应途径以及内源信号途径整合而成，其中光周期途径和赤霉素途径为两个重要的调控途径。综述了光受体种类和结构，论述了光受体及赤霉素介导的转导途径在不同植物中调控开花的研究进展，并且对光信号通路协同赤霉素信号通路调控植物开花的作用机制进行了介绍，以期为深入研究植物的开花调控机制提供理论参考。     

甘蓝光敏色素B基因的克隆及在拟南芥中异源转基因的功能验证

目的】甘蓝（Brassica oleracea L.）是世界上最广泛种植的蔬菜作物之一,其种植已由春、秋两季种植转变为四季栽培,因此,研究甘蓝对光温的反应能力是品种改良的重要基础。光敏色素是植物最重要的一类光受体,主要响应远红光和红光的变化,其中,光敏色素B是红光的最主要受体,与光形态建成、避荫性以及生物产量等性状密切相关。克隆甘蓝的光敏色素B基因（BoPHYB）,在拟南芥中验证异源基因BoPHYB在光形态建成和避荫性反应中的作用,丰富植物光敏色素基因功能研究,评价光敏色素在甘蓝品种改良中应用的潜在价值。【方法】利用RT-PCR的方法克隆、测序验证得到甘蓝自交不亲和系12C的BoPHYB编码区cDNA序列;利用生物信息学软件分析其编码的氨基酸序列及结构域,并与其他植物的光敏色素B进行序列比对,分析它们之间的同源关系;构建其35S启动子驱动的植物表达载体pJIM19-Myc-BoPHYB,通过农杆菌介导法转化拟南芥野生型Col-0和phyB-9突变体,并获得纯合转基因株系;比较BoPHYB与拟南芥光敏色素B（AtPHYB-GFP）的转基因株系在不同光质下的下胚轴伸长和成株期的表型,验证其在光形态建成和避荫性反应中的作用。【结果】从甘蓝中克隆了BoPHYB的编码区cDNA序列,该基因编码区含有3 507个核苷酸,编码具有1 168个氨基酸残基、分子量为128.9 kD的蛋白质;与拟南芥和白菜的phyB结构域类似,BophyB包含1个GAF结构域、2个PAS结构域、1个HisKA结构域和1个HATPase_c结构域;氨基酸序列同源性分析发现,BophyB与拟南芥以及白菜的phyB同源性最高,与小麦、玉米、水稻等单子叶植物的同源性较低;与AtPHYB-GFP类似,在红光和白光下不但Myc-BoPHYB能互补phyB-9极端黄化的表型,而且转基因株系均表现为下胚轴加剧缩短;长日照和短日照下成株期转基因导致植株矮化、叶片深绿和叶柄缩短。【结论】克隆了甘蓝光敏色素B基因,甘蓝光敏色素B与拟南芥和白菜的光敏色素B具有相似的结构和功能,在红光和白光下促进幼苗的去黄化反应,在成株期显著抑制长日照和短日照下植株的避荫性反应。     

利用CRISPR/Cas9技术研究玉米ZmFKF1在开花过程中的作用

【目的】FKF1是多种植物开花途径中发挥重要作用的关键基因。为研究玉米FKF1功能,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将ZmFKF1进行定点编辑,获得ZmFKF1编辑突变体。同时以此为材料,通过表型分析及关键开花基因的表达量变化分析,明确ZmFKF1在玉米开花途径中的作用,为玉米分子育种及遗传改良提供理论依据。【方法】以玉米B104为材料,克隆ZmFKF1,通过序列比对明确ZmFKF1的基因结构。以ZmFKF1为靶标基因,根据CRISPR/Cas9技术原理设计靶点,将设计的靶点序列在玉米参考基因组中进行比对分析,排除非特异性靶位点,最终筛选出在ZmFKF1第1外显子上的靶位点ZmFKF1-T1,构建CRISPR/Cas9基因编辑表达载体。利用农杆菌介导法,转化玉米B104幼胚,通过抗性筛选获得抗性愈伤组织,之后诱导出芽和生根,获得T₀代ZmFKF1编辑阳性植株,并利用cas9特异引物进行验证。利用靶位点扩增测序法,明确T₁代ZmFKF1编辑植株在ZmFKF1预期靶标位点是否发生突变及突变的类型,筛选获得ZmFKF1定点突变纯合株系。获得这些材料后,以野生型B104为对照,统计和分析开花表型。同时,利用实时荧光定量PCR技术检测上述材料中与玉米开花途径相关的关键基因的表达量变化,对表型进行进一步的验证。【结果】在玉米FKF1的第1外显子上设计靶点构建基因编辑表达载体,通过遗传转化获得的转基因株系实现了对ZmFKF1的定点突变,共获得T₀代ZmFKF1编辑阳性株系18株,在预期靶标位点上发生突变的有6株,2种不同的突变类型：单碱基插入和多碱基缺失。通过开花时间统计和分析,与野生型B104相较,3个T₂代ZmFKF1编辑纯合突变体的开花时间延迟,显著（P＜0.05）晚于B104。进一步对这些材料中的开花关键基因ZmGI、conz1和ZmZCN8进行表达量检测,发现突变体中这些基因的表达明显（P＜0.05）低于野生型B104,与晚花表型相符。【结论】可利用CRISPR-Cas9技术对ZmFKF1进行定点编辑获得基因编辑突变体,且突变体开花时间明显延迟。     

利用分子标记辅助选择技术创制耐铝玉米种质

【目的】将耐铝主效基因导入普通玉米自交系,筛选出耐铝玉米株系,为拓宽玉米耐铝种质资源及耐铝育种提供理论参考。【方法】以玉米耐铝材料（CML530、CML532、CML533和CML534）和普通玉米自交系（西1、9058和LX9801）为材料,构建6个回交群体,基于分子标记辅助选择技术,利用与耐铝基因ZmM1、ZmM2、ZmASL和ZmALMT2紧密连锁的分子标记（umc1468、ZmMATE1、ZmMATE2、MateF2和ALMT93496）进行靶基因选择,将耐铝主效基因导入到普通玉米自交系,结合植株田间表现,筛选出耐铝的稳定株系,并对其进行耐铝鉴定。【结果】在分离世代（BC₁F₁/S₁）苗期对6个回交群体共581个株系进行靶基因选择,结果有69个株系中选,结合植株田间表现,最终获得17个稳定株系。基于分子标记检测结果,17个稳定株系的遗传背景恢复率为73.9%～93.8%,平均为83.4%。0.2 mmol/L AlCl₃溶液处理下17个稳定株系的根系生长均受到不同程度的抑制,根净增长度平均值为0.81 cm,极显著低于对照（0.5 mmol/L CaCl₂溶液）（P<0.01,下同）;稳定株系的根相对伸长率与轮回亲本差异达极显著水平;17个稳定株系的根相对伸长率为64.50%～83.33%,平均为74.74%,均为中等及以上耐铝株系,其中NS1、NS9、NS10、NS15和NS16为高耐铝株系。【结论】通过分子标记辅助选择技术可将耐铝主效基因导入普通玉米自交系,且导入多个耐铝基因株系的耐铝性较同一群体中导入单个耐铝基因的株系均有不同程度提高,表明多个耐铝基因累加可提高耐铝性。可见,该技术可作为耐铝玉米种质创制的有效手段。     

Isolation and Analysis of Drought-Induced Genes in Maize Roots

Maize roots are important component for plant adaptation to soil water deficits because they are supposed to take up water and necessary solutes from the soil. In the present study, the drought-induced genes were isolated in maize roots. A suppression subtractive hybridization protocol was applied to construct a forward subtractive cDNA library from CN165 for drought-stressed maize roots and a number of drought-induced genes were isolated. Totally, 126 uniESTs （containing 82 singlets and 44 contigs） were obtained from 503 available ESTs sequences after macroarray hybridization. UniESTs were analyzed using BLASTN and BLASTX and the results showed that 92% of the uniESTs had homolgous sequences in maize nr database by BLASTN. About 89% of uniESTs appeared the homlogous amino acid sequences in rice protein database but not in maize protein database by BLASTX, implying that those genes are likely new functional genes in maize. Function analysis showed that those genes were involved in a broad spectrum of biological pathways, mainly in signaling and regulatory pathways related to stress tolerance.     

长日照条件下2个热带玉米自交系的转录组差异分析

【目的】深度挖掘不同光敏类型自交系间的差异表达基因,为揭示热带玉米种质光周期敏感性变异机理提供理论依据,同时为采用分子辅助方法改良热带玉米种质提供新途径。【方法】以热带光钝感自交系QR273和光敏感自交系T32为试验材料,通过人工控制长日照条件（16 h光/8 h暗）对试验材料进行处理,于四叶期采集幼嫩叶片提取总RNA,利用RNA-Seq技术对不同光敏类型自交系材料进行转录组测序,同时结合生物信息学分析,筛选出不同光敏类型自交系间的差异表达基因。【结果】在长日照条件下,从玉米自交系T32和QR273间共鉴定出6977个差异表达基因,其中T32较QR273的上调表达基因有3291个、下调表达基因有3686个。GO功能注释分析结果显示,有24个应答光刺激和应答辐射的基因在T32和QR273中表现出显著差异;此外,有17个同时与应答光刺激、应答辐射、胚后期发育、光周期、生殖结构发育、生殖系统发育、生殖发育过程、光周期/开花和分生组织营养生长向生殖生长转变相关的差异表达基因。KEGG信号通路富集分析发现有15个昼夜节律通路相关基因在T32和QR273中表现出显著差异,其中,Zm00001e030377和Zm00001e023792基因在T32中的表达量高于QR273,而Zm00001e016746和Zm00001e011193基因在T32中的表达量低于QR273。【结论】长日照条件下光敏型与光钝型热带玉米自交系间的转录组差异分析共鉴定出6977个显著差异表达基因,包括24个参与应答光刺激和应答辐射的差异表达基因有,17个同时与应答光刺激、应答辐射、胚后期发育、光周期及分生组织营养生长向生殖生长转变相关的差异表达基因,以及15个与昼夜节律通路相关的差异表达基因。这些基因通过差异性参与昼夜节律通路中的成花诱导,导致成花启动途径不完全相同,可能是热带种质光周期敏感性变异的关键遗传基因。     

光对园艺植物花青素生物合成的调控作用

花青素是植物中一类重要的类黄酮化合物,在植物花朵、果实等器官色泽形成和抗氧化过程中起着重要作用。植物组织中花青素的形成依赖于光信号,但是光信号对花青素生物合成的调控机制及信号网络很大程度上还不清晰。本文简述了花青素生物合成及运转过程的研究进展,简要归纳了MYB、bHLH、WDR三类主要因子对花青素合成的转录调控作用,重点阐释光信号（光强、光质、光照时长）对植物花青素合成的调控作用。研究表明,光环境（光强、光质、光照时长）主要通过不同的光受体（UVR8、CRYs、PHOTs、PHYs）影响光信号通路重要因子COP1的泛素化能力和HY5的稳定性,以及其他光信号转录因子如光敏色素互作因子PIFs的稳定性,进而调控花青素的生物合成过程。这些光信号因子一方面直接结合到调控花青素合成的MYB、bHLH、WDR三大类转录因子上,转录激活或抑制它们的表达进而调控花青素的合成;另一方面,这些光信号因子通过与MYB、bHLH、WDR三大类转录因子蛋白互作,影响它们形成的MBW复合体稳定性,进而调控花青素的合成。此外,这些光信号因子还可以通过不依赖于MBW复合体的通路调控花青素的合成,如HY5通过调控miR858影响花青素的生物合成;另外,一些未知的光响应因子可能以不依赖MBW通路的方式直接或间接地调控花青素合成基因和液泡膜上的运转蛋白,改变液泡酸化,调节花青素的合成。同时,光信号会影响光合电子传递,光合电子传递链中的一些因子也会通过依赖和不依赖MBW的途径影响植物花青素的合成。这些途径如何协调以及哪些信号因子优先受光环境（光强、光质、光照时间）调控?本文为深入研究光信号对花青素生物合成的调控机理提供参考,以探索光调控花青素积累的有效途径及靶标分子,为利用基因工程、代谢工程和光环境调控手段改良园艺植物花青素积累提供理论基础。     

Dissecting the genetic basis of maize deep-sowing tolerance by combining association mapping and gene expression analysis

Deep-sowing is an important method for avoiding drought stress in crop species, including maize. Identifying candidate genes is the groundwork for investigating the molecular mechanism underlying maize deep-sowing tolerance. This study evaluated four traits (mesocotyl length at 10 and 20 cm planting depths and seedling emergence rate on days 6 and 12) related to deep-sowing tolerance using a large maize population containing 386 inbred lines genotyped with 0.5 million high-quality single nucleotide polymorphisms (SNPs). The genome-wide association study detected that 273 SNPs were in linkage disequilibrium (LD) with the genetic basis of maize deep-sowing tolerance. The RNA-sequencing analysis identified 1 944 and 2 098 differentially expressed genes (DEGs) in two comparisons, which shared 281 DEGs. By comparing the genomic locations of the 273 SNPs with those of the 281 DEGs, we identified seven candidate genes, of which GRMZM2G119769 encoded a sucrose non-fermenting 1 kinase interactor-like protein. GRMZM2G119769 was selected as the candidate gene because its homologs in other plants were related to organ length, auxin, or light response. Candidate gene association mapping revealed that natural variations in GRMZM2G119769 were related to phenotypic variations in maize mesocotyl length. Gene expression of GRMZM2G119769 was higher in deep-sowing tolerant inbred lines. These results suggest that GRMZM2G119769 is the most likely candidate gene. This study provides information on the deep-sowing tolerance of maize germplasms and identifies candidate genes, which would be useful for further research on maize deep-sowing tolerance.     

玉米矮杆突变体的筛选与候选基因鉴定

挖掘矮杆基因对玉米耐密植品种选育具有重要意义。利用甲基磺酸乙酯(EMS)诱变郑58自交系获得一系列矮杆突变体,株高降低范围为10%～45%,穗位高降低范围为10%～65%,部分突变体的节间数目也发生了变化。对矮杆突变体细胞大小进行观察发现,突变体的细胞长度均缩短,缩短的范围为25%～75%,突变体株高的降低除了与细胞缩短有关外,还与细胞数目增加有关,为了进一步确定候选基因,对其中的5个突变体构建了F2分离群体,采取BSR高通量测序结合生物信息学分析,获得了多个玉米矮杆突变体的候选基因,为矮杆突变体基因的分离鉴定和开发应用提供了分析方法和新的材料。