苦荞WOX家族全基因组鉴定及响应愈伤诱导率表达分析

【目的】全基因组鉴定苦荞WOX（WUSCHEL-related homeobox）基因,揭示其基因家族成员序列特征、基因表达模式及与出愈率的相关性,为突破苦荞再生及遗传转化难题提供理论基础。【方法】基于同源性搜索策略,以拟南芥WOX基因蛋白为参考序列,进行苦荞全基因组比对,获得苦荞WOX基因家族成员蛋白及核酸序列。基于蛋白同源性及保守结构域分析,鉴定出苦荞WOX基因家族所有成员。同时使用TBtools软件展示FtWOXs家族成员基因结构、保守结构域及启动子顺式作用元件特征。比较分析WOX基因家族成员在苦荞与拟南芥之间的基因组共线性。基于邻近法,利用MEGA X软件构建苦荞、拟南芥和水稻WOX基因家族成员蛋白序列系统进化树。以MS+2,4-D 3.0 mg·L^-1+6-BA 1.0 mg·L^-1为愈伤诱导培养基,下胚轴为外植体,选取70份苦荞品种诱导愈伤组织,评价不同基因型的出愈率。qRT-PCR比较分析高、低出愈率苦荞品种间FtWOXs基因表达水平。基于Pearson相关系数分析出愈率与FtWOXs基因家族成员表达相关性。【结果】共鉴定出30个苦荞WOX基因成员,在苦荞8条染色体上呈现不均匀分布。系统进化树表明30个苦荞WOX基因可划分为3大类,不同类群中WOX基因包含不同的保守结构域,主要的保守结构域为HD（Homeodomain）、START和MEKHLA结构域。保守基序分析表明,FtWOXs基因家族成员所含保守基序数目的范围为2—10个。基因结构分析表明,FtWOXs基因家族成员所含外显子数目的范围为2—18个。顺式作用元件分析表明FtWOXs基因启动子富含26个不同种类的顺式作用元件。系统进化分析表明,30个苦荞、15个拟南芥和12个水稻WOX基因家族成员可分为3类,其中第3类为苦荞独有。基因组共线性分析表明,6个WOX基因在苦荞和拟南芥之间存在基因组共线性。表达模式及相关性表明,FtWOX1/FtWOX12/FtWOX22/FtWOX23/FtWOX24与苦荞出愈率存在正相关性。【结论】苦荞FtWOXs成员存在丰富的序列变异特征,不同苦荞基因型中WOX基因表达水平及出愈率存在明显差异和一定的相关性,揭示不同苦荞WOX基因具有潜在的功能多样性。     

睡莲转录因子bZIP家族的分子进化以及功能分析

【目的】基于睡莲基因组鉴定睡莲bZIP（basic leucine zipper）家族成员,并对其进行分析,以揭示睡莲bZIP家族的分子进化和功能。【方法】从Waterlily Pond数据库获取睡莲基因组序列,利用HMMER3.0程序识别睡莲的bZIP家族成员,并使用CDD程序进一步确认其含有的保守bZIP结构域,使用IQ-tree软件构建系统进化树。利用ExPASy和SOPMA在线网站进行蛋白质结构分析,通过MEME程序进行保守基序分析,使用MCScan和Circos软件对基因复制事件进行分析以及可视化展示。从NCBI下载睡莲转录组数据（SRA Study：SRP222853）,用R软件对睡莲bZIP家族成员表达数据的Pearson相关系数（PCC）进行计算和可视化分析,使用Cytoscape软件对NcbZIP成员之间的表达数据关系进行分析。【结果】从睡莲基因组中共鉴定出46个bZIP家族成员,按成员在染色体上的分布命名为NcbZIP01—NcbZIP46。根据系统进化分析可以将睡莲bZIP家族成员分为A、B、C、D、E、G、H、I、J和S共10个亚家族,其中A亚家族所含成员最多（11个）,相同亚家族成员具有相似的保守结构域和基因结构。理化性质分析表明,睡莲bZIP家族成员蛋白质长度介于101—1 898 aa,分子量大小介于12.04—214.64 kD。染色体定位分析发现,睡莲共有14条染色体,46个bZIP家族成员不均匀地分布在其中的10条染色体上,其中1号染色体上分布最多。睡莲bZIP基因家族发生10个复制事件,其中9个片段复制事件,1个串联复制事件,A亚家族所含基因复制事件最多（3次）。对NcbZIP成员在不同组织下的表达进行分析,根据表达情况分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组,Ⅰ组成员在所有组织中均高度表达,Ⅱ组成员几乎在所有组织中均不表达,Ⅲ组成员在不同组织中表达水平各不相同,其中C、D和G亚家族的大部分成员集中在Ⅲ组。通过睡莲bZIP成员表达量的Pearson相关系数分析,发现NcbZIP45与所有NcbZIP成员之间的相关性最高。【结论】在睡莲基因组中鉴定出46个bZIP成员,分为10个亚家族,不均匀地分布在14条染色体上,结构进化保守,组织表达模式多样。     

黄瓜CC-NBS-LRR家族基因鉴定及在霜霉病和白粉病胁迫下的表达分析

【目的】对黄瓜全基因组的CC-NBS-LRR（CNL）基因家族进行生物信息学和表达模式分析,为深入研究CNL基因家族在黄瓜生长、发育和病害胁迫响应中的功能提供参考。【方法】以拟南芥CNL为参考序列,利用本地Perl语言和Pfam等软件检索黄瓜‘9930’基因组并确定黄瓜CNL基因家族成员。通过ExPASy、GSDS2.0、MEGA、MEME、Tbtools、Mev等工具对黄瓜CNL家族基因进行生物信息学分析。根据转录组数据库、霜霉病菌（Pseudoperonospora cubensis）、白粉病菌（Podosphaera xanthii）接种处理和实时荧光定量PCR技术分析该类基因的表达模式。【结果】从黄瓜全基因组中鉴定得到17个CsCNL,这些基因分布在除1号染色体外的6条染色体上,其编码蛋白与其他植物CNL结构相似,均含有CC、NBS和LRR保守结构域,蛋白质大小介于197—1 148 aa,分子量在22.6—131.3 kD,等电点在5.71—8.38。共线性分析表明其中不存在片段重复和串联重复基因,多物种系统进化关系表明,CsCNL基因家族成员在葫芦科植物之间具有较高的结构和功能相似性。CsCNL启动子中存在多种与抗病相关的顺式作用元件。CsCNL表达具有组织特异性。在接种霜霉病菌2 d和5 d后,Csa3G815400、Csa3G822360和Csa7G420890在抗性品种中均显著上调表达,Csa4G015850在抗性品种中下调表达,在敏感品种中显著性表现不一;在接种白粉病菌2 d和5 d后,Csa2G008000和Csa3G684170在敏感品种中显著上调表达,在抗性品种中显著下调表达;Csa4G016360、Csa7G420890和Csa7G425940在抗性品种中显著上调表达,在敏感品种中表达量无变化或显著下调。【结论】CsCNL家族成员具有组织表达特异性并且多数基因能够响应霜霉病菌和白粉病菌的胁迫。推测Csa3G815400、Csa3G822360和Csa7G420890表达量增加,Csa4G015850表达量减少可诱发抗病黄瓜品种的霜霉病抗病反应;Csa4G016360、Csa7G420890和Csa7G425940表达量增加,Csa2G008000和Csa3G684170表达量减少可诱发抗病黄瓜品种的白粉病抗病反应;而Csa7G420890表达量的增加能同时诱发抗病黄瓜品种的霜霉病和白粉病的抗病反应。     

甜瓜SLAF图谱构建及果实相关性状QTL分析

【目的】通过对甜瓜果实相关性状进行QTL定位及候选基因分析,为甜瓜品质育种及基因挖掘与功能验证提供理论基础。【方法】利用薄皮甜瓜1244为母本、厚皮甜瓜M5为父本配置杂交组合,结合SFLA测序技术开发分子标签,构建高密度遗传图谱,以F_2:3表型数据为基础,采用Mapqtl进行QTL定位分析。【结果】获得了380 446 Mreads（83.12 Gb）数据,测序平均Q30为93.59%,平均GC含量为36.87%;开发了112 844个SLAF标签,3 274 879个SNP;构建了12个连锁群,共计10 596个上图标记,总图距为1 383.88 cM,标记间平均距离为0.13 cM,上图标记完整度平均为99.92%。将控制甜瓜果面沟性状基因（fst）定位在第11条染色体末端Marker 1993423（62.18）—Marker 1998820（63.05）,覆盖基因组0.72 Mb,包含33个候选基因;控制甜瓜果皮花纹基因（fpp）定位在第2条染色体Marker 459584（90.91）—Marker 459446（90.91）,覆盖基因组0.08 Mb,包含5个候选基因,其中MELO3C026292（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶）可能为控制果皮花纹的候选基因;同时检测到甜瓜果皮底色1个QTL位点fpc,位于第7条染色体Marker 1229174（7.14）—Marker 1229973（7.14）,贡献率为9.9%;检测到果型指数1个QTL位点fs9.1,位于第9条染色体Marker 1705671（76.19）—Marker 1705915（79.23）,贡献率为7.6%;在第1、2、6、7、10染色体检测到单果重相关6个QTL位点（sfw1.1、sfw2.1、sfw2.2、sfw6.1、sfw7.1、sfw10.1）,贡献率在3.1%—17.0%,LOD值介于3.0—5.6。【结论】将甜瓜果面沟、果皮花纹基因分别定位在第11和第2条染色体,分别获得33个和5个候选基因;检测到1个果皮底色QTL位点、1个果型指数QTL位点和6个单果重QTL位点。     

小麦抗条锈基因Yr52在品种改良中的应用

【目的】 评价小麦高温成株期（high temperature adult plant,HTAP）抗条锈病基因Yr52在生产中的应用价值,选育出农艺性状优良并高抗小麦条锈病品系,为充分利用现有高温成株期抗病资源、提高相关产量性状奠定基础。【方法】 通过回交和自交结合分子标记辅助选择育种方法,将小麦抗条锈病基因Yr52转育到轮选987（LX987）、百农矮抗58（AK58）和邯6172（H6172）中。在四川绵阳和陕西杨凌鉴定圃,用小麦条锈菌流行生理小种CYR32、CYR33和CYR34混合侵染,鉴定抗病基因载体品系和受体品种以及它们的高代家系的成株期抗病性。比对中国春参考基因组,结合Yr52两翼SSR分子标记Xcfa2040（6.8 cM-Yr52）和Xbarc182（1.2 cM-Yr52）,在目标基因物理区间内寻找35K SNP芯片标记,并开发成dCAPS和KASP分子标记,对BC₂F_5:6高代群体进行抗条锈病基因Yr52的检测。【结果】 抗病性鉴定和农艺性状评价表明,在19个具LX987背景的BC₂F_5:6家系中,抗条锈性表现为高抗（IT=0—3,DS=1%—20%）有11个,中抗（IT=4—6,DS=15%—30%）有8个,平均千粒重（TKW）、每穗穗粒数（KPS）、单株有效分蘖（PTN）、株高（PH）和穗长（SL）分别为45.33 g、46粒、7个、113.26 cm和10.05 cm。4个具AK58背景BC₂F_5:6家系全部表现高抗（IT=0—3,DS=5%—25%）;平均TKW、KPS、PTN、PH和SL分别为44.67 g、48粒、7个、96.54 cm和10.17 cm。5个具H6172背景的BC₂F_5:6家系全部表现高抗（IT=0—3,DS=5%—20%）;平均TKW、KPS、PTN、PH和SL分别为43.74 g、49粒、8个、109.72 cm和10.06 cm。分子标记检测结果表明,Yr52两翼连锁的分子标记Xbarc182、Xcfa2040和Xwmc557在后代群体中的检出率分别为78.57%、66.67%和66.67%,并成功开发出1个dCAPS标记Xdcaps-Yr52-1和1个KASP标记Xkasp-Yr52-1,两者在群体中的检出率分别为73.68%和41.67%。通过比较高抗（IT=0—3）与中抗（IT=4—6）水平家系的农艺性状,结果表明,IT在0—3的家系平均TKW（P>0.05）、PTN（P>0.05）和KPS（P<0.05）高于中抗水平的家系。结合各亲本抗病性和农艺性状筛选出PH为80—105 cm、PTN≥6个、KPS≥45粒、TKW≥42 g、SL≥8 cm的材料共5份。【结论】 Yr52仍对当前主要流行小种具有成株期抗性;将Yr52导入中国主栽感病小麦品种中,选育出综合抗病性和农艺性状良好的高代材料可用于培育多基因聚合的品种,丰富抗病基因的多样性,并实现持久利用。     

黄瓜R2R3-MYB亚家族鉴定及生物信息学分析

【目的】深入研究黄瓜Cucumis sativus R2R3-MYB亚家族成员的相关功能。【方法】利用生物信息学手段分析黄瓜全基因组,鉴定R2R3-MYB亚家族成员,对其系统进化关系、蛋白理化性质、染色体定位、基因结构、保守基序、顺式作用元件、蛋白质互作进行分析。【结果】黄瓜全基因组中含99个具有典型结构域的R2R3-MYB转录因子,蛋白序列含195～552个氨基酸,有保守基序及氨基酸位点;基因在染色体上分布不均匀;大部分亚家族成员蛋白质的不稳定指数大于40,属于不稳定蛋白。顺式作用调控元件分析发现：大部分基因启动子区所含元件与激素调节、MYB结合位点、胁迫密切相关。【结论】通过黄瓜全基因组鉴定,获得黄瓜基因组99个R2R3-MYB家族成员,分为30个亚组,映射于7条染色体上,该家族成员的上游启动子区含逆境相关作用元件。图7表1参36     

春小麦籽粒主要品质性状的全基因组关联分析

【目的】挖掘小麦籽粒品质性状显著相关的SNP位点及候选基因,并揭示其遗传机理,为相关基因克隆和分子标记辅助选择提供理论依据。【方法】通过检测298份国内外春小麦品种（系）5个环境下蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、淀粉含量、籽粒硬度、出粉率和容重等7个籽粒品质性状的表型,并结合小麦55K SNP芯片,采用Q+K关联混合模型进行全基因组关联分析（genome-wide association study,GWAS）。【结果】外引品种（系）、地方品种（系）和育成品种（系）的7个品质性状在不同环境下的变异系数分别为1.3%—13.4%、1.1%—18.6%和1.0%—13.9%。其中,外引品种（系）的蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值的变异系数均为最高;新疆自育品种的淀粉含量、籽粒硬度和出粉率的变异系数最大,而新疆地方品种的蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、淀粉含量、籽粒硬度和出粉率6个品质性状的变异系数均介于外引品种（系）和新疆自育品种（系）之间。群体结构分析表明,298份小麦品种（系）可分为3个亚群。其中,亚群1包含128份（43.0%）试验材料,主要是来自新疆的地方品种（系）;亚群2包含24份（8.1%）试验材料,主要包括外引品种（系）和新疆地方品种;亚群3包含146份（48.9%）试验材料,主要是外引品种（系）。连锁不平衡分析表明A、B和D基因组及全基因组的LD衰减距离分别为10、10、6和8 Mb,依据全基因组的LD衰减距离,将在物理图谱上前后8 Mb区间内的位点认定为一个候选位点。通过GWAS共检测到85个与7个小麦籽粒品质性状显著关联的稳定位点（P<0.001）贡献率为3.7%—10.9%。在1B、1D、2D、3A、3D、4A、4B、5A、6A、6D、7A和7D染色体上均检测到稳定且同时与多个性状关联的位点。其中,7A染色体上的AX-109452823—AX-110545157同时与蛋白质含量、淀粉含量、湿面筋含量、沉降值、出粉率和籽粒硬度相关,且同时在4个环境中均被检测到。对稳定的位点进行候选基因发掘,筛选到10个可能与小麦籽粒品质相关的候选基因。其中TraesCS4A01G299800（阳离子氨基酸转运蛋白）、TraesCS7A01G059500（色氨酸脱羧酶）、TraesCS7A01G331200和TraesCS7D01G418700（木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶）对调控小麦籽粒氨基酸含量有重要作用。【结论】检测到85个稳定的且与小麦籽粒品质性状关联的位点,并筛选出10个与小麦籽粒品质性状相关的候选基因。     

基于国家果树种质南京桃资源圃的桃褐腐病抗性评价

【目的】褐腐病是危害桃果实的最严重病害之一,在采收前后造成大量果实损失,开展桃褐腐病抗性的系统鉴定评价,筛选抗性资源,为褐腐病抗性育种的亲本选配提供遗传资源,是解决栽培品种褐腐病抗性不强的长久之策。【方法】2018—2021年,以国家果树种质南京桃资源圃的种质资源为试材,采收8.0—8.5成熟度的果实,无损接种616份,有损接种505份,观测无损接种的病果率每天增加百分比（%）和有损接种的病斑直径扩展速率（cm·d^-1）,以平均值和0.5标准差建立9级抗性评价体系,比较不同种质类型、果实类型、来源地的褐腐病抗性,并分析抗性指标与其他果实性状的相关性。【结果】无损接种病果率每天增加百分比为（11.22±5.96）%,变异系数为35.48,基于此指标建立的9级抗性评价体系中,抗性1级（<0.80%）的种质资源缺失,2级（0.80—3.78%）中含有10份抗性较强的种质资源,3级（3.78%—6.76%）134份,4级（6.76%—9.73%）157份,5级（9.73%—12.71%）122份,6级（12.71%—15.68%）73份,7级（15.68%—18.66%）60份,8级（18.66%—21.64%）21份,9级（>21.64%）39份。无损接种病斑直径扩展速率为（1.71±0.21）cm·d^-1,变异系数为0.18,基于此指标的9级评价体系中,1级（<0.98 cm·d^-1）含11份种质资源,2级（0.98—1.19 cm·d^-1）28份,3级（1.19—1.40 cm·d^-1）72份,4级（1.40—1.61 cm·d^-1）109份,5级（1.61—1.83 cm·d^-1）103份,6级（1.83—2.04 cm·d^-1）82份,7级（2.04—2.25 cm·d^-1）45份,8级（2.25—2.46 cm·d^-1）29份,9级（>2.46 cm·d^-1）26份。无损接种病果率每天增加百分比（y）与有损接种病斑扩展速率（x）的回归为关系为y=6.2073x（R²=0.1839）,线性程度较低。分组均值比较发现中国桃野生资源相对具有较强的褐腐病抗性,是抗性资源挖掘的重点。无损接种病果率每天增加百分比与有损接种病斑扩展速率2个指标均与果实带皮硬度（r=-0.234）和去皮硬度（r=-0.240）呈极显著负相关,与单果重（r=0.427）和着色程度（r=0.319）呈极显著正相关,但相关系数较低。【结论】分别建立了基于无损接种病果率每天增加百分比（%）和有损接种病斑直径扩展速率（cm∙d^-1）的褐腐病抗性9级评价体系;筛选出抗侵染能力较强的种质资源10份,抗扩展能力较强的种质资源11份。     

牛亚科物种转座子与串联重复序列之间的进化关系

【目的】重复序列是真核生物基因组中重要组成部分,对物种进化、基因遗传变异、转录调控等具有重要作用。研究旨在揭示牛亚科物种重复序列特征,研究转座子和串联重复序列间的进化关系,为牛亚科物种重复序列的研究提供理论支撑。【方法】以普通牛、瘤牛、牦牛、水牛、野牛以及大额牛6个牛亚科物种的基因组序列为研究对象,利用TRF和RepeatMasker软件对6个牛亚科物种基因组中的串联重复序列（tandem repeats sequence,TRs）和转座子（transposable elements,TEs）进行鉴定,并通过本地BLAST比对,分析两类重复序列间的相似性,单位点（single-locus TRs, slTRs）和多位点串联重复序列（mutiple-locus TRs, mlTRs）以及转座子内部的串联重复特征。【结果】（1）6个牛亚科物种中,重复序列在普通牛中的比例最高,为49.13%,其次为水牛46.82%、大额牛46.66%、瘤牛42.70%、野牛42.36%、牦牛42.34%;其中转座子在基因组中的比例为40.57%—45.71%,高于串联重复序列的比例（1.50%—3.42%）。（2）串联重复序列中,mlTRs的比例（76%—99%）显著高于slTRs（1%—24%）,表明mlTRs为6个牛亚科物种中串联重复序列的主要组成。（3）TE-derieved的串联重复序列分析表明,TRs中43%—84%的序列来源于转座子,其中多位点串联重复序列可高达94%。（4）TRs-related 转座子及其活性分析表明,与TRs具有相似性的转座子主要来自非长末端重复序列（non-Long Terminal Repeats, non-LTR）,包括SINE（Short Interspersed Nuclear Element, SINE）和长末端重复序列（Long Interspersed Nuclear Element, LINE）,其中SINE/Core-RTE（主要为BOV-A2）的数量（14 423—24 193）和相对丰度（4.06%—6.77%）最高,被认为是牛亚科物种中最年轻且最具活力的转座子。（5）转座子的串联重复特征分析表明,BovB在0—600 bp,L1_BT在1 500—2 700 bp的序列分别发生了大量的串联重复,与consensus序列的一致性分别达93%和87%以上,且两段区域均为非编码区。【结论】重复序列在牛亚科物种中具有相似的分布特征, non-LTR是牛亚科物种TRs-related TEs的重要来源,且SINE/Core-RTE（主要为BOV-A2）为牛亚科物种最年轻且最具活力的转座子;同时串联重复序列又可作为转座子内部结构的组成部分,表明串联重复序列与转座子在基因组的进化过程相互影响、相互作用。     

不同降雨年型旱地冬小麦水分利用及产量对施氮量的响应

【目的】降雨和施氮是影响渭北旱塬冬小麦生产的主要因素,降雨年际变幅大对其影响更大,因此小麦增产效应受降雨年型显著影响。分析不同降雨年型下施氮量对旱地麦田水分利用、籽粒产量和蛋白质含量的影响,能够为实现渭北旱地冬小麦 “因雨施氮”和稳产优质提供理论依据。【方法】于2017—2020年连续3年在陕西合阳县开展田间定位施氮试验,以晋麦47为试验材料,设置5个施氮量处理0、60、120、180、240 kg·hm^-2（分别以N₀、N₆₀、N₁₂₀、N₁₈₀、N₂₄₀表示）,研究不同降雨年型施氮量对冬小麦生育期0—200 cm土层水分变化动态、水分利用效率、产量构成及蛋白质含量的影响。【结果】降雨年型和施氮对冬小麦播前底墒及生育期土壤含水量、耗水量、水分利用效率、籽粒产量和蛋白质含量影响显著。（1）休闲期降雨与播前底墒呈线性相关,每增加1 mm夏季降雨,底墒增加0.9 mm。在丰水年和平水年休闲期降雨充足,前季小麦增加施氮量对下季小麦播前底墒无显著影响;在欠水年休闲期降雨较少,前季小麦每增施氮100 kg·hm^-2,下季小麦播前底墒减少15.4 mm。丰水年较欠水年和平水年均能提高冬小麦生育期0—200 cm土层土壤含水量,因而分别增加生育期耗水量35.7%和6.6%。全生育期0—120 cm土层土壤含水量受降雨和冬小麦生长发育影响波动较大,但160—200 cm 深层土壤含水量相对稳定。丰水年的水分利用效率较欠水年和平水年分别提高55.7%和26.5%,籽粒产量分别提高112.3%和39.1%,蛋白质含量分别降低8.3%和5.2%。（2）与N₀处理相比,丰水年、欠水年和平水年施氮均降低各生育时期0—200 cm土层土壤含水量,分别提高生育期耗水量4.6%—14.6%、6.0%—8.6%、2.2%—9.5%,分别增加水分利用效率20.7%—39.8%、4.7%—33.3%、13.1%—35.4%,分别增产7.1%—28.1%、1.5%—34.1%、8.5%—28.9%,分别提高蛋白质含量5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%。（3）施氮量和籽粒产量、蛋白质产量均符合二次曲线关系,拟合方程表明,丰水年、欠水年和平水年满足旱地冬小麦稳产优质的最适施氮量范围分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2。【结论】综合来看,丰水年、欠水年和平水年的最佳施氮量分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2,并可采取“播前底墒确定基施氮肥量+播种至拔节期降雨确定追施氮肥量”的“因雨施氮”管理模式,既能满足旱地冬小麦稳产优质,也可保证水分高效利用。     

苦荞ARF基因家族的鉴定及生长素诱导下的表达模式

【目的】全基因组水平鉴定苦荞ARF家族基因,并对其家族基因结构、保守结构域、系统进化、组织表达差异及外源生长素处理下基因表达水平进行分析,为苦荞ARF的功能研究和利用奠定基础。【方法】通过转录组数据和ARF保守结构域（PF06507）分析,筛选苦荞ARF家族成员,利用TBtools软件绘制基因结构图,利用NCBI及MEME在线预测苦荞ARF蛋白保守结构域和保守基序,利用MEGA X构建苦荞和拟南芥、水稻、甜荞、甜菜、大豆ARF蛋白系统进化树。使用根、茎、叶、花、未成熟和成熟籽粒6个组织转录组数据的FPKM值,通过TBtools HeatMap绘制FtARFs基因表达热图,分析FtARFs的组织表达特异性。使用PlantCARE在线网站预测茎秆特异表达的FtARFs启动子的顺式作用元件。以0.5 mg·L ^-1 IAA处理2份高秆（ZNQ189和PI673849）与2份矮秆（PI658429和PI647612）苦荞材料,观察苦荞下胚轴伸长的特征,于生长素处理不同时间段（0、0.5、1、6、12、24和48 h）取样,qRT-PCR检测FtARFs基因在不同苦荞下胚轴中的表达差异;同时,对生长7 d的4份材料进行石蜡切片,番红固绿染色后显微镜下观察下胚轴细胞大小。【结果】系统分析鉴定了26个苦荞ARF家族基因,染色体定位分析显示,除第4染色体外,FtARFs在其余染色体均有分布。理化性质分析表明,氨基酸残基数目范围为331—1 083 aa,理论等电点为5.34—8.63。保守基序分析表明,不同组间Motif组成有一定的差异。基因结构分析显示,苦荞ARF基因外显子数量为2—15,变异较大。系统进化将其分成4组（Group Ⅰ—Group Ⅳ）,且苦荞FtARFs在4个类群中均有分布。组织特异性分析显示,在各组织中,FtARFs基因FPKM值差异明显,在根、茎、花中,分别检测到7个、9个和4个基因表达量较高,在叶、未成熟籽粒和成熟籽粒中,表达值均较低。外源生长素处理4份苦荞材料,下胚轴伸长趋势不一,与其细胞大小变化相一致。qRT-PCR结果显示,FtARFs基因在生长素处理前期（0.5—1 h）表达较高,在处理后期,基因表达量降低。且处理苦荞幼苗0.5 h时,大多数FtARFs基因被显著诱导表达。【结论】苦荞ARF基因结构和蛋白基序具有组间多样性和组内保守性,且具有组织表达特异性,9个茎秆特异表达的FtARFs基因响应IAA诱导,暗示其对苦荞茎秆伸长可能具有调控作用。     

番茄糖转运蛋白SlSTP2在防御细菌性叶斑病中的功能

【背景】近年来,我国番茄生产中面临的不良气候环境导致露地和设施栽培中番茄病害日益严重。由丁香假单胞菌番茄致病变种（Pseudomonas syringae pv. tomato,Pst）所引发的番茄细菌性叶斑病频发,严重影响了番茄的产量、品质。糖是植物体内重要的信号分子与营养物质,在植物遭受病原菌侵染时,糖既可以作为信号参与调控植物抗病性,也可以作为主要碳源为免疫反应提供能量。STP（sugar transport protein）家族是一类糖转运蛋白家族,在植物生长发育过程与病原防御中起着重要作用。【目的】明确番茄中STP家族是否参与调控植株对细菌性叶斑病的抗性。【方法】以番茄CR品种（Solanum lycopersicum cv. Condine Red）为材料,通过接种Pst DC3000,明确STP基因家族对Pst DC3000的响应。构建SlSTP2的突变材料与过表达材料,并进行鉴定、繁种。在野生型和SlSTP2基因突变体、过表达植株上接种Pst DC3000,观察比较叶片发病情况、台盼蓝染色显示的死细胞数量,检测叶片菌落数（colony-forming units,CFU）和光系统II实际光化学效率,明确SlSTP2在植株防御细菌性叶斑病中的作用。为探究SlSTP2防御Pst DC3000的内在分子机制,通过双分子荧光互补（bimolecular fluorescent complimentary,BiFC）试验筛选互作蛋白,构建编码该蛋白的基因突变与过表达材料,并接种Pst DC3000明确其在植株防御细菌性叶斑病中的作用。【结果】在番茄植株上接种Pst DC3000后,SlSTP1和SlSTP2表达上调,选取上调最显著的SlSTP2作为后续研究对象,构建其突变材料与过表达材料。在番茄野生型和Slstp2突变植株、OE:SlSTP2过表达植株上接种Pst DC3000,相比野生型植株,Slstp2植株细菌性叶斑病的发病情况更严重,叶片CFU与台盼蓝染色显示出的死细胞数均更多,光系统II实际光化学效率下降,OE:SlSTP2植株则相反。通过BiFC试验发现,SlSTP2与G蛋白β亚基SlAGB1互作。接种Pst DC3000后,Slagb1突变体发病较野生型重,呈现与Slstp2突变体一致的发病表型;OE:SlAGB1则与OE:SlSTP2植株同样表现出更强的抗性。【结论】SlSTP2受Pst DC3000诱导,并正调控番茄对细菌性叶斑病的抗性,且SlSTP2与正调控因子SlAGB1互作,推测SlSTP2调控番茄细菌性叶斑病抗性与SlAGB1有关。     

核桃叶斑病病菌菌丝体及孢子越冬存活研究

【目的】 研究核桃叶斑病病原菌Alternaria alternata的越冬方式及场所,为该病害的防控提供理论依据。【方法】 2016、2017年连续两年11月~翌年3月在洛浦县五个乡镇的观测园内,采用常规组织分离法、固体平板稀释涂布培养计数法,对病原菌菌丝体在不同器官组织、分生孢子在不同生境以及病原菌在土壤不同深度的存活情况进行调查。【结果】 核桃叶斑病病原菌主要以菌丝体在病落叶及树上病叶上越冬,分离率高达90%,其次是芽和主干树皮,分离率为87.67%、79.58%,而一年生侧枝及果实的病菌分离率较低;该病菌也可以分生孢子在树上、地表、土层5、10、15、20、30 cm病残体上越冬,其中10~15 cm土层病菌孢子的存活率最高,而30 cm处病菌孢子存活数量很少;并且发现该病原菌在0~20 cm的土壤中均能越冬,且土层越深病原菌存活数量越少,地表土的病菌数量与土壤中存在显著差异(P<0.05)。【结论】 核桃叶斑病病原菌可以菌丝体及分生孢子在病植株上、土壤病残体上及土壤中越冬。     

香梨黑斑病病原菌分离及拮抗菌筛选鉴定

【目的】从香梨树体中筛选出对香梨采后黑斑病病原菌具有拮抗作用的内生菌,为香梨采后生物保鲜奠定基础。【方法】采用组织分离法,对香梨采后黑斑病病原菌及梨树内生菌进行分离,采用ITS基因与16S rRNA基因引物分别对分离出的病原菌和拮抗菌进行测序,采用平板对峙法测定内生菌的拮抗效果,并对拮抗效果优良的拮抗菌采用离体果实进行防效测定。【结果】分离得到香梨采后黑斑病病害病原菌1株,鉴定为Alternatia alternata XL₂。从梨树叶片及枝条中分离出内生菌16株,其中8株对Alternatia alternata XL₂有抑制作用,8株拮抗菌均为芽孢杆菌属,分别为Bacillus velezensis 5株、Bacillus paralicheniformis 、Bacillus siamensis 和Bacillus tequilensis 各1株,牛津杯琼脂扩散实验中Bacillus velezensis NY₂、NY₇抑菌效果最佳,其次为NY₁₅,抑菌圈直径均可达20 mm以上。离体果实抑菌实验中短期效果最佳的为NY₂,使用第4 d时抑菌率可达80%以上,中长期效果较佳的为NY₁₁,使用第7 d天时仍可达20%以上。【结论】筛选获得2株优良的香梨采后黑斑病拮抗菌。     

小麦叶枯病病原菌的形态学与多基因系统学鉴定

为明确造成新疆塔城小麦主产区小麦叶枯、斑点现象的原因,确定致病菌,从塔城地区额敏县多地随机采集干枯叶片或带有不规则病斑的感病植株,通过常规组织分离法对病叶进行病原菌分离、纯化;通过针刺接种法进行致病性测定;结合形态学观察与多基因序列分析的方法鉴定病原菌种类。结果表明,经分离纯化得到76个链格孢属（Alternaria）菌株,经致病性测定均为致病菌株。通过形态学鉴定,76个菌株分别属于交链链格孢（A. alternata）、玫瑰链格孢（A. rosae）和侵染链格孢（A. infectoria）,其中,交链链格孢为主要致病菌,分离频率为50%。基于EF-1和Alt基因及ITS构建的系统进化树显示,选取的代表菌株YC3、LK19和LK3分别与交链链格孢、玫瑰链格孢、侵染链格孢菌聚为一支,同源性分别为100%、100%和99%,多基因鉴定结果与形态鉴定结果一致。由此表明,新疆塔城地区冬小麦田间出现的小麦叶枯现象为链格孢侵染发生,其病原菌为交链链格孢、玫瑰链格孢、侵染链格孢,以交链链格孢为主。     

苦荞FtCAD-1和FtCAD-2基因克隆及组织表达分析

【目的】克隆苦荞肉桂醇脱氢酶（CAD）基因并分析其组织表达特性,为深入研究CAD基因在苦荞果壳形成中的分子调控机制提供理论依据。【方法】基于苦荞转录组测序结果,从苦荞厚果壳品种云荞1号和薄果壳品种小米荞克隆CAD基因,对其序列进行生物信息学分析,并利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）检测CAD基因在不同果壳厚度类型（厚果壳苦荞和薄果壳苦荞）不同组织的表达情况。【结果】从薄果壳苦荞和厚果壳苦荞中均克隆获得2条苦荞CAD基因,且这2条基因序列在薄果壳苦荞与厚果壳苦荞中均完全一致,命名为FtCAD-1和FtCAD-2。FtCAD-1基因的开放阅读框（ORF）长度为876bp,编码291个氨基酸残基,为疏水性的稳定酸性蛋白,定位于细胞核和细胞质;FtCAD-2基因的ORF长度为1083bp,编码360个氨基酸残基,为亲水性的稳定酸性蛋白,定位于细胞质。FtCAD-1和FtCAD-2蛋白均具有CAD蛋白3个典型的保守结构域,且不具有跨膜结构域和信号肽,属于非分泌蛋白。FtCAD-1与数据库目标蛋白2cf5.1.B的结构相似度为74.74%,而FtCAD-2与数据库目标蛋白5z0c.1.A的结构相似度为63.03%。FtCAD-1与拟南芥的第一类CAD蛋白（AtCAD4和AtCAD5）的亲缘关系较近;FtCAD-2与拟南芥的第二类CAD蛋白（AtCAD2、AtCAD3、AtCAD6等）的亲缘关系较近。FtCAD-1和FtCAD-2基因均在种仁中的相对表达量最高,且厚果壳苦荞与薄果壳苦荞间无显著差异（P>0.05）。FtCAD-1基因在厚果壳苦荞叶、花和果壳中的相对表达量显著（P<0.05,下同）或极显著（P<0.01）高于薄果壳苦荞,尤其是在厚果壳苦荞果壳中相对表达量是薄果壳苦荞的16倍。FtCAD-2基因除了在薄果壳苦荞果壳中相对表达量显著高于厚果壳苦荞外,在其他组织中的相对表达量均表现为厚果壳苦荞高于薄果壳苦荞。【结论】FtCAD-1属于第一类CAD基因,具有明显的组织表达特异性,推测其在苦荞木质素生物合成过程中发挥重要调控作用。     

水稻黄绿叶突变体ygl3的鉴定与基因功能分析

【目的】 为了丰富和加深人们对植物叶色形成的分子机理认识,对水稻黄绿叶突变体ygl3（yellow green leaf 3）进行表型鉴定和基因克隆,阐明YGL3的分子功能,为解析YGL3调控水稻叶色形成的分子机理奠定基础。【方法】 从水稻中花11 CRISPR-Cas9敲除突变体库中鉴定出2份稳定遗传的等位黄绿叶突变体,命名为ygl3-1与ygl3-2,对突变体的表型进行鉴定,测定野生型和突变体苗期的叶绿素含量,运用透射电镜观察野生型和突变体ygl3的叶绿体结构。利用实时荧光定量PCR分析YGL3的组织表达模式,并使用BioXM 2.6软件对YGL3及其同源蛋白序列进行比对,采用酵母双杂交方法筛选YGL3的互作蛋白。【结果】 在苗期,与野生型相比,突变体ygl3叶片黄化,叶绿素、类胡萝卜素和总光合色素含量显著降低。透射电镜结果表明,突变体ygl3叶绿体形态异常,类囊体片层结构较少,而野生型叶绿体形态正常,类囊体片层结构排列有序。CRISPR-Cas9敲除位点鉴定结果表明,LOC_Os01g73450发生单碱基插入,导致蛋白翻译提前终止,该基因编码351个氨基酸的蛋白突变为55个氨基酸的截短蛋白。与野生型相比,LOC_Os01g73450的表达水平在突变体中显著下调。qRT-PCR结果表明YGL3在水稻根、穗、种子、叶鞘以及叶片中均有表达,且叶片中表达水平最高。YGL3编码一个质体定位的尿嘧啶核苷酸激酶。蛋白氨基酸序列比对表明YGL3蛋白在玉米、高粱、拟南芥等物种中均较为保守,与拟南芥同源蛋白氨基酸的同源性为59.4%。qRT-PCR结果表明,叶绿素合成基因（如HEMC、HEME和URO-D）在突变体ygl3中显著下调,而HEMB、HEMF和HEML等叶绿素合成基因在野生型与突变体之间无显著差异。酵母双杂交系统筛选水稻叶片酵母cDNA文库,发现YGL3与RNA编辑因子MORF8存在互作。【结论】 水稻黄绿叶突变体ygl3的表型是由LOC_Os01g73450突变导致,该基因与已报道的水稻黄绿叶基因YL2/YGL8等位。YGL3在叶片中高度表达,同时YGL3与MORF8在酵母中互作。     

红橘响应褐斑病菌侵染的转录组学分析

【目的】 明确红橘（Citrus reticulata Blanco, cv. Hongjv）接种褐斑病致病菌——链格孢菌橘致病型（Alternaria alternata tangerine pathotype）后基因种类和表达量在转录水平的变化规律,确定红橘响应该致病型侵染的关键基因。【方法】 采用链格孢菌橘致病型接种红橘离体叶片,28 h后选取感病叶片和未接种叶片提取RNA,进行转录组高通量测序,然后利用生物信息学分析,以甜橙基因组为参考,以|log₂ fold change|≥1,q-value≤0.01为阈值选取感病和健康红橘叶片转录组的差异表达基因,应用GO数据库对差异表达基因（differentially expressed gene,DEG）进行功能分类,KEGG分析代谢途径,MapMan软件分析生物胁迫信号通路相关基因的表达变化。采用qRT-PCR方法对测序结果进行验证。【结果】 红橘接种链格孢菌橘致病型28 h后产生大量与胁迫相关的差异表达基因,获得上调差异基因5 173个,下调差异基因6 555个。GO功能分类显示差异基因主要与蛋白结合、膜、氧化还原过程等相关。通过KEGG富集和MapMan软件分析发现,红橘在受链格孢菌橘致病型胁迫的过程中基础代谢被严重破坏。乙烯、水杨酸和生长素等寄主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,其中乙烯起主导作用,乙烯受体ETR 3个成员被不同程度激活,下游激酶和乙烯响应因子均上调,生长素大部分关键信号基因、绝大部分生长素响应因子ARF和水杨酸合成途径的基因均下调表达。同时,黄酮醇、花青素、萜类化合物和生物碱合成相关基因受该菌诱导显著变化,萜类合成中大部分基因下调,而黄酮类合成相关上调基因数量和表达趋势均强于表达下调基因,有抗虫和抑菌作用的硫代葡萄糖苷基因呈上调趋势。进一步研究发现,大量参与抗逆过程的转录因子如WRKY、bZIP、ERF、MYB、NAC被诱导激活,其中大部分WRKY和bZIP转录因子受该菌正向调控,超过50%的ERF家族基因表达上调;在转录因子调控下,PTI及ETI响应基因如受体激酶、R蛋白、NBS抗病蛋白等大量表达,多个PR家族抗菌蛋白基因上调表达,22个抗氧化保护酶系统POD成员基因受到活性氧信号激发大量表达。以上结果表明链格孢菌橘致病型侵染对寄主内部生理状态产生显著影响。选取了19个与植物抗病相关基因进行qRT-PCR分析,其基因表达趋势与测序数据一致。【结论】 获得了红橘响应链格孢菌橘致病型侵染的差异表达基因及显著上调表达基因,其主要富集于代谢过程、应激反应及转录调控等条目中,这些基因的相互协同调控是红橘对该致病型产生防御反应的重要机制。     

苦荞愈伤遗传转化体系的优化及用于FtCHS1的过表达分析

【目的】建立和优化苦荞愈伤组织遗传转化体系,为苦荞基因功能验证及分子育种提供研究工具。【方法】以苦荞品种“西荞二号”为材料,对苦荞愈伤遗传转化条件进行优化,包括苦荞外植体类型、诱导愈伤的激素比例、继代培养基的激素比例及农杆菌类型。利用苦荞类黄酮生物合成关键酶基因FtCHS1的过表达验证优化后的遗传转化体系。通过PCR筛选和荧光观察鉴定阳性株系,采用紫外分光光度法和高效液相色谱法（high performance liquid,HPLC）测定花青素及黄酮醇支路代谢物含量,使用实时荧光定量PCR分析类黄酮合成相关基因的表达,比较FtCHS1过表达愈伤组织与对照组的差异。【结果】苦荞诱导愈伤组织的最佳外植体为下胚轴,其最适诱导培养基为MS+0.8 mg·L^-1 6-BA+3.5 mg·L^-1 2,4-D,诱导率达72%;最优继代培养基为MS+3 mg·L^-1 6-BA+1 mg·L^-1 KT,愈伤组织增殖率与增殖系数分别为98%和1.09;转化过程中的最佳农杆菌是GV3101,转化效率达31.3%;FtCHS1过表达愈伤组织中,花青素、芦丁和杨梅素的含量显著高于对照（P<0.05）,山奈酚和槲皮素的含量极显著高于对照组（P<0.01）;外源FtCHS1的过表达对转基因愈伤组织中5个内源同源基因FtCHSs的表达水平没有影响（P>0.05）,而FtCHI、FtF3H、FtFLS1、FtFLS2、FtFLS3和FtDFR1等黄酮合成途径关键酶基因均上调表达（P<0.05）。此外,特异性正调控黄酮醇合成的转录因子基因FtMYB5和FtMYB6上调表达,而花青素合成抑制子基因FtMYB8的表达降低（P<0.05）。【结论】建立了苦荞愈伤组织遗传转化体系,过表达FtCHS1的苦荞愈伤组织通过上调黄酮合成相关基因的表达增加类黄酮物质的积累。