玉米opaque2突变体子粒表型及营养成分分析

通过回交转育构建o2突变型的近等基因系CAL58/o2,对其子粒进行扫描电镜和透射电镜观察,发现与CAL58相比,CAL58/o2中淀粉颗粒排列松散,形状更加规则,CAL58/o2子粒中蛋白体体积变小。分析子粒的营养成分,CAL58/o2赖氨酸含量极显著提高了55.88%,氨基酸总量显著减少9.79%,粗蛋白显著减少8.86%,粗脂肪显著增加30.96%,粗淀粉显著增加5.87%。同时,提取成熟子粒醇溶蛋白进行比较,CAL58/o2子粒的α、β-醇溶蛋白含量明显降低,γ-醇溶蛋白含量增加。     

郑58/opaque2近等基因系中opaque2基因突变位点分析与高效分子标记开发

opaque2突变体材料是最常用的高赖氨酸玉米供体。对已获得的郑58/o2近等基因系研究表明,胚乳发育不同时期22-kDα-醇溶蛋白的积累均明显低于郑58。荧光定量PCR结果表明,α-醇溶蛋白家族基因Z1A、Z1B、Z1C和Z1D的表达均显著低于郑58。郑58/o2胚乳发育不同时期Opaque2基因均正常表达。测序分析发现,郑58/o2中o2基因ATG后713 bp处缺失10个碱基,ORF预测Opaque2蛋白翻译提前终止。针对突变缺失位点开发基因内分子标记o2-indel-1,利用该标记进行回交转育,结果表明,o2-indel-1与o2突变表型完全连锁,错选率为0。opaque2基因突变位点的解析有助于高效分子标记的开发,有效降低错选率,提高优质蛋白鲜食玉米多基因聚合育种的选择效率。     

转小麦 TaPDI-A、 TaTRXh-A和 TaPP2Ac-D基因拟南芥植株的主要抗旱性研究

核氧还蛋白（nucleoredoxin,NRX）可通过还原目标蛋白的二硫键来调控其生物活性,在植物的生长发育和抗逆境胁迫中发挥着重要作用。蛋白质二硫键异构酶（protein disulfide isomerase,PDI）、h型硫氧还蛋白（h-type thioredoxin,TRXh）和蛋白磷酸酶2A催化亚基（protein phosphatase 2A catalytic subunit,PP2Ac）是小麦核氧还蛋白TaNRX1的互作蛋白。为了明确TaNRX1互作蛋白的抗旱性功能,本研究在拟南芥中过表达了小麦 TaPDI-A、 TaTRXh-A和 TaPP2Ac-D基因,对野生型和转基因拟南芥的表型和抗旱相关生理指标进行了鉴定。结果表明,干旱胁迫处理后,转 TaPDI-A、 TaTRXh-A和 TaPP2Ac-D基因拟南芥的根长、存活率、脯氨酸含量均大于野生型,离体叶片失水率、丙二醛（MAD）含量均小于野生型。二氨基联苯胺（diaminobenzidine,DAB）对H₂O₂组织定位染色结果表明,干旱胁迫处理后,转 TaPDI-A、 TaTRXh-A和 TaPP2Ac-D基因拟南芥的H₂O₂含量均低于野生型。上述结果说明,TaNRX1的互作蛋白基因 TaPDI-A、 TaTRXh-A和 TaPP2Ac-D增强了拟南芥对于干旱胁迫的抵抗能力。本研究可为小麦抗旱育种提供候选基因和理论基础。     

玉米shrunken2突变体中醇溶蛋白合成相关基因的表达分析

利用SDS-PAGE和荧光定量PCR,研究shrunken2(sh2)突变体子粒胚乳发育不同时期醇溶蛋白的积累以及醇溶蛋白合成相关基因的表达情况。结果表明,与郑58相比较,sh2中氨基酸组分变化与opaque2(o2)相似,赖氨酸含量升高,同时谷氨酸和亮氨酸含量下降。SDS-PAGE结果显示,胚乳发育不同时期sh2中醇溶蛋白的积累均明显低于郑58,而且sh2中19-kDa α-醇溶蛋白积累明显减少。荧光定量PCR结果表明,sh2突变体中对于Z1A、Z1B和Z1D家族基因的抑制较为显著。sh2突变体中prolamine-box binding factor (PBF)表达量升高,opaque2(o2)表达下降。因此,sh2突变体同时影响淀粉、氨基酸、贮藏蛋白等的代谢。     

玉米品质相关的opaque基因研究进展

玉米中的opaque突变体改变了胚乳的蛋白特性,导致胚乳表现柔软且不透明的粉质状。粉质胚乳的高赖氨酸营养特性引起人们的极大关注,研究人员先后发现了13个opaque胚乳突变体,只有o2的分子机理研究较为清楚,对提高赖氨酸含量的作用最大。为了研究胚乳中储藏物质合成、装配、转运的调控机理,从而将这些有益突变基因应用于农业生产,研究人员继而发现了多个胚乳修饰的主效位点及基因(Opm)。本文综述玉米opaque突变体及相关基因的研究进展,对当前育种中利用该类基因培育优质蛋白玉米(QPM)的研究状况进行分析,为高赖氨酸玉米的分子标记辅助选择(MAS)和基因聚合育种提供参考。     

玉米Opaque-2基因在毕赤酵母中的表达

从玉米自交系辽2345授粉后18 d的胚乳中提取总RNA,经反转录后得到第一链cDNA,利用Opaque-2基因的特异引物克隆出该基因的全编码区,将该编码区的全序列以正确的阅读框架利用Infusion同源重组的方法亚克隆到毕赤酵母表达载体pPIC9的α因子下游,并置于AOXⅠ启动子控制下,利用pPIC9表达载体上的特异引物进行PCR鉴定,鉴定后的重组质粒用Bgl Ⅱ酶切线性化后,电转化导入甲醇型毕赤酵母菌株GS₁15中,利用MM、MD和菌落PCR的方法筛选出Mut⁺表型,得到的重组子以甲醇诱导表达蛋白。经SDS-PAGE结果显示,Opaque-2蛋白得到表达,其相对分子质量（Mr）约为47 KD。     

玉米雄性不育突变体ms1153的遗传分析与基因定位

以玉米雄性不育突变体ms1153为材料,通过减数分裂期花粉母细胞染色体观察和不同发育时期花药石蜡切片分析突变体不育表型产生的原因,利用F₁和F₂群体确定突变体MS1153的遗传方式和基因ms1153物理位置。结果表明,与野生型相比,突变体植株在营养生长期无明显差异,在生殖生长阶段花药不能从颖壳外露,成熟花粉粒内无淀粉积累。细胞学分析发现,突变体减数分裂过程正常,但减数分裂后绒毡层降解推迟。遗传分析表明,突变体ms1153的不育性状受1对隐性核基因控制。利用图位克隆的策略将MS1153基因定位于玉米第4染色体分子标记8243与8275之间,物理区间为221.4~226.2 Mb,此区间内没有已克隆雄性育性基因,说明MS1153是一个新的玉米雄性育性基因。     

玉米突变体库创制及雄性不育突变体鉴定

通过钴60辐射诱变京科糯2000获得了一个糯玉米突变体库。从该突变体库中鉴定出71个不同类型的雄性完全不育的突变体。通过候选基因分析和表型-突变基因共分离鉴定,从无花粉突变体中鉴定到一个ms8突变体,一个花药缺失突变体鉴定为silky1突变体。两个突变体均表现出雄性完全不育,而营养生长和雌穗结实正常,适用于雄性核不育杂交制种技术的研究和应用。     

玉米PRC2基因在子粒发育过程中的表达分析

以玉米自交系昌7-2授粉后不同天数的玉米子粒为研究对象,通过实时荧光定量PCR技术,对玉米中3个Polycomb Repressive Complex 2基因(PRC2)Mez1(Maize enhancer of zeste 1)、Fie1(Fertilization independent endosperm 1)和Vef101(VEF family protein 101)在授粉后不同天数的表达情况进行研究。结果表明,Mez1、Fie1和Vef101在授粉后子粒发育不同阶段均有表达,Fie1在子粒发育过程中呈先上升后下降的趋势,授粉后10 d表达量最高,表明Fie1可能在子粒由胚胎形成到干物质积累的过渡时期发挥调控作用;Mez1在子粒发育过程中呈先下降后上升的趋势,授粉后10 d表达量最低,子粒发育后期表达量明显上升,表明Mez1可能在子粒淀粉积累过程中发挥调控作用;Vef101只在授粉后5 d的子粒中呈现高表达,其他时期表达量均较低,表明Vef101可能在玉米子粒发育早期胚胎形成过程中发挥调控作用。     

高粱EPSPS基因的克隆、修饰及在玉米中的功能验证

针对草甘膦结合位点,对高粱5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（EPSPS）基因进行4种定点修饰,将修饰后的基因分别导入到玉米中。通过对转化体的抗性鉴定,确定将高粱EPSPS基因106位的脯氨酸变为丝氨酸（P106S）能够赋予转基因玉米草甘膦抗性。在喷施4倍的草甘膦时抗性事件CL38-1不产生药害。Southern杂交结果表明,目标基因在该转化事件中稳定遗传,转化其余3种EPSPS基因的植株对草甘膦没有足够的抗性。     

玉米opaque2近等基因系中相关基因的表达量分析

Opaque2(O2)基因编码产生OPAQUE2蛋白,该蛋白为碱性亮氨酸拉链家族的一种转录因子,可作用于基因的启动区,调控基因的转录。辽2345/o2为本实验室构建的辽2345的opaque2(o2)基因回交导入系,蛋白组学分析表明,辽2345与辽2345/o2在授粉后18 d的胚乳细胞中表达蛋白的种类和数量存在很大差异,从中筛选出差异较明显的9种蛋白质。为了进一步验证O2与9种蛋白间的作用关系,应用相对荧光定量PCR的方法对9种蛋白进行了RNA水平表达量的检测。结果表明,在胚乳发育过程中Chfi很可能受到O2的抑制作用,O2很可能对Ubc、Lgl、Sdh、LOC541920、Shmt、Ppdk等基因存在某种促进或激活作用。     

玉米脂肪酸α-双加氧酶cDNA克隆与表达分析

以玉米自交系丹340为实验材料,同源克隆到玉米脂肪酸α-双加氧酶基因(ZmDOX)cDNA序列,并利用半定量与定量RT-PCR分析其在不同组织和PEG胁迫下的表达特征。序列分析结果表明,该cDNA序列包含1 857 bp完整的开放阅读框,编码619个氨基酸残基的蛋白产物。玉米、水稻、小麦中DOX氨基酸序列高度同源,聚集在同一进化枝,而双子叶植物存在两类DOX蛋白。组织表达特征分析发现,ZmDOX在根、茎、叶中均有表达,其中在根中表达量最高。PEG胁迫条件下,根中ZmDOX对胁迫的响应较快且增加幅度较大,而在叶中表达量有降低的趋势。     

玉米ZmFAR1基因的克隆与表达分析

FARs为脂酰辅酶A还原酶,在植物生长发育和抵御非生物胁迫过程中起着重要作用。为进一步研究FARs在玉米中行使的生物学功能,在玉米中克隆1个脂酰辅酶A还原酶1基因(ZmFAR1),该基因全长1 883 bp,开放阅读框长1 491 bp,编码496个氨基酸,分子量为55.983 k Da。生物信息学分析表明,ZmFAR1蛋白的分子式为C₂₅₂₂H₄₀₁₀N₆₉₀O₇₀₁S₂₄,为稳定的碱性亲水蛋白,存在59个磷酸化位点,未发现信号肽,存在跨膜结构域,最大可能定位于细胞质。氨基酸残基组成中主要以α螺旋和无规则卷曲为主。系统进化树分析表明,ZmFAR1蛋白与南荻和高粱的FAR蛋白相似度最高。利用实时荧光定量PCR技术对ZmFAR1在模拟盐、干旱两种非生物胁迫条件下对根、茎、叶3种组织的表达模式进行研究,结果表明,ZmFAR1呈现组织特异性表达,在叶中的表达量最高。盐和干旱处理下,ZmFAR1的表达量出现明显变化,推测ZmFAR1可能在不同程度参与了玉米对非生物胁迫的应答。     

玉米胚乳突变体Wrk1基因定位及候选基因预测

Wrkl是在EMS诱导群体中分离得到的玉米胚乳显性突变基因.Wrk1突变体玉米胚乳严重皱缩,导致玉米子粒的千粒重降低30％～50％.研究利用B73为回交亲本构建BC1分离群体,通过9 800个单株把Wrk1基因定位在开发的SSR标记Mssr1824和Mssr2042之间,二者之间的物理距离约1.2 Mb.在此基础上,另外构建一个以M017为回交亲本的BC1群体,通过11280个单株把Wrk1基因定位在开发的SSR标记Mssr1916.2和Mssr1838之间,二者之间的物理距离约185 kb.通过基因预测和注释,发现在该区域内有7个候选基因,为Wrk1基因的最终克隆奠定了基础.