野生二粒小麦叶绿体基因RNA编辑位点的预测、鉴定与分析

RNA编辑是高等植物叶绿体基因转录后表达调控的一种重要方式。为了解野生二粒小麦叶绿体基因RNA编辑的组成及其与其他麦类作物的异同,通过生物信息学预测结合RT-PCR的方法,对野生二粒小麦叶绿体基因的RNA编辑位点进行了预测和鉴定。生物信息学预测共发现了分布于15个基因上的35个编辑位点,均为C到U的转换,其中ndhB基因包含的编辑位点数量最多,达9个;在此基础上,随机选取5个基因对其编辑位点进行了测序验证,结果共鉴定了18个C→U的编辑位点;进一步对编辑后编码蛋白的二级结构和跨膜结构域进行了预测,发现编辑后所有基因均发生了二级结构的改变,但只有ndhB基因的跨膜结构域发生了改变;最后,将确定的野生二粒小麦叶绿体基因RNA编辑位点与7个禾本科物种的RNA编辑位点进行比较,共发现17个编辑位点在这些种间具有保守性,相比于其他物种,野生二粒小麦与普通小麦和粗山羊草具有更相似的编辑位点组成。     

大麦叶绿体基因RNA编辑位点的预测与鉴定

RNA编辑是一种特殊的转录后加工过程,是陆生植物叶绿体基因组在转录后水平上调控基因表达的一种重要方式。为了给研究叶绿体基因RNA编辑功能及其发生机制提供依据,以栽培大麦为研究对象,采用生物信息学方法对其叶绿体的83个蛋白编码基因的RNA编辑位点进行预测和分析。结果在16个基因中发现了37个RNA编辑位点,且均为C到U的转换,其中5个发生在密码子的第一位,32个发生在密码子的第二位,未发现发生在密码子第三位的RNA编辑;采用blast工具,与NCBI数据库中的大麦EST序列进行了对比,确定其中的34个编辑位点是真实存在的,其中ndhB基因最多,为8个编辑位点;进一步利用生物信息学工具分析了ndhB中RNA编辑对其编码蛋白质的跨膜结构域和二级结构的影响,结果表明,ndhB 467的编辑会引起蛋白质跨膜结构的增加,ndhB 149的编辑会引起蛋白质二级结构的改变。最后还将预测的大麦编辑位点与其他4种禾本科叶绿体的编辑位点进行了比较。     

粗山羊草叶绿体基因RNA编辑位点的鉴定与分析

RNA编辑是高等植物叶绿体基因转录后表达调控的一种重要方式。本研究利用生物信息学方法,预测出粗山羊草叶绿体基因组分布于15个蛋白编码基因的34个RNA编辑位点,均为C到U的转换,其中以ndhB最多,有9个编辑位点。通过与数据库中EST和高通量测序数据(SRA)进行比对分析,检测到分布于20个基因的29个编辑位点。综合上述研究结果,最终确定分布于9个基因的10个RNA编辑位点是真实存在的。分析这些位点RNA编辑现象对蛋白质结构的影响,发现ndhB编辑后β-折叠数增加,跨膜结构增加。这是首次有关粗山羊草叶绿体蛋白编码基因RNA编辑位点的报道。与禾本科水稻、玉米、大麦、黑麦和甘蔗的叶绿体RNA编辑位点进行比较,表明粗山羊草与黑麦、大麦的亲缘关系较近。本研究结果可为解析粗山羊草叶绿体基因的表达调控和探讨禾本科物种的起源进化提供理论依据。     

二穗短柄草叶绿体RNA编辑位点的预测及其鉴定

RNA编辑是陆生植物叶绿体转录后基因表达调控的一种重要方式。为进一步探讨单子叶植物RNA编辑功能及其发生机制,本研究通过生物信息学方法,对二穗短柄草叶绿体的81个蛋白编码基因的RNA编辑位点进行了预测和鉴定分析,结果发现78个基因存在编辑位点,共检测到176个编辑位点,都是C到U的转换。其中ndhB最多,为14个编辑位点。为验证预测结果,利用blast工具比对了NCBI的二穗短柄草EST数据库,最终确定存在于17个基因中的34个编辑位点是真实存在的,其中19个为沉默编辑,15个为有效编辑。与5个不同单子叶禾本科物种18个蛋白编码基因的RNA编辑位点的比较发现,在rpoB-206位点,只有二穗短柄草发生了编辑,且只有ndhD-295(293)为部分编辑位点。     

小麦属植物叶绿体基因组结构的比较分析

为了从叶绿体角度解析小麦属植物的起源进化关系,以14个小麦属植物叶绿体基因组为对象,利用比较基因组分析方法,比较了小麦属植物的叶绿体基因组基因含量、序列变异、结构特性、进化关系和RNA编辑的异同。结果发现,14个小麦属植物叶绿体基因组大小相近,结构特征比较保守,但基因数量存在一定的差异,主要是由于tRNA的数目不一致引起的;IR区的伸缩分析发现硬粒小麦和乌拉尔图小麦在IRb-SSC边界基因存在明显的差异,其他麦类作物间差异很小;基于叶绿体全基因组的系统进化分析发现,有AABB基因型的物种聚在一起,而AAGG型的单独为一支,基本反映了其系统进化关系;对这14个叶绿体基因组的RNA编辑位点进行了预测和比较分析,发现有35个编辑位点在所有小麦属物种中均发生,同时还鉴定到多个物种特异的编辑位点,为从RNA编辑角度解析小麦属植物的系统进化关系提供了重要数据。     

基于RNA-seq技术分析野生大麦穗部发育基因的表达谱及其转录动态

为明确野生大麦穗部发育过程中基因表达的动态变化,以来自以色列的野生大麦Mehula 1-2为材料,对其在穗部发育的4个关键时期（开花后3、8、13和18 d)进行RNA-seq分析,并与栽培大麦穗部的基因表达谱进行了比较。结果表明,在野生大麦穗发育的4个时间点共鉴定到17 163个基因,其中11 273个为差异表达基因,包括635个转录因子相关基因;功能富集分析表明,这些差异基因主要富集到物质合成、代谢过程、物质运输、抗逆等相关过程或通路上;野生大麦和栽培大麦穗部基因的表达谱比较分析发现,两者共同表达的基因显著富集到细胞器、催化、代谢、调节及抗逆等相关通路上,而在特异表达基因方面,栽培大麦主要集中于甲基转移酶、次生壁生物合成、核糖体蛋白等相关基因,野生大麦主要集中于逆境抗性、花青素合成、钙调蛋白等相关基因。本研究发掘的与穗部发育相关的关键基因,丰富了大麦穗部遗传改良基因资源,为进一步解析野生大麦穗部发育关键基因的表达特性和调控机制奠定了基础。     

高良姜叶绿体基因组测序与特征分析

为了探究高良姜的叶绿体基因组特征及其系统进化发育关系,本研究以高良姜总DNA为材料,采用NovaSeq高通量测序平台进行高良姜叶绿体基因组测序,并基于生物信息学方法进行高良姜叶绿体基因组的图谱构建及注释分析。结果表明：高良姜叶绿体基因组全长162 137 bp,呈典型的环状四段式结构,包括87 264 bp的大单拷贝区、15 349 bp的小单拷贝区以及2个29 762 bp的反向互补重复区;共编码132个基因,其中蛋白编码基因86个、核糖体RNA基因8个以及转运RNA基因38个。高良姜叶绿体基因组密码子偏好性较弱,偏向于以A/T碱基结尾。碱基替换分析表明,高良姜叶绿体基因组中大多数编码基因的碱基替换没有引起氨基酸的改变。基于20种物种叶绿体基因组的系统发育分析发现,高良姜与同属植物艳山姜、益智的亲缘关系更近。本研究获得了高良姜的叶绿体基因组特征信息,为高良姜资源保护、遗传进化和品种选育奠定了基础。     

青稞B组醇溶蛋白基因5''上游调控区的TAIL-PCR克隆及序列分析

为了阐明青稞种子中B组醇溶蛋白合成的遗传调控机制,为分子改良大麦和小麦籽粒品质奠定基础,以青稞品种Z09和Z26的基因组DNA为模板,根据已克隆的青稞B组醇溶蛋白(B-hordein)基因的5'端序列设计三个基因特异的反向引物,分别与随机简并引物配对,进行热不对称嵌套PCR(Thermal asymmetric interlaced PCR,TAIL-PCR)扩增,从两份西藏青稞材料中分离克隆出2个B-hordein基因的上游调控序列.序列测定结果表明,两个扩增片段长度分别为395和396 bp,加上已知B-hordein基因中的GSP2引物序列与翻译起始密码子之间198 bp的长度,则可得到约600 bp的B-hordein基因5'上游调控序列.将所得序列与Genbank中的三个贮藏蛋白基因的对应区段进行序列比对,所得序列与来自野生智利大麦(H.chilense)的B3-hordein基因(Genbank登录号:AY998010)、普通小麦(T.aestivum)的低分子量麦谷蛋白亚基基因(Genbank登录号:X07747)和栽培大麦(H.vulgare)的B-hordein基因(Genbank登录号:X03103)具有81%～95%的序列相似性.推测其TATA box位于-80 bp,CAAT-like box位于-140 bp处.另外,在-300 bp处存在一个胚乳盒(Endosperm Box,EB),包含EM基序和GCN4基序.EM基序高度保守,GCN4基序有一个核苷酸位点的突变.此外,在约-560 bp处存在一个胚乳盒类似结构.     

大豆MPBQ-MT基因的克隆与生物信息学分析

以大豆品种合丰25和Bayfield为材料,克隆大豆2-甲基-6-植基-1,4-苯醌甲基转移酶(MPBQMTase)基因,获得1 029 bp的MPBQ-MT基因c DNA序列。通过序列比对发现10个大豆MPBQ-MT基因c DNA区内的潜在SNP位点。采用生物信息学方法分析MPBQ-MT基因编码的氨基酸序列和蛋白质结构。结果表明:MPBQ-MT基因CDS区共编码342个氨基酸,其中缬氨酸(Val)含量最多,占该基因编码氨基酸总数的8.8%;半胱氨酸(Cys)含量最少,占该基因编码氨基酸总数的1.2%;MPBQ-MT蛋白N端包含由58个氨基酸组成的叶绿体转运肽,为亲水性蛋白质。合丰25与Bayfield的MPBQ-MT蛋白质二级结构有所不同,2个品种的MPBQ-MT蛋白质中α-螺旋分别约占25.44%和27.49%,β-转角分别约占9.36%和9.06%,无规则卷曲分别约占40.35%和38.60%。2个品种的MPBQMT蛋白质中片层结构均约占24.85%。两个品种的MPBQ-MT蛋白质均有1个S-腺苷基甲硫氨酸结合位点。对MPBQ-MT蛋白三级结构进行预测,发现去掉转运肽后,MPBQ-MT蛋白质三级结构主要由11个连续的α-螺旋区域和8个连续的片层结构区域组成。结合MPBQ-MT蛋白三级结构对MPBQ-MT基因的生物学功能进一步分析,提出了较为合理的MPBQ-MT作用模型。由系统发生树可知MPBQ-MT蛋白在大豆与菜豆中的亲缘关系较近。     

一年蓬叶绿体基因组特征及系统进化分析

一年蓬（Erigeron annuus）作为一种入侵植物，对我国农林业发展、本地物种多样性及生态系统具有严重的影响。本研究利用Illumina NovaSeq 6000测定一年蓬的DNA序列，采用SPAdes v3.10.1软件组装一年蓬叶绿体基因组，以小蓬草（Erigeron canadensis, MT806101.1）叶绿体基因组为参考，对一年蓬叶绿体基因组结构、特征、SSR位点、IR边界以及进化树进行分析，结果表明：一年蓬叶绿体基因组全长为153 283 bp,AT、GC含量分别为62.95%、37.05%。包括大单拷贝区（LSC）84 833 bp，小单拷贝区（SSC）18 412 bp，反向重复区（IRa和IRb）25 019 bp，一年蓬叶绿体基因组共编码到132个基因，包括蛋白编码基因88个，转运RNA基因36个，核糖体RNA基因8个。按照功能分类将它们分成四大类：光合作用相关基因共45个、自我复制相关基因共73个、其他基因共6个、未知功能基因共8个。在一年蓬叶绿体基因组中共查找200个符合条件的SSR位点，分布在LSC、SSC、IR区域的SSR数量分别为126、40、...     

青海BYDV-GAV青稞分离物基因组克隆及结构特征分析

大麦黄矮病毒(Barley yellow dwarf viruses,BYDVs)病是一种在世界范围内发生危害的禾谷类作物病毒病害。2014年笔者在对青海重要作物病毒病调查时发现田间青稞作物上有疑似BYDVs危害的症状,利用BYDVs引物对田间采集的9份典型症状病样进行了RT-PCR检测,结果均扩增到目的条带(约300bp),随机抽选样品进行序列测定,BLAST分析结果显示其与BYDV-GAV同源性最为接近(99.2%)。为进一步明确该分离物的分类地位及基因组结构特征,根据已测定的BYDV-GAV序列设计全长扩增引物,利用分段法克隆了其全基因组序列,发现其全长为5 683bp,具有典型的黄症病毒属的特征,编码6个ORF,有4个非编码区(UTR)。基因组序列聚类进化分析结果显示,其与BYDV-GAV聚类于同一分支,与中国陕西渭南小麦分离物亲缘关系较近。以上结果说明,该分离物是BYDV-GAV的一个分离物,这是青海BYDV-GAV青稞分离物全基因组的首次报道。     

利用SSR引物分析西藏青稞种质资源的遗传多样性

为了评价西藏青稞种质资源的遗传多样性,用260对SSR引物对来自青藏高原主要农区的75份青稞育成品种、17份野生大麦、39份青稞地方品种和44份国外大麦材料的遗传多样性进行了分析.结果表明,从260对SSR引物中筛选出23对多态性高的引物,占筛选引物的8.1％.23对SSR引物在西藏野生大麦中共扩增出稳定、清晰的条带92条,多态性条带为81条,其比例为88.04％;在西藏青稞地方品种中共扩增出稳定、清晰的条带89条,多态性条带为78条,其比例为87.6％;在青稞育成品种中共扩增出稳定、清晰的条带109条,多态性条带98条,其比例为89.9％;在引进材料中共扩增出稳定、清晰的条带64条,多态性条带53条,其比例为82.8％.遗传多样性分析结果为青稞育成品种(0.9882)＞西藏野生大麦(0.8033)＞西藏青稞地方品种(0.5820)＞国外大麦材料(0.4218).聚类与主坐标分析表明,实验材料可以清楚的分为4类,西藏野生大麦分在两个类群,西藏青稞地方品种分在两个类群,引进大麦材料分在一个类群,青稞育成品种分在四个类群.同一来源地区的青稞育成品种遗传基础较为狭窄,不同地区间的青稞育成品种遗传差异较大.以上结果说明,在西藏青稞新品种选育和遗传改良中,在发掘和利用西藏野生大麦资源、西藏青稞地方品种资源的同时,更应该加强不同地区青稞育成品种资源的交换和配合使用.     

不同分类大麦籽粒大小及粒重的差异分析

为改良大麦籽粒性状,依据棱型、皮裸及选育水平对125份大麦材料按3种不同分类方式进行分组,比较了组别间的粒重、粒长、粒宽及粒厚的差异及各性状间的相关性。结果表明,大麦粒重与棱型相关,与皮、裸无相关性,二棱大麦粒重(46.89mg)显著高于六棱大麦(35.71mg)。就籽粒长而言,皮大麦长于裸大麦,二棱大麦长于六棱大麦,以野生大麦最长,为13.19mm;人工驯化和品种选育使大麦粒长有所变短。二棱大麦的粒宽(3.55mm)显著大于六棱大麦(3.26mm);粒宽在皮、裸大麦间无显著差异。粒厚变异与粒宽类似,野生大麦的粒厚最小(1.69mm)。相关分析表明,大麦粒重主要由粒宽、粒厚决定,且后两者呈极显著正相关。     

青稞籽粒淀粉含量的差异

为筛选特色淀粉青稞材料,采用双波长法测定和分析了来自西藏、青海、甘肃、四川、国外的栽培青稞以及野生裸大麦共469个青稞材料的直链和支链淀粉含量。结果表明,这些青稞材料的直链淀粉含量平均为24.65%,变异范围为4.09%（昆仑8号）~39.72%（长芒红四棱）,其中西藏材料最高（26.87%）,甘肃材料最低（21.23%）;支链淀粉含量平均为31.76%,变异范围为15.24%（康青1号）~60.09%（喜玛拉雅2号）,其中野生裸大麦最高（35.51%）,西藏材料最低（30.17%）;总淀粉含量平均为56.00%,变异范围为31.28%（阿青5号）~74.41%（阿里当地青稞）,以野生裸大麦最高（58.11%）,青海材料最低（54.19%）。根据淀粉含量分布特征将不同来源青稞材料间直、支链及总淀粉含量都分成4个级别,这些青稞材料的直链淀粉含量主要分布在第3级,支链和总淀粉含量主要分布在第2级。从中筛选出18份具有特殊淀粉含量的青稞材料,可用于专用青稞的培育。     

Comparison of infection with Fusarium head blight and accumulation of mycotoxins in grain of hulless and covered barley

We have evaluated 145 covered and 29 hulless barley genotypes artificially infected with Fusarium graminearum Schw. in a field experiment. Significant genetic variation for Fusarium head blight severity measured by the area under the disease progress curve and for mycotoxin contamination was found among covered and hulless barley lines. The overall mean area under the disease progress curve of covered and hulless barley did not differ significantly. Twenty-nine hulless-covered pairs with approximately the same disease severity were chosen for analysis of mycotoxins (B-trichothecenes) in the harvested grain. The average content of deoxynivalenol of the 29 covered and 29 hulless barley samples was 15,520 and 12,964 μg kg⁻¹, respectively. The mean deoxynivalenol, 3-acetyl-deoxynivalenol and 15-acetyl-deoxynivalenol content of covered barley was significantly higher than that of hulless barleys (p<0.01), whereas for nivalenol there was no significant difference between the mean values of covered and hulless barley. Hulless barley appears to be less prone to accumulation of mycotoxins in the harvested crop than covered barley most likely because a considerable proportion of the mycotoxin resides in the barley hulls.