小麦蛋白磷酸酶2A结构亚基基因TaPP2Aa的功能标记作图

 【目的】开发小麦抗旱相关蛋白磷酸酶结构亚基基因TaPP2Aa的功能标记并作图,为分子标记辅助选择抗逆育种提供依据。【方法】测序得到普通小麦及其野生近缘种TaPP2Aa的基因序列,分析其SNP位点差异,设计3对基因组特异引物和6对基因组内等位基因特异引物,利用中国春缺四体对TaPP2Aa进行染色体定位,利用RIL群体（Opata 85×W7984）和DH群体（旱选10号×鲁麦14）进行该基因的功能标记作图。【结果】TaPP2Aa定位于小麦第5同源染色体群上;TaPP2Aa-B位于RIL群体5B的标记区间Xwg909—Xgwm67,与2个标记的遗传距离分别为4.0 cM和3.6 cM,在DH群体5B染色体的标记区间Xgwm234—WMC363,与WMC363的遗传距离为7.5 cM;在2个遗传群体中与标记Xgwm67的距离分别为3.6 cM和11.4 cM。TaPP2Aa-D位于RIL群体染色体5D的标记区间Xcmwg770—Xbarc205,遗传距离分别为9.8 cM和10.0 cM。【结论】确定了TaPP2Aa所在的染色体位置,通过与DH和RIL 2个遗传作图群体中已有的抗逆主效QTL进行对比分析,明确了TaPP2Aa与小麦抗逆性状QTL具有遗传连锁关系,开发的功能标记可用于小麦抗逆性状的分子标记辅助选择。     

基于InDel标记的谷子株高QTL定位

插入/缺失（InDel）标记在植物基因组中广泛分布,然而谷子中InDel标记的数量十分有限。为挖掘InDel位点和开发分子标记,本研究基于衡谷12号和长农35号的深度重测序结果,分析其单核苷酸多态性（SNP）、InDel和结构变异（SV）。利用JoinMap 4软件构建连锁遗传图谱,利用WinQTLCart 2.5软件定位株高数量性状位点（QTL）,利用生物信息学、测序和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)进行候选基因分析。研究表明,3种变异类型数量由多到少排序为SNP>InDel>SV;获得1 392个在衡谷12号和长农35号中具有多态性的InDel标记,多态性率为35.14%,这些标记在谷子9条染色体上分布不均;获得一张包含467个InDel标记的谷子遗传连锁图谱,该图谱总图距448.45 cM,平均图距0.96 cM;利用F2群体定位了4个株高QTL(qPH5-1、qPH5-2、qPH9-1和qPH9-2),进一步利用重组自交系（RIL）群体对其中2个效应值较大的QTL(qPH5-1和qPH9-2)进行验证,结果重新检测到qPH9-2,似然比的自然对数（LOD）值为9...     

谷子条纹叶突变体wsl2的鉴定及候选基因分析

谷子叶色突变体是探究叶绿体发育机制和C4光能利用率的理想材料之一。为了研究谷子叶色突变的分子机制,从谷子主推品种长农35号的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变库中筛选鉴定到一个苗期条纹叶突变体wsl2,通过表型鉴定、遗传背景检测和遗传分析,同时利用MutMap方法快速精细定位突变基因,并根据突变位点开发共分离分子标记等方面对该突变体进行研究。结果表明,wsl2在苗期表现为条纹叶表型,但从拔节期开始恢复为正常叶片表型;wsl2与野生型遗传背景相同且wsl2受一个隐性核基因控制;MutMap精细定位的关联区间内包含9个非同义突变基因,其中,Seita.9G561800是一个编码与叶绿体相关的PsbP蛋白基因,含有6个外显子和5个内含子,在第1外显子77 bp处发生G/T碱基突变,导致一个精氨酸(R)突变成亮氨酸(L)。根据突变碱基设计了dCAPS标记MRI498-1(Cac8Ⅰ)和共分离标记MRI501-3,进一步验证了wsl2突变体的候选基因突变位点。研究鉴定了一个新的条纹叶突变体wsl2,对PsbP基因光合作用反应机制的进一步研究奠定了理论基础,丰富了谷子叶色突变体资源,同时验证了MutMap方法克隆谷子突变基因的有效性。     

谷子花药颜色基因Siac1的精细定位

为从分子水平上揭示谷子花药颜色性状的遗传基础，以‘E1005’为母本，‘品资39号’为父本构建F2分离群体，利用集团分离分析法(BSA)结合隐性群体分析法(RCA)，对谷子花药颜色基因Siac1进行精细定位。遗传分析表明，F2植株黄色花药与白色花药分离比例符合3:1的孟德尔分离规律，表明白色花药性状由一对隐性核基因控制。利用SSR和SV标记将Siac1初定位于第VI 染色体上标记GSA07025和GSA07037之间约282 kb的区间内。进一步利用根据亲本重测序结果新开发的InDel标记，最终将Siac1精细定位于标记MRI579和MRI583之间约94.7 kb区段内。生物信息学分析表明，该区间共有10个开放阅读框，初步推测Seita.6G227100、Seita.6G227200、Seita.6G227300和Seita.6G227900为花药颜色性状的候选基因。本研究为克隆Siac1基因、解析花药颜色发育机制奠定了一定基础。     

基于PCR技术的谷子分子标记遗传图谱构建

【目的】构建一张基于PCR技术的谷子分子标记遗传图谱。【方法】以谷子高146A和K103杂交自交F2分离群体为作图群体,以分布于谷子9条染色体上的81个SSR标记为主要参考标记,采用来自谷子、水稻、珍珠粟和高羊茅的SSR、STS、SNP、SV和ACGM标记共1 733个,在亲本间筛选多态性标记,并进一步在F2群体间进行验证,利用MAPMAKER VERSION 3.0软件进行连锁分析,采用MapDraw V2软件绘制遗传连锁图谱。【结果】构建了一张包含192个不同类型分子标记的谷子遗传图谱,新定位标记33个,其中32个来自谷子,另1个来自珍珠粟。遗传图谱包含9个连锁群,覆盖基因组全长2 082.5 cM,连锁群长度介于119.5-475.2 cM,平均长度231.39 cM,标记间平均距离10.85 cM,每个连锁群上的标记数介于10-37个。部分连锁群上标记存在偏分离现象,在定位的192个标记中,共有36个标记发生偏分离,占图谱总标记的18.75%,其中,在LG2、LG6和LG7上分别聚集分布了10、15和7个偏分离标记,出现了偏分离热点区域,而在LG1、LG4、LG5和LG8上仅有零星分布,LG3和LG9上则没有偏分离标记。对来自不同作物的分子标记在谷子上的可转移性分析发现,来自谷子的1 235个PCR标记中有205个标记在双亲及其F2群体间有多态性,多态率为16.60%,而来自珍珠粟、高羊茅和水稻的498个PCR标记,在该群体上仅发现1个多态性标记。【结论】利用不同物种中的分子标记构建了一张覆盖基因组长度为2 082.5 cM的谷子遗传连锁图谱,其分子标记主要来自于谷子。     

谷子SiARGOS1的克隆、表达分析和功能标记开发

【目的】从谷子中分离受激素诱导表达、参与器官大小控制的拟南芥ARGOS(Auxin-regulated gene involved in organ size)基因家族的同源基因,进行生物信息学分析,明确其在不同组织器官及其受植物激素诱导的表达模式,分析基因编码区及其启动子序列差异,开发功能标记,为谷子产量性状相关基因的改良提供依据。【方法】通过对已有ARGOS蛋白保守结构域进行BLAST,明确谷子ARGOS家族成员数目并进行蛋白序列分析,采用同源克隆方法获得谷子ARGOS家族成员之一——SiARGOS1编码区及其启动子序列,用生物信息学方法分析SiARGOS1启动子的顺式作用元件,通过实时荧光定量PCR分析该基因在谷子各器官中以及不同植物激素条件下的诱导表达模式,利用基因编码区及启动子序列的SNP和插入缺失序列开发分子标记,同时利用85份谷子品种的穗重(panicle weight,PW)、穗粒重(grain weight,GW)和千粒重(thousand-grain weight,TGW)等产量性状数据进行基因型间的差异显著性分析,挖掘用于检测该基因与谷子产量性状相关优异等位变异的功能标记。【结果】获得6个谷子ARGOS家族成员,均具有典型的保守OSR(organ size related)结构域,包含2个跨膜螺旋结构和1个高度保守富含亮氨酸区域,克隆了与拟南芥AtARGOS同源的家族成员之一——SiARGOS1编码区及其启动子序列,该基因位于谷子第8染色体上,开放阅读框为342 bp,无内含子,编码113个氨基酸,启动子区域为2 109 bp,含有与生长素、乙烯、茉莉酸和赤霉素等多种植物激素调控有关的元件。表达分析发现,SiARGOS1在谷子根、茎、叶和穗等器官中均有表达,在根中表达量最高,其次为茎和叶,穗中表达量最低。SiARGOS1对生长素吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)不敏感,但受乙烯利(ethephon,ETH)上调表达。不同基因型谷子SiARGOS1序列分析发现,SiARGOS1编码区151 bp(起始密码子83 bp)处存在1个SNP(C/G),导致该基因第28个氨基酸发生突变(Ala/Gly),据此设计一个CAPS-AccⅡ标记;另外,启动子区存在19个SNP和2个In Del,根据-1 652—-1 651处(TA)_(2/3)和-1 165—-1 163处(TCA)_(1/2)的序列差异分别设计SSR引物AP-1和AP-2。同时,用这些标记对85份谷子品种进行检测,CPAS-AccⅡ和AP-1检测到不同基因型的穗重、穗粒重和千粒重的差异均不显著,而AP-2检测的2种基因型间除千粒重差异不显著外,穗重和穗粒重在2015和2016两年间差异均达到显著水平。【结论】在谷子中发现6个ARGOS家族成员,均具有保守OSR结构域,其中,谷子SiARGOS1开放阅读框为342 bp,无内含子,与拟南芥AtARGOS同源,该基因对生长素不敏感,但受乙烯利上调表达。在该基因启动子区开发的SSR标记AP-2可作为功能标记,用于谷子穗重和穗粒重等产量性状相关优异等位变异的鉴定和筛选。     

谷子突变体信息平台的构建

为了实现基于网络的谷子突变体库的科学数据共享服务,利用ASP技术,结合Access数据库服务,构建谷子突变体信息数据共享中英文服务平台。通过该信息平台,可以为谷子遗传育种提供丰富的中间材料,为谷子新种质创制提供参考。     

谷子叶绿体基因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加工修饰的现象,它会影响叶绿体发育,导致植株叶片出现黄化或白化等表型。本研究以长农35号及其2份叶色突变体(E752和E1005)为试验材料,利用紫外分光光度计测定了苗期叶绿素含量,通过透射电镜观察了叶绿体结构;利用在线工具Prep-Cp对谷子叶绿体基因RNA编辑位点进行了预测,通过PCR、RT-PCR及测序等方法对预测到的编辑位点进行了验证,并与其他单子叶作物的编辑位点进行了比较分析;进一步利用荧光实时定量方法,分析rpoB及依赖PEP转录的光合途径相关基因(ndhG、psaA、psbA和rbcL)在不同发育时期的表达水平;最后,利用生物信息学分析ropB编辑前后蛋白二级结构的变化。结果表明,与长农35号相比,2份叶色突变体叶绿素含量显著降低,叶绿体发育异常;在谷子中,有10个叶绿体基因共计20个位点发生RNA编辑,所有编辑位点均为胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)的转换,不同基因的编辑位点存在数量差异,其中ndhB编辑位点数量最多,共计6个; 20个编辑位点中,有19个位点在物种进化上具有较高保守性,只有rpoC1-2753为谷子中特有的编辑位点;在长农...     

谷子不育系高146A不育与早抽穗性状遗传关系分析

为了研究杂交组合(高146A×K103)的P₁、P₂、F₁和F₂ 世代群体对不育系高146A早抽穗性状的遗传特点,本研究利用主基因+多基因混合遗传模型,并且采用χ₂测验方法对不育基因与早抽穗控制基因间的遗传关系进行了研究。结果表明：高146A早抽穗性状表现为一数量性状,其遗传符合两对加性-显性-上位性主基因 加性-显性多基因遗传模型,以主基因作用为主,多基因的作用相对较小,其中一对主基因的加性、显性起主要作用,另一个主基因的显性和上位性效有较大作用;在F₂群体中,雄性不育和早抽穗两性状共有早熟可育、早熟不育、晚熟可育和晚熟不育等四种表型,表型分离比例符合三对基因独立遗传分配规律(分离比例为39：13：9：3;χ₂=3.18 <χ_20.05=7.81),这些结果表明控制该雄性不育系高146A的不育和早抽穗性状的三对基因为独立遗传,无连锁关系。     

谷子GRAS转录因子家族的全基因组鉴定、表达分析及标记开发

为了鉴定谷子GRAS家族基因并揭示SiGRASs响应外源植物激素和逆境胁迫过程的表达规律,本研究采用生物信息学方法对谷子GRAS转录因子家族进行全基因组鉴定,利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)进行4种激素和2种胁迫处理后的表达分析,并根据SiGRAS23序列差异开发分子标记。结果表明,谷子全基因组共包含52个GRAS转录因子基因,大部分编码亲水性蛋白;82.69%的基因编码酸性蛋白,长度为362~734 aa,分子量为39.81~100.09 kDa,等电点为4.85~9.53。系统发育分析将谷子GRAS家族划分为10个亚家族。组织表达量分析表明,各亚族基因具有明显的组织表达特异性,LISCL、DELLA和SHR亚族基因分别在叶、茎和根中有较高的表达量,PAT1和HAM亚族大部分基因为组成型表达,但在叶中的表达量最高。SiGRASs启动子区含有多种植物激素、逆境响应相关的顺式作用元件;qRT-PCR结果显示,SiGRASs在不同激素和非生物胁迫下的表达水平存在较大差异,其中PAT1亚族中Seita.2G369400对6种不同的处理响应最为敏感;少数SiGRASs基因在各组织和各种激素和非生物胁迫处理下,表达量均在极低水平。DELLA亚族中的SiGRAS23在遗传群体AJF₅的双亲矮宁黄和晋谷21号间存在序列差异,据此开发的分子标记D8-1与该群体株高性状紧密连锁。本研究为解析谷子GRAS家族基因参与激素信号转导及逆境胁迫响应的功能研究奠定了基础,SiGRAS23的分子标记可用于今后谷子种质资源株高等位变异的筛选。