谷子抽穗时间基因SiTOC1的表达与单倍型变异分析

【目的】谷子抽穗时间的适应性表现是广适性新品种选育的基础,分析抽穗时间关键基因的遗传变异和单倍型效应,为品种适应性改良提供基础信息。【方法】通过全基因组关联分析（genome-wide association study,GWAS）,定位谷子抽穗时间关键基因SiTOC1,利用多组学数据库（multi-omics database for Setaria italica,MDSi）提供的SiTOC1数字表达量,分析SiTOC1的组织时空表达特性,并利用原生质体对SiTOC1蛋白进行亚细胞定位。采用qRT-PCR在短日（10 h光照/14 h黑暗）条件下进行SiTOC1 24 h节律表达模式分析。利用有代表性的99份谷子品种,分析SiTOC1编码区和启动子区的遗传多态性、单倍型以及转录水平,并对单倍型与抽穗时间的关系进行鉴定。【结果】在第1染色体物理位置31 456 761 bp处鉴定到了一个显著的关联信号,与抽穗时间紧密相关,该位点附近存在一个拟南芥抽穗期TOC1的同源基因SiTOC1。SiTOC1在光周期响应组织（根、茎、叶等）中高表达,亚细胞定位于细胞核,在傍晚表达量上调,呈现出24 h节律性表达模式。SiTOC1在不同谷子品种中存在丰富的多态性,但REC和CCT结构域高度保守。SiTOC1编码区2种主要单倍型H-2和H-6分别与启动子单倍型Hp-591C和Hp-591A共分离,其中,启动子单倍型Hp-591C较Hp-591A的相对表达量显著上调了约2.5倍（P=0.014）,并且该单倍型在三亚市、长治市和乌鲁木齐市3个环境下的抽穗时间分别平均延迟9、11和12 d。【结论】SiTOC1启动子区第591 bp处的SNP是引起抽穗时间差异的主效位点,单倍型Hp-591A较Hp-591C早熟,可作为主效单倍型用于分子育种选择。     

以抗除草剂Bar基因稳定转化谷子技术研究

农杆菌介导的谷子遗传转化效率一直是制约谷子功能基因研究及转基因育种效率的主要因素。本研究以冀谷11谷子幼穗为外植体, 选取0.5~1.0 cm的幼穗, 切成0.5 cm左右的小段, 置改良后的MS培养基上诱导15~20 d形成胚性愈伤组织3120块。愈伤组织侵染转化前用侵染液悬浮浸泡, 并经45°C热激预处理3 min, 可以有效提高26.1%的瞬时遗传转化效率。将转化后的愈伤组织经草丁膦(PPT)筛选后获得513块抗性愈伤组织, 抗性愈伤组织获得率为16.4%。抗性愈伤组织经分化、壮苗培养后获得7株抗性植株, 经PCR和Southern杂交检测得到6株T₀代转基因阳性株, 对T₃代转化植株叶片进行PPT抗性分析, 并结合Bar蛋白抗体试纸条鉴定, 表明Bar基因已稳定整合到谷子基因组中。本研究建立了农杆菌介导转化谷子优良品种的遗传转化体系, 对提高谷子转基因育种效率和谷子模式研究系统的建立有重要意义。     

谷子穗顶端败育突变体sipaa1的表型分析和基因定位

【目的】穗发育对于农作物产量至关重要,而穗顶端败育谷子产量下降的重要原因之一。通过挖掘谷子穗顶端败育的相关基因,探求谷子穗顶端发育的生物学通路,以期为谷子穗发育遗传机理研究提供理论基础。【方法】利用化学诱变剂甲基硫酸乙酯（ethyl methyl sulfonate,EMS）对野生型豫谷一号（Yugu1）进行诱变,在其后代中发现了一个可以稳定遗传的穗顶端败育的突变体,命名为sipaa1,同时对该突变体的农艺性状进行鉴定。以突变体sipaa1母本,SSR41父本构建的F₂定位群体为材料进行遗传分析及图位克隆,确定基因所属染色体以及在该染色体上的位置。对突变体sipaa1和野生型Yugu1的BC₁F₂进行高通量测序,挖掘定位区间内的候选基因,根据候选基因在谷子不同组织部位表达量的差异,找出在穗部高表达的候选基因。对孕穗期的Yugu1和sipaa1进行转录组测序,寻找差异表达基因并分析差异表达基因富集的生物学通路。【结果】与Yugu1相比,突变体sipaa1的平均株高略有增高,增幅不显著,叶长、叶宽分别降低了10.66%和5.08%。突变体的表型变异主要集中在穗部,最突出的表现是穗顶端小花发育异常,谷穗长和谷穗粗分别降低了11.36%和16.12%,单株穗重、谷码数、单穗粒重及千粒重分别降低了30.02%、32.58%、30.55%和18.18%。通过对sipaa1×SSR41的F₂代群体中正常株与突变株的遗传分析表明该突变为隐性单基因控制。经图位克隆将突变基因定位于第1染色体Indel标记1-9.23与1-9.333之间约100 kb的范围内。结合高通量测序数据库,在该定位区间筛选到6个在穗部高表达的候选基因。转录组测序发现,在突变体与野生型之间存在2 768个上调表达基因,507个下调表达基因,且定位区间内有2个差异表达基因主要与激素信号转导、外界胁迫响应、植物-病原互作等生物学通路有关。【结论】谷子穗顶端败育突变体sipaa1由隐性单基因控制,突变基因位于第1染色体Indel标记1-9.23与1-9.333之间,转录组测序与基因功能分析发现了2个在穗部高表达且与植物花器官发育及胁迫响应密切相关的候选基因,候选基因可能通过对激素、胁迫响应,以及细胞程序性死亡等相关通路调控谷子穗顶端败育。     

强优势玉米杂交种雌穗均一化cDNA文库的构建与鉴定

以强优势玉米杂交种豫玉22发育时期的雌穗为材料构建cDNA文库,为进一步研究和分离杂种优势相关基因构建技术平台。选择玉米雌穗发育过程中的4个时期(生长锥伸长、小穗分化、小花分化和花丝始伸期)的雌穗组织分别构建了4个定向cDNA文库,依据基因组DNA饱和杂交的原理,将从4个独立的cDNA文库中提取的质粒混合,通过基因组DNA亲和体系饱和杂交,获得雌穗全发育时期均一化cDNA文库。该文库平均插入片段1.3kb,含有3×104个克隆。对文库中随机的150个克隆进行测序,81.6%的序列为非冗余序列,11.2%的序列含有两个或两个以上的拷贝,并且主要来自多基因家族转录本,说明此文库的均一化有效。对测序结果进行功能聚类分析,发现文库序列涉及水解酶、转移酶、核苷酸结合蛋白、蛋白激酶、转录因子等基因,涉及环境应答、蛋白代谢、物质转运、个体发育等多个生化途径,说明该均一化文库基因覆盖度较高。该文库还包含有大量的未知基因,有待进一步的发掘和研究。     

谷子转录因子SiNAC18通过ABA信号途径正向调控干旱条件下的种子萌发

【目的】谷子(Setaria italica L.)具有显著耐旱性。研究旨在通过反向遗传学方法分析并鉴定在干旱条件下影响植物萌发过程的重要调控因子,为研究作物干旱条件下种子萌发的调控机制创造条件。【方法】使用Clustal X 2.0和MEGA 5.05软件对谷子SiNAC18蛋白序列及其同源序列进行多序列比对,并构建系统进化树;利用real-time PCR方法检测SiNAC18在不同胁迫条件下的表达模式;通过瞬时转化的方法分析SiNAC18蛋白亚细胞定位;在拟南芥中过表达SiNAC18,分析SiNAC18的生物学功能;分析SiNAC18在转基因拟南芥中可能控制的下游基因。【结果】SiNAC18全长1 074 bp,编码由357个氨基酸组成的亲水性蛋白,分子量约为38.8 k D;系统进化树分析表明SiNAC18属于NAC转录因子家族第Ⅰ组的NAP亚组,与拟南芥基因At NAC29同源性最高;氨基酸序列比对结果显示,SiNAC18与其他物种包括水稻、拟南芥、大豆和玉米中同源性最高的NAC类转录因子蛋白的N端都具有A、B、C、D和E这5个保守结构域,蛋白C端具有高度多态性,证明SiNAC18的N端序列与其结合下游基因启动子元件相关;real-time PCR结果显示,SiNAC18在干旱(PEG)、ABA、高盐(Na Cl)及过氧化氢(H2O2)处理条件下的表达量明显上升;亚细胞定位结果表明SiNAC18蛋白定位于细胞核中;基因功能分析结果显示,在ABA和PEG胁迫处理下,SiNAC18转基因拟南芥与野生型种子的萌发率存在明显差异:在正常生长条件下,野生型拟南芥WT和SiNAC18转基因拟南芥的萌发率基本一致,在PEG浓度为10%和15%的MS培养基上,SiNAC18转基因拟南芥的萌发率显著高于WT。在2和5μmol·L-1 ABA处理条件下,转基因拟南芥的萌发率显著低于WT;下游基因表达分析结果显示,ABA信号途径相关基因At RD29A,脯氨酸合成相关基因At P5CR和At PRODH以及过氧化物酶基因At PRX34在SiNAC18转基因株系中的表达量高于WT中的表达量,表明SiNAC18通过调控这些下游基因影响转基因植物在干旱条件下的萌发率。【结论】谷子NAC类转录因子基因SiNAC18可能通过ABA信号途径、氧化胁迫调控等途径正向调控植物在干旱条件下的萌发过程。     

谷子PP2C基因家族的特性

PP2Cs (2C type protein phosphatases)是一种单体丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶,在真核生物中,PP2Cs在脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)等激素信号传导途径中起着重要的调控作用。本研究通过序列比对,从谷子基因组中筛选出80个PP2C候选基因,聚类分析将其分为12个亚族(A、B、C、D、E1、E2、F1、F2、G、H、I、J)。与拟南芥PP2C基因家族比对表明,A~I为2个物种共有的亚族,J亚族只存在于谷子基因组中,L亚族只存在于拟南芥中。将谷子A亚族的10个成员命名为SiPP2CA1-10。基因表达谱分析表明,A亚族基因不同程度受ABA、干旱、高盐、低温和低氮诱导表达,其中,SiPP2CA6、SiPP2CA8在5种处理下诱导表达量都高。对10个A亚族成员的启动子分析发现,在这些基因的启动子序列中含有多种参与逆境胁迫应答的顺式作用元件,其中,SiPP2CA5、SiPP2CA6、SiPP2CA7、SiPP2CA8的启动子中含有参与低氮胁迫响应的元件。进一步研究发现,SiPP2CA8主要在根部表达,且在低氮胁迫下一直有较高的表达水平。亚细胞定位结果显示SiPP2CA8定位在细胞膜、细胞质、细胞核中;双分子荧光互补试验(BiFC)结果表明,SiPP2CA8与一个ABA受体类似蛋白SiRCAR3(基因号Si018317m.g)在细胞膜、细胞质及细胞核上互作,表明SiPP2CA8在谷子中可能参与ABA信号传导过程。     

谷子转录因子基因SibZIP42在拟南芥中对高盐和ABA的响应

【目的】分析谷子抗逆相关转录因子基因Sib ZIP42的特性和生物学功能,探讨Sib ZIP42提高植物耐盐性的调控途径,为作物抗逆分子育种提供新的候选基因。【方法】利用生物信息学方法分析谷子Sib ZIP42的特性:使用Clustal X 2.0和MEGA 5.05软件对谷子Sib ZIP42蛋白序列及其同源序列进行多序列比对,并构建系统进化树;从数据库Phytozome获取谷子Sib ZIP42上游2 000 bp作为启动子序列,在PLACE数据库对Sib ZIP42启动子顺式作用元件进行分析;使用Net Phos 2.0 Server数据库预测Sib ZIP42蛋白磷酸化位点;利用实时荧光定量PCR检测Sib ZIP42在不同胁迫条件下的表达模式;将Sib ZIP42与绿色荧光蛋白GFP融合表达,检测Sib ZIP42蛋白的亚细胞定位情况;构建植物表达载体p BI121-Sib ZIP42,转化拟南芥并检测转Sib ZIP42拟南芥的耐盐性及对ABA处理的敏感性。分析转Sib ZIP42拟南芥中ABA及脱水响应相关基因表达变化,分析Sib ZIP42调控植物耐盐性的作用机制。【结果】谷子Sib ZIP42全长546 bp,编码由181个氨基酸组成的亲水性蛋白,分子量约为20.3k D,基因编码区包含1个外显子;系统进化树分析表明该基因位于b ZIP基因家族的S亚组;Sib ZIP42与拟南芥Atb ZIP42序列同源性最高;启动子元件分析表明,Sib ZIP42包含ABRE、MYB、MYC等多种逆境胁迫应答相关元件;磷酸化位点分析结果显示Sib ZIP42含有14个丝氨酸、4个酪氨酸和1个苏氨酸磷酸化位点;实时荧光定量PCR结果显示,Sib ZIP42对多种非生物胁迫均有不同程度的响应,在高盐、干旱(PEG)和ABA处理条件下表达量明显上升,Sib ZIP42在根部的表达量显著高于在茎及叶子中的表达;亚细胞定位结果表明,Sib ZIP42蛋白定位于细胞核中;基因功能分析结果显示,在正常MS培养基上,野生型拟南芥WT和Sib ZIP42转基因拟南芥的萌发率基本一致,在Na Cl浓度为90、120和150 mmol·L~(-1)的MS培养基上,转基因拟南芥萌发率显著高于WT,在90 mmol·L~(-1) Na Cl处理条件下,转基因拟南芥的绿化率显著高于WT;在ABA浓度为0.5、1和2μmol·L~(-1)的MS培养基上,转基因拟南芥的绿化率显著低于WT;下游基因检测结果表明,HIS1-3、RD29B和RAB18等ABA胁迫响应相关基因以及脱水响应相关基因At PIP2A在转基因植株中表达量显著高于在WT中的表达,表明Sib ZIP42可能通过ABA信号途径提高植物对高盐胁迫的耐性。【结论】与WT相比,Sib ZIP42转基因拟南芥株系在种子萌发时期耐盐性显著提高。同时,在种子萌发后期Sib ZIP42转基因株系相比于WT对ABA处理的敏感性增强,Sib ZIP42可能通过ABA信号途径正向调控植物的耐盐性。     

强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因

利用基因芯片杂交方法,检测强优势玉米杂交种(C8605-2×W1445)雌穗发育过程中的基因表达动态,以期为进一步研究雌穗发育的分子机制提供证据。在雌穗到达小穗分化期之后8 d内,有671个基因的表达水平发生显著变化,主要表现出4种不同的表达模式。这些差异表达的基因涉及代谢、发育、刺激应答、细胞信号转导、物质运输等多个方面。细胞分裂基因、细胞壁结构和修饰蛋白基因在雌穗发育过程中大多表现为上调表达,可能对雌穗细胞的分化和果穗性状的形成产生重要影响。蛋白激酶、细胞信号转导以及转录因子基因等上游的信号传输和调控基因在雌穗的发育中也可能具有重要作用。     

谷子核心种质表型遗传多样性分析及综合评价

通过遗传种质的多样性评估可以指导深入研究资源和育种中优异互补亲本的选择进而提高优异基因的交流累加和新品种培育的效率。本研究选用了来自世界各地的份谷子核心种质通过个表型性状的综合鉴定评估遗传多样性和筛选优异种质资源结果表明我国谷子资源的表型遗传多样性丰富单穗粒重、穗长、穗粗、株高、茎节数和生育期均表现了丰富的变异谷子育成品种遗传多样性相比农家品种下降明显育种的遗传增益主要体现在株高和穗长的适度减低,以及茎粗、茎节数、穗粗、单穗粒重、单穗重及生育期的适度增加系统聚类分析将谷子资源分成类第类以来源为东北欧国家的品种为主第类以北美和非洲的品种为主第类以东亚、南亚的品种为主我国种质可划分为春播型、春夏兼播型和南方型类型采用主成分分析法和逐步回归分析法综合评判表明叶鞘色、刚毛长度、粒色、米色、株高、穗长、茎粗和单穗粒重个性状可作为谷子表型鉴定的主要指标。