苹果S基因型数据库的建立与使用

苹果一般自花授粉不能结实,需配置一定比例的授粉品种,且依靠昆虫或人工授粉才能获得经济产量。苹果属于配子体型自交不亲和性类型,受17号染色体末端S基因座的复等位基因控制,最早人们将‘国光’品种2个同源染色体上控制自交不亲和性的等位基因分别命名为S_1和S_2之后(S基因型为S_1S_2),截至目前已从苹果属植物中鉴定出S_1、S_2、S_3、S_4、S_5、S_6、S_7、S_8、S_9等31种S等位基因,确定了‘鸡冠’‘富士’‘嘎拉’‘成保光’等1 000多个品种的S基因型,分别为S_3S_5、S_1S_9、S_2S_5和S_1S_2等。当‘国光’与‘鸡冠’相互授粉时,由于2个S基因型不同,相互授粉可结实,表现为亲和;当‘国光’与‘富士’相互授粉时,由于有一个S等位基因相同,有一半花粉可授粉受精结实,表现为半亲和;当‘国光’与‘成保光’相互授粉时,由于S基因型完全相同,相互授粉不结实,表现为不亲和。由于S基因型直接决定了相互授粉的亲和程度,可为栽培生产授粉树的配置和杂交育种亲本选配提供参考和帮助,因此,本研究室与日本名古屋大学合作,在对中国国家苹果资源圃和日本国家苹果资源圃S基因型大量鉴定的基础上,建立了苹果S基因型数据库,配有中、日、英等文字的操作页面,该网站可根据用户的需要,给出相应品种的对应授粉品种,用户再根据花期相遇、花粉育性等从中挑选出最适合的授粉组合。     

苹果基因组分子生物学研究进展

借助分子标记手段苹果基因组研究取得了巨大成就,涉及苹果的抗性、生长发育、果实品质等各方面基因,综合有关文献,将其研究的主要成果,包括已发现的主要苹果遗传标记、已构建的苹果遗传连锁图谱及苹果的转基因研究进行综述,并对目前苹果基因组研究存在的问题和对策进行了分析,以期为苹果遗传育种提供参考。     

苹果锚蛋白基因ANK家族生物信息学鉴定分析

 利用生物信息学方法对苹果ANK基因家族成员及分类鉴定,同时对其染色体定位、系统进化关系及芯片表达特性进行了分析。苹果MdANK家族包含351个基因,根据蛋白结构域差异分为16个类别,ANK-M类型最为庞大,有143个ANK蛋白;苹果的17条染色体均有ANK家族基因分布,其中第2条染色体上分布最多,有36个ANK基因。MdANK编码的蛋白在72 ~ 2 429个氨基酸范围内,等电点在4.30 ~ 11.13之间。芯片分析发现,在苹果果实成熟时期及砧木接穗互作过程中,多数MdANK基因的表达都有不同程度变化。     

苹果POD家族基因的鉴定与MdPOD15的功能分析

为探究苹果过氧化物酶（POD）基因家族成员在苹果逆境下的作用,利用已报道的拟南芥POD基因,通过多序列比对鉴定出51个苹果POD(MdPOD)家族成员,并分析其在逆境条件下的表达规律。结果表明51个家族成员分布于13条染色体上,其编码95～1 443个氨基酸,蛋白分子量为10.18～161.02 kD,等电点为4.36～9.90。分析表明该基因家族可分为6个亚族,外显子数介于1～40。选择压分析表明20个基因在进化过程中受到纯化选择作用。亚细胞定位发现MdPOD15主要存在于细胞膜、细胞质、细胞核和叶绿体中。基因芯片表达图谱显示大部分MdPOD在花、叶和果实中表达量较高。实时荧光定量PCR表明,ABA处理2 h大部分基因的表达量上调,之后出现下降,PEG处理12 h后51个MdPOD基因表达量达到峰值,而用NaCl处理时MdPOD的表达量到24h时达到峰值。烟草叶片瞬时表达MdPOD15发现,其在细胞膜、细胞质和细胞核中表达,且苹果愈伤组织中MdPOD15的超表达可缓和非生物胁迫对细胞的损伤程度,由此可知MdPOD在不同非生物胁迫下的不同时间段可能发挥不同的作用。     

大蒜全基因组NCED基因鉴定与功能初探

采用生物信息学方法,从大蒜基因组中共鉴定出AsaNCED基因14个,预测其氨基酸数量为409～599个,蛋白分子量为46 421.95～67 090.27 Da,理论等电点为5.48～6.87。多数基因外显子数为1个,少数为11～12个。在启动子顺式作用元件中,光、脱落酸和茉莉酸甲酯响应元件在数量上占据优势,并广泛分布在不同的基因家族成员中;同时也存在与干旱相关的MYB结合位点、防御与胁迫响应元件、伤口响应元件和种子特异性调控元件。该基因家族成员在不同组织中具有一定的表达差异性。通过异源过表达AsaNCED4获得转基因拟南芥,其株高明显低于野生型,qRT-PCR分析发现AsaNCED4基因受盐胁迫诱导上调表达。     

苹果赤霉素氧化酶基因GA2ox、GA3ox和GA20ox家族全基因组鉴定及表达分析

通过生物信息学方法对苹果赤霉素氧化酶基因GA2ox、GA3ox和GA20ox的结构、化学性质、染色体分布、进化关系、启动子顺式作用元件和组织特异性表达进行分析,并通过实时荧光定量PCR对苹果花芽诱导过程中的表达水平进行测定。从苹果基因组里鉴定出41个赤霉素氧化酶基因,其中GA2ox类20个,GA3ox类14个,GA20ox类7个,除4号染色体外,其他染色体均有分布;其蛋白质分子量在13.15 ~ 60.17 kD之间,等电点预测值在5.50 ~ 9.81之间;通过聚类分析将这41个赤霉素氧化酶基因分为5个亚家族;基因结构和保守结构域分析发现这41个赤霉素氧化酶基因的外显子数1 ~ 5不等,且保守基序Motif 1、5、6、7、10为大部分基因所共有;根据苹果表达量数据库组织特异性分析发现这3类基因在不同品种、不同组织部位的表达量不同,其中在花和果实中表达量相对较高。通过‘长富2号’花芽诱导过程的转录组数据,挑选出8个基因（MdGA2ox4、MdGA2ox6、MdGA2ox9、MdGA2ox12、MdGA3ox5、MdGA3ox12、MdGA20ox1和MdGA20ox5）进行实时荧光定量PCR分析,结果发现,GA₃处理后,花后不同时期GA20ox类氧化酶基因表达量均下调,GA2ox类氧化酶基因表达量均上调,GA3ox类氧化酶基因表达量则出现相对波动的现象。     

苹果基因组中转录因子的鉴定与分析

转录因子是基因表达调控过程中的重要调节因子。为更好地了解蔷薇科植物苹果转录因子所编码的基因家族,利用苹果基因组数据进行转录因子筛选鉴定和系统预测,并与桃和草莓2个蔷薇科物种进行分析比较。结果表明:在苹果、桃、草莓中分别鉴定到3 039、1 527、1 506个转录因子成员,可分为58个转录因子家族;基因染色体定位显示预测的转录因子以不同密度分布在所有染色体上;所有的转录因子都具有类似的GO分析结果和亚细胞定位预测信息;随机选择了与拟南芥MYB转录因子同源性较高的苹果基因进行了干旱胁迫处理下的表达量检测,值得注意的是,有6个基因经过PEG处理后在平邑甜茶和T337苹果品种中的表达量具有相似的变化趋势。该研究系统分析鉴定苹果全基因组中的所有转录因子基因家族,为今后深入了解蔷薇科植物转录因子的分类和基因功能研究提供了一定的参考依据。     

利用分子标记研究苹果资源与基因组的进展

苹果是近年来用分子标记研究较多的果树树种。从苹果品种的鉴定、亲子关系的确定、种质的遗传与变异、重要农艺性状的筛选或遗传机理的研究以及遗传图谱的构建几个方面概述了分子标记在苹果上的应用现状 ,并对进一步的工作提出了相应的建议     

苹果K~+转运蛋白基因家族鉴定及表达分析

利用苹果基因组筛选K~+转运蛋白基因,分析其系统发育关系,通过q RT-PCR检测它们在平邑甜茶各器官组织和不同发育阶段果实的表达特征。结果表明,在苹果中存在65个K~+转运蛋白基因,包括CHX家族(33个)、HAK家族(24个)、HKT家族(1个)和KEA家族(7个),它们与拟南芥K~+转运蛋白基因高度同源,其基因结构相对保守,并且不均匀地分布在13条染色体上。定量表达分析发现,K~+转运蛋白基因具有不同的表达模式,其中在根中高度表达的32个,在叶片中高度表达的12个,在茎尖中高度表达的11个,在果实中高度表达的19个。研究结果为揭示苹果K~+转运蛋白基因的功能提供了基础资料。     

苹果全基因组多聚半乳糖醛酸酶基因家族的鉴定及进化分析

从苹果全基因组中鉴定出85个多聚半乳糖醛酸酶(PG)基因,通过聚类分析将其分成了7个组(Group A~Group G),其分子量在176~1 125 aa之间,等电点在4.68~9.58之间。鉴定出来的Md PG基因除在14号染色体没有分布外,其余都有分布。系统分析了Md PG蛋白的保守基序和Md PG基因结构,发现苹果PG蛋白除包含有广泛存在于各种PG蛋白的4个保守基序以外,还含有其他相对特异的保守基序,Md PG75具有最多的外显子数,达到18个。对85个苹果PG蛋白之间的功能联系网络进行了系统研究,分析预测了相关基因的功能和多个基因间功能的联系,并作了初步验证。     

苹果MdMYB2基因的克隆及功能鉴定

以‘嘎拉’苹果为材料,采用同源克隆和PCR技术分离了苹果基因MdMYB2(基因序列号:MDP0000823458)。MdMYB2的开放阅读框(ORF)长度为873 bp,编码含有290个氨基酸的蛋白,预测其蛋白质分子量为32.92 kD,等电点为4.91。系统进化树分析显示,苹果MYB2与梨MYBL2亲缘关系最近,同源性最高。组织表达分析表明,MdMYB2在苹果的各个组织均有表达,在茎和果实中表达相对较高。MdMYB2的表达明显受盐胁迫的诱导。构建了MdMYB2的表达载体,并通过农杆菌介导的遗传转化得到了转基因苹果愈伤和转基因拟南芥植株。抗性试验表明,过量表达MdMYB2明显提高了转基因苹果愈伤对盐胁迫的抗性。此外,异位表达MdMYB2也能提高拟南芥对盐胁迫的抗性,以上试验结果表明MdMYB2在植物盐胁迫响应中发挥重要作用。     

苹果MdNAC143的克隆及其在苹果愈伤组织的抗盐功能鉴定

从‘嘎拉’苹果中克隆了一个NAC转录因子基因MdNAC143(序列号:MDP0000334047),其开放阅读框为924 bp,编码308个氨基酸,预测蛋白质的分子量为35.59 k D,等电点为6.32。结构域分析表明,MdNAC143蛋白N端含有保守的NAC结构域。酵母双杂交结果表明MdNAC143的全长及C端具有转录激活活性。荧光定量PCR分析表明,MdNAC143在苹果的各个组织均有表达,其中在叶片和花中表达相对较高;MdNAC143的表达明显受盐胁迫的诱导。将MdNAC143遗传转化‘王林’苹果愈伤组织,进行抗盐表型鉴定后发现,MdNAC143在愈伤组织中过量表达后能明显提高对盐胁迫的抗性。     

MdMYB73的分子克隆及其在苹果愈伤组织和拟南芥幼苗中的盐抗性功能鉴定

从‘嘎拉’苹果中克隆了一个MYB转录因子基因(序列号:MDP0000894463)。该基因包含长为729 bp完整的开放阅读框,编码243个氨基酸,预测其蛋白质分子量为26.34 kD,等电点为9.29。系统进化树分析表明,这一MYB转录因子与拟南芥AtMYB73同源序列相似性最高,因此将其命名为MdMYB73。功能域分析表明,MdMYB73蛋白含有保守的R2R3-typeMYB绑定域。荧光定量PCR分析表明,MdMYB73在苹果的各个组织均有表达,在叶片和花中表达相对较高;MdMYB73的表达明显受盐胁迫的诱导。将异位表达MdMYB73的拟南芥幼苗进行抗盐鉴定,结果表明MdMYB73负调控拟南芥盐胁迫抗性;同时,AtSOS1,AtSOS3和AtNHX1抗盐相关基因的表达水平显著降低,表明MdMYB73可能负调控SOS反应,影响拟南芥抵抗高盐胁迫过程。将MdMYB73基因遗传转化苹果愈伤组织,抗盐表型分析表明,MdMYB73过量表达也明显降低了转基因愈伤组织对盐胁迫的抗性。     

垂丝海棠MhMYB114-Like的克隆及其在苹果愈伤组织中的抗缺铁功能鉴定

从苹果砧木垂丝海棠(Malus halliana Koehne)中克隆得到了MhMYB114-Like基因(序列号:LOC103405832).该基因包含全长为602 bp的完整开放阅读框,编码200个氨基酸,蛋白质等电点为9.38.系统进化树分析表明,MhMYB114-Like与野草莓该家族蛋白亲缘关系最近.分析Mh...     

苹果MdFT基因对番茄的遗传转化

 通过RT2PCR扩增, 从苹果叶片cDNA中克隆了^FT基因的同源基因^MdFT, 构建了花椰菜病毒35S启动子驱动的MdFT植物表达载体35S: : MdFT, 并利用根癌农杆菌介导法将其导入番茄栽培品种‘中蔬四号’; 同时转化拟南芥A tFT基因作为阳性对照。从添加卡那霉素的筛选培养基上再生了抗性植株,PCR扩增证明, 外源基因MdFT和AtFT已经整合到转基因番茄的基因组, 半定量RT-PCR则证明它们已经在转基因番茄中得到异位过量表达。形态鉴定发现, 转基因番茄植株比非转基因对照植株开花早, 表明成功地从苹果中克隆了成花素基因MdFT, 该基因具有通过转基因缩短苹果树童期的潜在价值。     

苹果MdCBL3基因的克隆与功能鉴定

从‘嘎拉’苹果(Malus×domestica Borkh.)中克隆MdCBL3(序列号:MDP0000155124),长852 bp。系统进化树分析表明,苹果MdCBL3与白梨亲缘关系最近。利用PlantCare数据库进行启动子顺式作用元件预测分析,MdCBL3启动子序列中存在干旱、低温、光、生长素、防御等响应元件。构建MdCBL3表达载体并利用农杆菌介导法侵染苹果愈伤组织和拟南芥。半定量RT-PCR证明MdCBL3在转基因愈伤组织中过量表达,在拟南芥中得到异源表达。表型分析发现,在盐胁迫中,与野生型相比,转基因愈伤组织和拟南芥成龄苗生长更好,盐胁迫的抗性更强。在拟南芥中异源表达MdCBL3,能提高拟南芥对干旱和低温的抗性。     

苹果液泡铁离子转运蛋白基因家族的鉴定与表达分析

液泡铁离子转运蛋白(vacuolar iron transporter,VIT)参与铁的储存和运输,对植物光合作用、固氮、呼吸、DNA和激素合成有重要作用。本研究中鉴定了苹果全基因组的9个VIT基因,通过系统发育分析其进化关系,表明苹果VIT蛋白与拟南芥进化关系较近。染色体定位显示9个VIT基因分布在7条染色体上,VIT基因的启动子区域富含光反应、植物激素调控和启动子相关顺式作用元件。表达谱分析显示VIT基因在花和果实中的表达量相对较高。此外,对MdVIT家族进行蛋白理化性质、String互作网络和基因结构等分析,表明苹果VIT家族扩增的主要因素是串联重复和片段复制,与苹果VIT蛋白互作的主要蛋白是阳离子共转运蛋白(XP₀08372221.1和XP₀08383418.1)。qRT-PCR分析结果表明:在2 000μmol·L-1 FeSO4·7H2O(高铁)处理的‘M26’苹果砧木苗中,苹果VIT家族基因在不同组织的表达中存在差异,6 h后,MdVIT4在茎中的相对表达量最高,是对照的237倍。24 h后,MdVIT1和MdVIT2在叶片中的...     

苹果MdGLRs家族基因生物信息学鉴定和表达分析

 利用生物信息学策略对苹果MdGLRs家族基因编码蛋白的氨基酸序列的基本特征、二级结构、跨膜区域、亲疏水性、基因亚细胞定位及保守结构域进行了预测和分析,与拟南芥AtGLRs家族的20个基因进行了氨基酸序列比对和进化树分析,并对这些基因在不同营养生长器官中进行了表达分析。结果表明,苹果MdGLRs家族包含32个基因,分为3个亚族,大部分基因编码800个氨基酸以上,多含有3个跨膜区域,二级结构主要以α–螺旋、无规则卷曲、折叠延伸链为主;亚细胞定位预测发现,MdGLRs蛋白主要定位在内质网和质膜上;MdGLRs蛋白的保守结构域是S1-M1-M2-M3-S2-M4;大多数基因在根、茎、叶中普遍都有表达,在叶中的表达量最高。