基于转录组数据对陆地棉GhHMP1的克隆及表达分析

本研究就转录组数据分析得到一个与镉胁迫相关的基因GhHMP1(Heavy metal transport/detoxification superfamily protein1),并从陆地棉耐镉品种‘邯242’中克隆成功。为研究该基因的功能和特点,对其进行生物信息学分析、转录组分析和实时荧光定量表达分析。结果表明:陆地棉‘邯242’基因GhHMP1的CDS全长为402 bp,编码133个氨基酸,分子量约为14.88 kD,等电点为8.20;转录组和实时荧光定量分析表明,GhHMP1基因的表达具有组织特异性,且受镉胁迫诱导,可以作为重要的候选基因来培育棉花耐镉新材料,从而为棉花耐镉育种及修复重金属污染土壤提供重要的理论依据。     

棉花耐盐性的SSR鉴定研究

土壤盐碱化现已成为危害农业发展和生态环境的全球性问题,培育和鉴选棉花耐盐品种是合理开发利用盐碱地的有效途径。本研究选用25份耐盐(包括耐和抗)和23份盐敏感棉花种质为实验材料,采用SSR技术,展开了棉花耐盐性鉴定技术的有关研究。从DNA快速提取到PCR扩增和产物检测以及多标记组合鉴定等环节进行分析探讨,初步制定了一套适于棉花耐盐性分子鉴定的方法,即多标记组合鉴定法。并用11份材料对该方法进行了验证,结果表明和0.4%盐量胁迫法的鉴定结果的相符率达90.91%。初步研究结果表明多标记组合鉴定法可用于棉花耐盐分子标记辅助鉴定。     

陆地棉耐盐性状与SSR分子标记的关联分析

本研究以134份陆地棉栽培种为试验材料,测定其在0.3%盐浓度(质量分数)下的出苗率,并使用74对SSR引物对这些材料进行基因组变异扫描。利用Structure2.3.4软件分析该自然群体的遗传结构,在此基础上采用Tassel2.1软件对耐盐性状与SSR分子标记进行关联分析,寻找与棉花耐盐性状相关的分子标记。研究结果表明:(1)134份陆地棉栽培种的出苗率呈极显著差异,并筛选出27个盐敏感材料和10个耐盐材料。(2)74个SSR分子标记共检测出148个多态性位点,涉及246个等位变异,变异范围为2~7,平均每个标记3.32个;基因多样性指数变异范围为0.0295~0.4959,平均值为0.2897;SSR分子标记多态性信息含量(PIC)变幅为0.0290~0.3729,平均值为0.2381。(3)通过群体结构分析,将该自然群体划分2个亚群体,分别包含89份和45份材料。(4)关联分析共发现8个与棉花耐盐性状相关的SSR分子标记位点,表型变异解释率变幅为2.91%~7.82%,平均值为4.32%。此研究结果可以为棉花耐盐性状分子标记辅助选择育种提供参考。     

基于RNA-seq牡丹SSR标记开发及通用性分析

从牡丹花色候选基因中开发一套SSR标记,为牡丹花色分子遗传学研究和分子标记辅助育种提供帮助。本研究基于高通量转录组测序技术(RNA-seq)获得了278条涉及调控牡丹花色形成的Unigenes序列,利用SSRIT在128条Unigenes中检测到215个SSR位点,出现频率为46.04%。其中优势重复基序为二核苷酸、三核苷酸和六核苷酸重复,分别占总SSR位点的18.60%、41.86%和36.28%,优势重复基元为TC/GA和AT/TA,分别占二核苷酸重复的30.00%和27.50%。在此基础上,从中选择100对SSR引物合成,以牡丹品种基因组DNA为模板,验证其有效性和多态性。结果表明,有效引物50对(占50%),多态性引物12对(占24%)。12对多态性引物在芍药属12个不同种质内进行通用性检测,转移率范围为83.33%~100%,平均转移率为96.53%,表明牡丹SSR标记在芍药属内具有较高的通用性。利用高通量RNA-seq开发牡丹候选基因SSR标记可为牡丹功能基因挖掘、品种分子身份证构建、遗传多样性分析和分子标记辅助选择育种等提供重要的遗传资源。     

陆地棉幼苗NaCl胁迫下转录因子的转录组学分析

以棉花耐盐种质早熟长绒7号和感盐种质南丹巴地大花为材料,利用转录组测序(RNA-Seq)技术分析2个种质在200 mmol L–1 Na Cl胁迫4 h和24 h后幼苗叶片的转录因子家族及转录因子的表达情况。结果表明,从样本中鉴定出54个转录因子家族的2815个转录因子。盐胁迫4 h后,长绒7号有249个转录因子基因表达发生变化;南丹巴地大花中有261个转录因子基因表达发生变化。在胁迫24 h后,2个种质对盐响应的转录因子数量均剧增。只在耐盐种质长绒7号特异表达的有106个(4 h)和184个(24 h)转录因子基因,对于2个种质共同表达的转录因子有143个(4 h)和282个(24 h)。通过筛选,鉴定出26个与耐盐相关的转录因子家族124个转录因子基因,并采用荧光定量验证转录组数据的准确性。推测高表达的11个转录因子的基因CotAD_66280(HD-ZIP)、CotAD_47058(ERF)、CotAD_18472(G2-like)、CotAD_04289(C2H2)、CotAD_57763(HSF)、CotAD_23656(TCP)、CotAD_02221(ERF)、CotAD_23975(WRKY)、CotAD_54036(MYB)、CotAD_27788(NAC)和CotAD_23815(HSF)有可能与陆地棉抗盐性密切相关,可作为陆地棉耐盐育种的候选基因源。     

陆地棉幼苗NaCl胁迫下转录因子表达的转录组学分析

以棉花耐盐种质早熟长绒7号和感盐种质南丹巴地大花为材料,利用转录组测序(RNA-Seq)技术分析2个种质在200 mmol L^–1 NaCl胁迫4和24 h后幼苗叶片的转录因子家族及转录因子的表达情况。结果表明,从样本中鉴定出54个转录因子家族的2815个转录因子。盐胁迫4 h后,长绒7号有249个转录因子基因表达发生变化;南丹巴地大花中有261个转录因子基因表达发生变化。在胁迫24 h后, 2个种质对盐响应的转录因子数量均剧增。只在耐盐种质长绒7号特异表达的有106个(4 h)和184个(24 h)转录因子基因,对于2个种质共同表达的转录因子有143个(4 h)和282个(24 h)。通过筛选,鉴定出26个与耐盐相关的转录因子家族124个转录因子基因,并采用荧光定量验证转录组数据的准确性。推测高表达的11个转录因子的基因CotAD_66280 (HD-ZIP)、CotAD_47058 (ERF)、CotAD_18472 (G2-like)、CotAD_04289 (C2H2)、CotAD_57763 (HSF)、CotAD_23656 (TCP)、CotAD_02221 (ERF)、CotAD_23975 (WRKY)、CotAD_54036 (MYB)、CotAD_27788 (NAC)和CotAD_23815 (HSF) 有可能与陆地棉抗盐性密切相关,可作为陆地棉耐盐育种的候选基因源。     

盐胁迫下棉属野生种旱地棉（Gossypium aridum）差异表达基因的cDNA-AFLP分析

 以一个耐盐的二倍体野生种旱地棉和对盐敏感的陆地棉栽培种苏棉12号为材料,运用cDNA-AFLP技术,比较两个材料分别在盐胁迫前后的表达情况,获得了25个仅在旱地棉盐胁迫下特异表达的转录片段（TDF）。将这些片段进行电子克隆,延伸后的序列进行BLAST分析,结果显示23个转录片段推断的氨基酸序列与已知的蛋白同源,这些盐诱导表达的基因主要涉及离子转运、活性氧清除、细胞信号传导、细胞分裂、转录调节、膜保护、渗透调节等功能蛋白。从23个差异表达的转录片段中选择9个进行实时定量PCR（qRT-PCR）分析,结果表明这些基因在盐胁迫后表达显著增强,而且多数在12~24 h达到高峰。这些cDNA克隆是开展棉花耐盐性分子基础研究的重要资源。     

基于全基因组重测序信息开发玉米H99自交系特异分子标记

随着基因组测序技术和计算生物学的发展,利用生物信息学的方法大规模挖掘基因组特异分子标记已成为可能。玉米自交系H99具有较强的可再生能力,是玉米转基因研究的主要供体材料,但是目前对H99基因组信息了解甚少。本研究利用高通量Illumina测序技术,对H99全基因组进行重测序,利用生物信息学手段大规模挖掘并开发了4043个H99特异性的SSR分子标记。随后利用模拟PCR策略,对开发的SSR分子标记进行电子多态性筛选,针对B73×H99、Mo17×H99和B73×Mo17三个群体亲本组合共开发2699候选的特异多态性SSR分子标记。随机挑选20对SSR分子标记对群体亲本B73、H99和Mo17进行多态性筛选,进一步证实候选的多态性具有95%的准确率。此外,基于B73参考序列对开发的多态性SSR分子标记进行全基因组染色体定位及基因注释,揭示了候选多态性SSR分子标记在全基因组及基因内的分布特征。为玉米自交系H99开发了大量的分子标记资源,同时也为快速开发品种间多态性分子标记提供了一套高效可行的分析方法。     

红麻干旱响应基因EST-SSR标记

本研究以前期高通量测序结果为基础,利用MISA软件分析了所获得的转录组数据的SSR位点,发掘了11个EST-SSR标记。这11个EST-SSR标记了红麻响应干旱胁迫的关键基因外显子区的简单重复序列多态性,并且在遗传变异来源广泛的红麻品种中具有多态性,可以区分44个红麻品种。通过5个红麻品种的初步筛选和44个红麻品种的验证,这11个多态性标记可稳定检测,可以直接将本研究所开发的标记应用于更多红麻品种的检测,进行种质资源分子遗传多样性评价、亲缘关系鉴定和关键抗旱基因的特定外显子区简单重复序列多态性分析,为红麻分子标记辅助育种提供良好的标记储备,也为红麻自然变异中筛选关键基因的功能等位变异提供一种检测的候选分子标记。     

棉花分子标记图谱的构建和一些重要性状的定位

在棉花上,虽然已有若干张不同的分子标记连锁图发表,但在育种中它们仍较难被应用,主要是因为在现有的分子标记连锁图谱中能用于育种的重要农艺性状的DNA分子标记尚不多.为此,本研究选用具有13个质量性状标记的两个陆地棉(Gossypium hirsutum L.)多标记基因系T582和T586作为亲本,用SSR和AFLP的DNA分子标记技术,对F2的作图群体进行DNA分子标记连锁图谱的构建,对棉花重要质量性状基因和数量性状的QTLs进行定位和标记,并建立分子标记连锁群与染色体的对应关系,为棉花分子标记辅助选择育种提供依据.     

OsWD40过表达水稻根系响应盐胁迫的转录组分析

盐胁迫是影响水稻产量的主要因素之一,开展水稻耐盐机制的研究十分必要。为了揭示OsWD40基因参与耐盐的分子机制,以日本晴和OsWD40过表达水稻株系为材料,用浓度为200mmol/L的NaCl分别处理0、12、24和48h,对其根系进行转录组测序分析。结果显示,比较日本晴和OsWD40过表达株系在盐胁迫相同时间（ST0与NT0、ST12与NT12、ST24与NT24、ST48与NT48）的基因表达量,分别检测到1950、1646、3499和1522个差异表达基因。其中,盐胁迫处理24h的差异表达基因多于0、12和48h处理。对4个比较组的差异表达基因分别进行GO功能富集分析和KEGG代谢通路分析,发现差异表达基因主要富集在盐胁迫响应、脱落酸响应和转录调控等GO条目中,富集的重要代谢通路主要是植物激素信号转导,植物MAPK信号传导途径和苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成相关的次生代谢途径等。同时,转录因子家族基因,如WRKY、MYB和bHLH等,在各比较组中呈现差异表达。由此推测,苯丙烷生物合成和类黄酮生物合成等植物次生代谢途径在OsWD40过表达水稻根系响应盐胁迫中发挥着重要作用,而且OsWD40可能介导响应脱落酸的基因转录调控,激活下游盐胁迫相关基因的表达。     

陆地棉耐盐相关SNP筛选和鉴定

盐胁迫是限制作物产量提高的一个主要非生物因素。棉花是盐碱地的先锋作物,研究棉花的耐盐性,筛选耐盐相关分子标记,对充分利用棉花的耐盐性及棉花耐盐种质鉴定有重要意义。在本研究中,我们对前期筛选到的1281个耐盐相关候选SNP即SNPr(SNP related to salt tolerance)进行分析,利用BEDTools软件获得位于基因上的SNPr,并使用AgriGO(http://bioinfo.cau.edu.cn/agriGO/)和KAAS(http://www.genome.jp/tools/kaas/)网站对这些基因进行GO和KEGG分析。借助perl编程,获得非同义SNPr。分析发现,1281个SNPr中,有353个位于基因上,其中247个位于基因外显子区,且有174个是非同义SNPr。从中选择12个非同义SNPr,使用CAPS/dCAPS引物进行验证,并结合田间耐盐鉴定的结果,最终得到1个与耐盐相关的SNPr。这个SNPr位于CHD3/CHD4家族基因上,可能与盐胁迫过程中的表观修饰有关。     

陆地棉NAC转录因子基因GhNAC6的克隆、表达和耐盐性分析

【目的】NAC(NAM-ATAF-CUC)家族是植物细胞内特有的1类转录因子家族,参与植物的抗逆过程。为了研究棉花抗逆的分子机制,本研究从陆地棉TM-1中克隆到1个NAC转录因子基因并研究了其功能。【方法】根据其序列同源性和进化分析结果,将该基因命名为GhNAC6,本文对GhNAC6进行了生物信息学和表达分析,并利用病毒诱导基因沉默技术在棉花中沉默GhNAC6的表达。【结果】GhNAC6全长为1629 bp,包含2个内含子,其中编码区为900 bp,编码1个相对分子质量为33.9×10~3、等电点为6.18的蛋白。GhNAC6启动子区段包含多个与诱导表达和组织特异表达相关的顺式作用元件。转录组数据分析结果表明,GhNAC6在棉花发育的不同时期具有时空表达差异性;实时荧光定量核酸扩增检测结果显示GhNAC6还受到植物激素水杨酸、乙烯利、茉莉酸甲酯和逆境胁迫低温、高温、高盐、伤口的诱导。干涉GhNAC6基因发现,降低GhNAC6基因的表达能增强棉花对盐胁迫的耐受性。【结论】研究结果表明GhNAC6可能参与了棉花发育、逆境响应和激素信号传导的过程。     

一个FIF1基因的SNP及定位研究

分子标记辅助选择逐步成为植物育种的重要方法。然而需要更多的实用的分子标记,尤其是与重要农艺性状紧密连锁的标记。目前,许许多多的方法已经应用到棉花结构基因组的标记开发,但是棉花SNP标记鲜见报道。FIF1基因是棉纤维优势表达的一个基因,研究证明它在棉纤维的发育过程中起着很重要的调控作用。根据已发表的亚洲棉FIF     

盐胁迫下棉花叶片差异蛋白表达的分析

以耐盐的陆地棉品种中07为研究材料,在其生长的三叶期,用未处理和0.4%NaCl胁迫处理24h的幼苗,分别提取其叶片全蛋白。通过等电聚焦和第二向SDS-PAGE技术获得完整的棉花叶片总蛋白图,利用ImageMaste-2DElite5.0软件分析各个差异蛋白在对照和0.4%NaCl胁迫24h后棉花叶片中的相对表达量,并选取质量好、实验重复性高的10个特异的差异表达蛋白质点进行基质辅助激光解吸电离串联飞行时间质谱(MALDI-TOF-TOF/MS)鉴定。结果表明,从对照和盐胁迫处理的双向电泳图谱中共检测到24个差异蛋白质点,这些差异蛋白质点的等电点分布集中在5.0～6.5之间,分子量分布集中在40.0～110.0kD之间;进一步质谱(MALDI-TOF-TOF/MS)分析鉴定的10个差异蛋白质点,其中4个蛋白质点获得了鉴定结果,这4个差异表达蛋白质点分别为1,5-二磷酸核酮糖羧化/氧化激酶α2(编号4)、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧化酶大亚基(编号5)、未知蛋白产物(编号19)和OEE2(编号32)。我们初步推测OEE2和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧化酶可能与棉花耐盐胁迫特性有关。     

基于高通量测序的露地菊(Chysanthemum×grandiflora)盐胁迫转录组分析

为揭示露地菊生长发育及耐盐胁迫的应答机制和分子基础,本研究以盐胁迫处理的露地菊及其对照为材料,使用Illumina Hiseq2500高通量测序平台对转录组进行测序,分别获得了60370448和71415448条Clean reads,通过序列拼接组装得到45591条Unigene,平均长度724 bp。有37675条Unigene在七大数据库(COG,GO,KEGG,KOG,Pfam,Swiss-Prot,NR)中得到注释。通过比对露地菊盐胁迫处理组和对照组样品间Unigene的表达量及在各数据库中的注释情况,统计得到:有4143条差异表达基因获得注释;有2441条差异表达基因在GO数据库中获得功能注释;注释到COG数据库中的2281条差异表达基因依据功能可分为25类;有1062条差异基因映射到KEGGPathway数据库中,涉及了199个代谢通路,包括核糖体途径、植物激素信号传导途径、淀粉蔗糖代谢、碳代谢、氨基酸的生物合成等。本研究获得的转录组数据将有助于揭示露地菊生长发育及耐盐胁迫的应答机制和分子基础,及相关抗性基因的挖掘和分子辅助育种等方面的研究。     

Genome-Wide Analysis of MIKCC Gene Family in Cotton

[Objective] In plants, floral organ identity and the process of the transition from vegetative to reproductive development is regulated by MIKC^C gene family. Whole genome analysis is helpful to understand the evolutionary history of MIKC^C genes and provides the basis for an in-depth analysis of molecular mechanism of MIKC^C family in flowering and floral organ development in cotton. [Method] Whole genome identification of MIKC^C genes were carried by HMMER 3.0 and pfam gene bias expression and were clustered based on the RNA-seq data. [Result] We identified 100 MIKC^C genes and classified them into 11 subfamilies, according to their phylogenetic relationships to the Arabidopsis and Vitis vinifera MIKC_C genes. According to their expression profiles, MIKC^C genes were classified into four types. The MIKC^C genes of C/D and E subfamily were particularly highly expressed during cotton fiber elongation stage, indicating gene functional differentiation in cotton evolution. 12 of the 100 MIKC^C genes contains miRNA target sites, indicating that the flower development and the transition from vegetative to reproductive development of cotton may be regulated by miRNAs. [Conclusion] This study not only showed the functional differentiation of MIKCC genes in cotton fiber development, but also found that MIKC^C family genes may be regulated by miRNAs in the growth and development of cotton, which provided the useful information for further functional studies of MIKC^C genes in cotton.     

Quantitative trait locus mapping of drought and salt tolerance in an introgressed recombinant inbred line population of Upland cotton under the greenhouse and field conditions

Drought and salt tolerances are complex traits and controlled by multiple genes, environmental factors and their interactions. Drought and salt stresses can result in more than 50% yield loss in Upland cotton (Gossypium hirsutum L.). G. barbadense L. (the source of Pima cotton) carries desirable traits such as tolerance to abiotic and biotic stress along with high fiber quality. However, few studies have been reported on mapping quantitative trait loci (QTL) for abiotic stress tolerance using a permanent bi-parental population in multiple tests. The transfer of drought and salt tolerance from Pima to Upland cotton has been a challenge due to interspecific hybrid breakdown. This issue may be overcome by using introgression lines with genes transferred from Pima to Upland cotton. In this study, four replicated tests were conducted in the greenhouse each for drought and salt tolerance along with another test conducted in a field for drought tolerance using an Upland recombinant inbred line population of TM-1/NM24016 that has a stable introgression from Pima cotton. The objectives of the study were to investigate the genetic basis of drought and salt tolerance and to identify genetic markers associated with the abiotic stress tolerance. A total of 1004 polymorphic DNA marker loci including RGA-AFLP, SSR and GBS-SNP markers were used to construct a genetic map spanning 2221.28 cM. This population together with its two parents was evaluated for morphological, physiological, yield and fiber quality traits. The results showed that drought under greenhouse and field conditions and salt stress in the greenhouse reduced cotton plant growth at the seedling stage, and decreased lint yield and fiber quality traits in the field. A total of 165 QTL for salt and drought tolerance were detected on most of the cotton chromosomes, each explaining 5.98–21.43% of the phenotypic variation. Among these, common QTL for salt and drought tolerance were detected under both the greenhouse and field conditions. This study represents the first study to report consistent abiotic stress tolerance QTL from multiple tests in the greenhouse and the field that will be useful to understand the genetic basis of drought and salt tolerance and to breeding for abiotic stress tolerance using molecular marker-assisted selection in cotton.