玉米耐旱分子育种研究进展

干旱是玉米生产的主要非生物胁迫因子之一,培育耐旱品种可以有效地保持其在干旱环境下的产量稳定性。目前,随着生物信息学数据库的不断完善及基因组学技术的发展,耐旱通用QTL的发掘以及关联分析技术在功能标记开发上的应用,新的耐旱相关转录因子／基因的克隆都为解释玉米耐旱性的复杂遗传网络和分子育种提供了新的机遇和方法。本文综述了耐旱基因组学研究进展及其在玉米耐旱分子育种上的应用。     

玉米产量相关性状QTL通用图谱的构建及功能候选基因的开发

通过生物信息学手段,收集整理玉米基因组数据库中产量相关性状的QTL信息,借助高密度玉米遗传连锁图谱IBM 2005 Neighbors和临近分子标记,建立了涵盖干物质和淀粉产量、籽粒相关性状、粒重相关性状以及穗部相关性状四大类共计18个指标的QTL通用图谱。并将位于QTL分布密集区域的基因,与水稻基因序列进行比对,找到了与水稻木质素合成有关的gh2具有高同源性的基因AY109876,同时改进了利用生物信息学手段筛选功能候选基因的路线图。     

基于转录组测序技术挖掘大豆蛋白质合成相关基因

通过转录组测序技术挖掘蛋白质合成相关基因,为解析蛋白质合成机制奠定基础。以遗传背景相近但蛋白含量差异较大的大豆高蛋白品系冀HJ117(蛋白质含量52. 99%)及其回交亲本冀豆12(蛋白质含量46. 48%)为研究材料,利用转录组测序技术和生物信息学分析,以期挖掘大豆籽粒蛋白质合成相关基因。通过对转录组数据中冀HJ117和冀豆12差异表达基因的分析筛选,共得到336个差异表达基因,其中冀HJ117较冀豆12有195个上调表达基因,141个下调表达基因。通过GO功能富集分析,发现在分子功能类型中注释的差异基因主要与催化和连接等功能相关; KEGG显著富集分析发现差异表达基因主要富集在蛋白质内质网合成途径中,该途径共筛选到34个差异表达基因,其中33个基因在冀HJ117中表达量较高。从该途径中筛选出9个候选基因,采用荧光定量PCR方法检测其表达量,表达趋势与RNA-Seq检测结果基本一致,证实了RNA-Seq数据的可靠性。RNA-Seq测序结果获得了与蛋白质合成相关基因的基本信息,蛋白质内质网合成途径可能是冀HJ117与冀豆12蛋白质含量产生差异的重要通路。     

胡桃楸激素调控相关JmDELLA基因克隆与表达分析

为探讨胡桃楸激素调控相关JmDELLA基因在花芽性别分化过程中的调控机理,本研究从胡桃楸转录组测序数据库中筛选出与激素调控相关DELLA基因的差异片段,通过PCR扩增技术获得DELLA基因CDS全长序列,命名为JmDELLA (GenBank登录号:400411)。并利用生物信息学软件对JmDELLA基因进行生物信息学分析,利用RT-PCR对胡桃楸不同器官组织进行表达分析。克隆获得JmDELLA基因的CDS序列全长为1 842 bp,编码613个氨基酸,将该基因编码的氨基酸序列比对和聚类分析,结果表明该基因与核桃(Juglans regia)、薄皮山核桃(Carya illinoinensis)、杨梅(Morella rubra)亲缘关系同源性可以达到80%以上。RT-PCR表达分析表明胡桃楸激素调控相关JmDELLA基因在雌、雄花芽中表达量最高,因此推测该基因参与了胡桃楸花芽性别分化的整个过程。该结果为深入解析胡桃楸雌雄异型异熟性别分化的分子调控机理提供理论依据。     

拟南芥转录因子CBF2的克隆与生物信息学分析

本研究旨在克隆转录因子CBF2并对其进行生物信息学分析得到该基因相关信息。试验以拟南芥基因组DNA为模板,根据GenBank中拟南芥转录因子CBF2(FJ491243.1)已知序列设计引物,回收扩增的目的片段与T-easy载体连接后转入大肠杆菌(E.coli DH5α),经蓝白斑筛选后提取重组体的质粒,经滞后筛选、PCR、酶切鉴定无误后进行测序。经生物信息学分析,该基因全长651 bp,其中编码区长648 bp,编码216个氨基酸,其蛋白的分子式为C₁₀₅₆H₁₆₂₃N₂₉₃O₃₃₃S₁₆,相对分子质量为24.26 kDa,等电点为5.00,该蛋白为亲水性非分泌型蛋白,无信号肽存在;其蛋白质二级结构以α-螺旋、β-折叠和无规卷曲为主。肽链可能含有9处丝氨酸磷酸化位点,6处苏氨酸磷酸化位点,以及2处酪氨酸磷酸化位点。本研究通过对CBF2基因的生物信息学分析,获得了该基因的相关信息,并与已有研究结果进行比对分析,推测该基因在植物抗逆过程中有重要的作用。     

玉米雄穗发育早期耐旱相关转录因子的发掘

为了发掘更多与玉米雄穗生长发育早期耐旱性相关的转录因子基因,选用耐旱型玉米自交系(DT)铁7922、X178,以及干旱敏感型自交系(DS)吉81162和丹340为试验材料。使用盆栽方法进行育苗,并在一致且适宜的肥水条件下培养至雄穗发育前期,通过人工模拟田间干旱胁迫及正常灌溉的方法对材料进行处理。采用RNA-Seq技术检测玉米雄穗发育早期在受到干旱胁迫后相对于正常灌溉处理而言,耐旱相关转录因子家族基因在转录水平上表达量的变化。结果共发现287个转录因子基因在受到干旱胁迫后相对于正常灌溉呈现差异表达。对差异表达基因进行功能富集和注释结果发现,差异表达基因中具有耐旱调控功能的转录因子基因34个。其中在2个耐旱型材料中共有且表达模式一致的基因6个;在2个干旱敏感型材料中共有且表达模式一致的基因3个;在4个材料中均呈显著差异表达的转录因子基因1个。研究结果为玉米雄穗发育早期耐旱功能转录因子基因发掘和耐旱分子育种提供了基因基础。     

马铃薯淀粉含量相关SSR分子标记的开发及候选基因的初步确定

淀粉含量是衡量马铃薯品质的重要性状之一,本试验以高淀粉四倍体马铃薯野生种‘YSP-4’与低淀粉四倍体马铃薯品系‘MIN-021’杂交获得的F2代分离群体为材料,基于BSA分析技术,开发了2个与马铃薯淀粉含量紧密连锁的SSR分子标记SSR-152和SSR-174,并对其进行单标记分析验证。本研究对这2个标记片段进行了回收、纯化、测序及blastn序列比对发现,与基因XM＿006348370.1的同源性分别为96.63%和98.04%,该基因可能与马铃薯淀粉合成相关基因Patatin和耐旱基因有关,通过调控糖的合成与代谢,进而影响淀粉含量的积累,初步确定为候选基因。这2个标记为马铃薯淀粉相关候选基因的筛选、克隆以及开展分子标记辅助育种等研究奠定了基础。     

玉米蔗糖转运蛋白基因ZmSUT3J的克隆及生物信息学分析

植物蔗糖转运蛋白是植物中特有的一类跨膜蛋白,负责蔗糖经韧皮部从源到库的运输以及库组织的蔗糖供给。为了解析单子叶特异的玉米蔗糖转运蛋白基因ZmSUT3的生物学功能,本研究利用RT-PCR方法,从玉米自交系‘吉853’的基因组中克隆得到蔗糖转运蛋白ZmSUT3基因,命名为ZmSUT3J。测序结果表明:开放阅读框(ORF)长度为1 527 bp,编码508个氨基酸的蛋白质即ZmSUT3,分子量为53.51 kD。利用生物信息学的方法分析ZmSUT3蛋白属于疏水的MFS蛋白超家族,含有多个磷酸化位点,主要定位在质膜和叶绿体类囊体膜上,具有12个弯曲交叉的螺旋结构,属于跨膜蛋白。系统进化树分析表明,ZmSUT3蛋白属于SUT3亚族,与高粱的Sb SUT3亲缘关系较近。启动子区域生物信息学分析结果显示,含有多个组织特异性调控元件,还有激素调节及胁迫诱导相关顺式作用元件,推测ZmSUT3在库组织中发挥作用,参与激素相关胁迫应答反应。为验证ZmSUT3J基因的生物学功能,本研究构建了植物表达载体,为研究ZmSUT3在玉米中的功能奠定了基础。     

香菇疏水蛋白hyd1基因高温胁迫下表达与生物信息学分析

为了探讨香菇中疏水蛋白hyd1基因在高温胁迫下的变化情况,进而研究提高香菇对高温的耐受性。本研究首先找出香菇中疏水蛋白hyd1基因序列,筛选出耐高温的香菇菌株18N44和高温敏感型的菌株18为研究对象,比较了高温胁迫下疏水蛋白hyd1基因在香菇两菌株中的相对表达量差异,最后对hyd1基因所编码的氨基酸序列进行了生物信息学分析。实时荧光定量PCR结果显示,在整个高温胁迫期间(4 h除外),香菇菌株18N44的hyd1基因表达量显著高于18;生物信息学分析结果显示,香菇hyd1基因所编码的蛋白质由127个氨基酸组成,属分泌型蛋白,含多个功能位点,与平菇的亲缘关系较近。hyd1基因高温胁迫下表达与生物信息学分析可为香菇耐高温相关机制的进一步研究提供理论参考。     

成熟期番茄果实cDNA文库的构建及SlHSP17.7互作蛋白的筛选

植物小分子热激蛋白(small heat shock proteins, s HSPs)是一种多样、古老的蛋白家族,分子量大小普遍在12~42 k D之间,包含典型的C端、N端和α晶状体蛋白域。s HSPs作为一种重要的分子伴侣在植物生长发育和响应逆境胁迫中起着重要的作用。本研究通过构建成熟期番茄果实cDNA文库,筛选与SlHSP17.7互作的蛋白,进而探索SlHSP17.7在果实发育进程中的分子机制。以Micro-Tom番茄绿熟期、转色期和完熟期果实cDNA为模板,构建番茄果实c DNA文库。构建pGBKT7-SlHSP17.7诱饵载体筛选与其互作的蛋白,利用酵母双杂交实验验证互作关系。经检测番茄果实cDNA文库库容是2.2×10~6CFU,工作液细胞密度是3.6×10~7cell/mL,均一化程度>106,结果符合质控要求。将pGBKT7-SlHSP17.7诱饵载体转化Y2HGold酵母菌株检测发现,其无毒性和自激活现象,经筛选c DNA文库、测序及序列比对分析得到钙阳离子交换体SlCCX1-like蛋白,利用酵母双杂交实验验证发现二者存在互作关系。经PCR鉴定后,所建文库质量良好,文库的库容和文库滴度均符合建库要求,用pGBKT7-SlHSP17.7诱饵载体筛选得到互作蛋白SlCCX1-like,为进一步研究在果实发育进程SlHSP17.7的生物学功能提供了保障。     

水分胁迫柠条锦鸡儿叶片均一化全长cDNA文库的构建及EST分析

柠条是包括内蒙古在内干旱荒漠草原上的优势建群植物,具有极强的耐旱(寒)力,为了研究其抗逆机理,挖掘和利用其抗旱基因,用Trizol法从经过干旱处理的柠条当年新生幼嫩枝叶中提取总RNA,分离纯化mRNA,采用SMART技术反转录合成双链cDNA,DSN技术进行均一化,构建了柠条全长cDNA文库。经检验,文库的滴度为1.5×106 cfu/mL,重组率为93.75%,90%以上插入片段的长度为1.0～2.0 kb。从文库中随机挑取3200个克隆进行5’测序,得到3020个有效EST,合成2429个unigenes,其中,singlets 2229条,占总有效序列的91.76%,经与数据库比对,发现了脱水素、抗旱相关转录因子等多个抗旱相关基因。     

擎天凤梨泛素基因的克隆与序列分析

鉴于泛素与植物受高温等环境胁迫下产生的一些诱导型蛋白降解有关,本研究根据擎天凤梨Ostara早期花器的全长cDNA文库,经大规模随机测序及重叠群（contigs）内EST序列的拼接,获得了擎天凤梨多聚泛素基因全长cDNA序列（GenBank登录号：GQ890686）,序列长1896bp,开放阅读框长1323bp,编码441个蛋白氨基酸残基,蛋白质分子质量为49.3kD,等电点pI为6.59。蛋白二级结构预测显示,该蛋白主要由随机卷曲、延伸链、α螺旋和β-转角组成;系统进化树分析表明与拟南芥推定的多聚泛素UBQ10（gi｜23397122｜gb｜AAN31845.1｜）亲缘关系最近;经推断它是由5个单体泛素组成的多聚泛素。本研究有助于进一步探讨该基因在低温胁迫下的反应机理以及如何采用分子调控手段增强擎天凤梨的耐低温能力。     

Comparison and development of EST–SSRs from two 454 sequencing libraries of Gossypium barbadense

EST–SSRs of Gossypium barbadense are mainly developed using traditional Sanger sequencing. However, due to the high cost and low throughput of Sanger sequencing, it is necessary to use high throughput sequencing technology for the development of more ESTs to more effectively analyze the structure and function of this species. In this study, a G. barbadense acc. 3–79 unnormalized fiber cDNA library (219.63 Mb) and a G. barbadense cv. Hai7124 normalized root cDNA library (204.61 Mb) were obtained by 454 sequencing. EST–SSRs were identified from the two libraries, and only 7,255 SSRs were obtained from the unnormalized library, with an average frequency of 1/31.00 kb. In contrast, 16,087 SSRs were obtained from the normalized library, with an average frequency of 1/13.02 kb. The frequencies of dinucleotides and tetranucleotides in the two libraries were very different. Comparing the two libraries, we found that a normalized cDNA library is more efficient for mining SSRs. Integrating the two libraries allowed the development of 1,129 EST–SSR markers, and 311 polymorphic loci were integrated into our interspecific BC₁ genetic linkage map. The mapping results showed that the distribution of EST–SSRs on sub-genomes and chromosomes was uneven; however, the distribution of the mapped G. barbadense EST–SSRs on homologous chromosomes was similar, with the exception of Chr05 versus Chr19 and Chr12 versus Chr26. This study provided new EST–SSR markers that will facilitate studies on cotton genetics and breeding.     

]斜纹夜蛾取食诱导棉花抑制性消减文库的初步构建及生物信息学分析

 为了筛选棉花抗逆基因,实验室构建了棉花被斜纹夜蛾幼虫取食诱导的正、反向抑制性消减文库。文库随机各挑取1000个克隆进行PCR鉴定,发现插入片段长度主要集中在200~1000 bp之间。经反向Northern杂交筛选,正向文库随机挑取250个克隆测序,得到了35条非重复序列ESTs,反向挑取150个克隆,得到24条ESTs。GenBank数据库BLAST序列相似性比对功能分析表明,斜纹夜蛾幼虫取食胁迫棉花的应答过程涉及信号传导、基因调控、抗胁迫、防御反应、能量合成代谢、细胞生长延伸等多个生物途径。诱导表达的基因对斜纹夜蛾取食胁迫功能表现为一定的直接或间接保护作用。     

彩叶草叶片cDNA文库的构建与分析

用植物(叶)总RNA抽提试剂盒提取彩叶草红色品种顶部叶片总RNA,用SMART cDNA Library Construction Kit构建cDNA文库。经测定原始文库滴度为1.2×106 pfu/ml,扩增总文库滴度为6.7×109 pfu/ml,重组率达到98%,插入片段在0.5 kb到2 kb之间,1 kb以上的占60%。通过PCR检测,从总文库中检测到了彩叶草CHS、DFR 及ANS基因的特异片段。各项指标都表明,已获得较高质量的cDNA文库,为彩叶草叶色基因的分离克隆,彩叶草类黄酮类色素合成的分子调控的研究奠定了基础。     

擎天凤梨花器官全长cDNA文库的构建及EST分析

为了通过基因工程手段来培育花色丰富、花型奇特的擎大凤梨新品种,从擎天凤梨中筛选出花色、花型相关调控基因则是十分必要的.本研究以擎天凤梨属品种Ostara为材料,采用SMART技术成功构建了擎天凤梨花器官的质粒型全长cDNA文库,初始文库滴度为3×10~6,插入片段平均长度大于1 kb;随机挑取2004个阳性克隆进行5'EST测序,获得高质量序列1 758条,经拼接获得1 365条单基因簇(unigene),其中跨叠群(contig)175个和单条序列(singlet)1 195个;经ORF寻找共获得有效ORF 1 283条;经COG分析EST序列编码的蛋白质被分为22类;经Blast分析后,获得一批花色、花器官发育、花期调控以及其它育种价值基因(包括cDNA全长或片段).该研究结果为擎天凤梨的花色、花型转基因等育种奠定了基础.     

利用SSH技术鉴定香蕉体细胞胚发生相关基因

本研究以野生蕉胚性悬浮系为材料,将胚性细胞增殖培养基上的香焦胚性悬浮系作为对照,体胚诱导培养基上的培养材料为处理,利用抑制性消减杂交(suppression subtractive hybridization,SSH)技术,构建野生蕉胚性悬浮系激素诱导的胚胎发育差异表达cDNA文库,随机挑选阳性克隆并进行生物信息学分析...     

枸杞中番茄红素β-环化酶基因(LycB)的分离

以宁夏枸杞叶片为材料,采用异硫氰酸胍—酚—氯仿法提取完整的总RNA,利用PolyATract mRNA Isolation System(Promega公司)分离mRNA,然后利用Universal Riboclone RcDNA Synthesis System(Promega公司)合成双链cDNA,在cDNA末端连接上EcoRⅠ接头,并与λExCell载体连接,利用Packagene Lambda DNA Packaging System进行包装,在国内外首次构建出滴度为2.78×105 pfu/ml,重组效率为88.1%的枸杞叶片cDNA文库。用Digoxigenin(DIG)标记龙胆草LycB探针,并对枸杞叶片cDNA文库进行筛选,获得5个LycB cDNA阳性克隆。释放质粒后,进行酶切鉴定,LycB阳性克隆cDNA插入片段的大小为2.1kb左右。为利用基因工程手段来调控类胡萝卜素的生物合成奠定了基础。