基于三代测序技术的植物信号通路相关基因在胡杨异形叶发生中的功能分析

胡杨异形叶发生的分子机制目前仍不清楚。为了探究胡杨不同叶形的发生机制,本研究利用三代测序(TGS)结合二代测序技术,完善了胡杨的转录组数据,建立了胡杨条形叶、披针形叶、卵圆形叶和宽卵形叶的基因表达谱,并进一步分析了胡杨异形叶发生过程中植物信号通路相关基因的表达模式和作用。结果表明,胡杨叶组织中共有59 004个mRNA,其中新发现的mRNA有9 328个;根据胡杨中全部mRNA的表达趋势将其分为27种模式,其中两个模式(模式4和模式23)中总计4 284个基因表达趋势与叶形指数变化完全一致或完全相反,是胡杨异形叶发生相关基因;胡杨异形叶发生相关基因中,参与脱落酸(ABA)信号通路的基因有9个、生长素(IAA)信号通路的有29个、细胞分裂素(CTK)信号通路的有10个、赤霉素(GA)信号通路的有3个,这些基因的功能和表达趋势表明,大多数促进这些信号通路的基因从条形叶到宽卵形叶表达量持续上调,大多数抑制这些信号通路的基因的表达量则持续下调。本研究结果表明,胡杨从条形叶到宽卵形叶的转变与ABA、IAA、CTK和GA信号通路的活跃程度增加密切相关,这些发现对揭示胡杨异形叶形成的分子机制和胡杨培...     

次生代谢相关ceRNA调控网络在胡杨异形叶发生中的作用分析

为了探究胡杨异形叶发生的分子机制,本研究以胡杨的四种异形叶(线形,披针形,卵圆形,阔卵形)为材料,利用链特异性转录组测序鉴定了胡杨异形叶中的lncRNA和circRNA,建立了它们的表达谱,筛选出差异表达的lncRNA和circRNA,构建了它们的ceRNA调控网络,用Gene Ontology对它们的靶基因(mRNA)进行了注释和分类,确定了参与次生代谢的lncRNA和circRNA,分析了它们在胡杨异形叶发生中的作用。结果表明,在胡杨异形叶中,共有4 460个lncRNA (其中442个为新发现)和1 149个circRNA (全部为新发现),鉴定出差异表达的371个lncRNA和24个circRNA,根据ceRNA机制和它们的靶基因的功能,发现参与次生代谢的有26个lncRNA和13个circRNA。研究还发现,lncRNA在披针形和卵圆形叶的表达模式最相似,与线形叶的差别最大,而circRNA则在线形和披针形叶的表达模式最相似,与阔卵形叶的差别最大,根据受它们调控并差异表达的mRNA的功能,发现它们主要参与木质素的代谢,还与萜类和酚类的代谢以及发育过程相关。本研究表明lncRN...     

参与胡杨异形叶发生的长非编码RNA筛选、鉴定和功能分析

长非编码RNA(long non-coding RNA,lnc RNA)是真核生物中广泛存在的一类转录本超过200 nt不编码蛋白质的RNA,参与干细胞维持、胚胎发育、细胞分化、细胞生长、细胞凋亡、代谢、信号传导以及免疫应答等生理或病理过程的调控。本研究结合植物基因组特点以及高通量RNA测序数据,采用生物信息学手段建立并优化了一套植物lnc RNA筛选和鉴定的方法。利用此方法在胡杨异形叶发生的138 845个RNA-Seq测序数据中,筛选并鉴定了2 448个参与胡杨异形叶发生的lnc RNA,并进一步对其功能进行预测和分析,为研究胡杨异形叶生长发育特性及最终揭示叶形发育的分子机制提供资料和理论帮助。     

胡杨PeuTCP6基因在毛白杨中过量表达引起叶形改变

为进一步验证胡杨PeuTCP6基因调控叶形发育的功能并初步分析其分子机制,本研究在毛白杨(Populus tomentosa)中超量表达PeuTCP6基因,并对获得的超表达株系进行了表型分析和转录组分析。表型分析发现,超量表达PeuTCP6的转基因毛白杨植株幼叶出现向远轴侧卷曲的现象,叶片叶面积显著减小,并且叶片变窄,叶指数显著增加,叶片表皮细胞显著增大。亚细胞定位分析显示,PeuTCP6蛋白定位于细胞核。转录组分析表明,超量表达PeuTCP6的毛白杨植株中有6 709个基因表达存在差异,其中3 423个基因表达水平上调,3 285个基因表达水平下调。其中,参与叶形发育调控的HD-ZIP Ⅲ家族基因、ARF4、CRF2、HEC1、ARR4等基因表达水平降低,而YABBY家族基因、GRF5、COL5、AS1等基因表达水平则有所升高;SPL家族基因则出现了表达水平的分化,SPL8、SPL10和SPL13表达水平升高,而SPL14表达水平则降低。本研究验证了胡杨PeuTCP6基因对叶形发育调控的功能,为后续分子机制的阐述提供了研究基础。     

大豆叶型性状全基因组关联分析与候选基因鉴定

大豆叶片的形状和垂直分布影响群体冠层结构和光合效率并最终影响大豆的产量。植物叶片大小、形态因着生位置不同而产生差异的现象称为异形叶,虽然异形叶现象在被子植物中广泛存在,但目前关于大豆叶片发育过程中异形叶的调控的研究还很有限。本研究通过对283份大豆种质资源的叶长、叶宽、叶形指数和异形叶指数等叶型相关的性状在江苏南京进行连续2年的考察,利用全基因组关联分析检测到181个叶型性状相关位点,其中能够在2个环境或多个性状中重复检测到的位点18个。利用检测到的与叶型相关的SNP位点,结合基因的表达谱数据、拟南芥中同源基因的功能,鉴定与大豆叶片发育和异形叶形成相关的候选基因。其中在20号染色体的相关位点Chr20:36152820上游发现已知的大豆叶形调控基因Ln (Glyma.20G116200)。此外,在19号染色体的相关位点Chr19:45155943附近鉴定到2个候选基因Glyma.19G192700、Glyma.19G194100,分别被注释为Growth-regulating factor 4 (GRF4)和LITTLE ZIPPER 3 (ZPR3)基因的同源基因,为阐明大豆异形叶等...     

水稻叶片形态建成分子调控机制研究进展

叶片形态是水稻“理想株型”的重要组成部分,是当前水稻高产育种关注的重点。本文通过对已克隆多个叶形相关调控基因综述了水稻叶片形态(叶片卷曲度、倾角、披散程度以及叶片宽度)建成的分子遗传学研究进展。综合分析认为,水稻叶片的卷曲主要是通过卷叶基因调控叶片近轴/远轴间的发育、泡状细胞的发育及其膨胀和渗透压、厚壁组织的形成以及叶片角质层的发育等来实现。影响植株空间伸展姿态的叶倾角主要通过叶角基因调控油菜素内酯的信号传导来影响叶枕细胞的生长发育;唯一被克隆的影响叶片披垂度的披叶基因DL1是通过控制叶片中脉发育而改变叶片形态的;而窄叶基因则主要通过调控生长素的合成与极性运输、维管组织的发育和分布,影响叶片维管束数目及宽度。但到目前为止,所有已克隆的叶形调控基因间相互调控关系的研究还不够深入,还不能完整清晰地勾勒水稻叶形建成和发育的分子调控网络。因此,在已有的研究基础上更深入地探索水稻叶片形态建成的分子调控机制,对进一步构建相关的调控网络,塑造水稻理想株型具有重要意义。     

棉花GaLMI1-like基因功能及其启动子表达分析

LMI1基因是叶片锯齿状结构发育调控的关键基因。为了研究棉花鸡脚叶发育的机理,通过PCR扩增技术从A基因组棉花亚洲棉石溪亚1号中克隆出GaLMI1-like基因及其启动子序列,大小分别为681,1 439 bp。结构域分析发现,GaLMI1-like蛋白含有与陆地棉中同源基因一样的homeobox结构域,进一步构建了GaLMI1-like基因过表达载体p6MYC-GaLMI1-like,转化拟南芥后验证了GaLMI1-like基因具有调控叶片缺刻表型发育的功能。对启动子序列进行顺式作用元件分析,发现其除了具有CACA-box和TATA-box等基本作用元件外,还具有光响应及根、茎和叶肉特异性表达相关元件。构建了GaLMI1-like启动子的GUS融合表达载体并转化拟南芥,GUS染色结果显示,该启动子能够驱动GUS基因在根中柱、茎和叶片中表达,其中在叶片中染色较深。上述结果表明,GaLMI1-like基因具有调控缺刻叶形成的功能,且此调控棉花叶形发育的功能是通过GaLMI1-like启动子调控其在叶片中强表达实现的。     

胡杨F-box基因克隆和功能分析

F-box蛋白在泛素-蛋白酶体途径中能够特异识别底物蛋白,调节多种激素的信号转导途径,并响应多种非生物胁迫,参与植物抗逆途径。胡杨(Populus euphratica)是中国西北沙漠唯一能成林的高大乔木树种,对盐碱、干旱、极端温度等抵抗能力较强,是研究林木抗逆机理的候选模式树种。本研究对胡杨耐盐性状关联分析获得的F-box基因进行克隆、表达特性分析、亚细胞定位和转化胡杨原生质体的耐盐性测定,旨在研究胡杨F-box基因的功能特性。胡杨F-box基因全长1 086 bp,编码361个氨基酸,含有一个F-box domain和一个F-box associated domain。q RT-PCR表明胡杨F-box基因在各组织中均有表达,无组织特异性,其表达受盐、高温、低温、干旱和ABA胁迫诱导。PEG介导的胡杨原生质体瞬时表达发现F-box蛋白定位于细胞核上,流式细胞术证实过表达F-box基因能够提高胡杨原生质体的耐盐性。研究初步揭示了胡杨F-box基因的表达特性和耐盐性,为进一步解析胡杨F-box基因的功能及胡杨抗逆分子机理提供帮助。     

陆地棉L-D1等位基因特异性分子标记的开发及应用

【目的】L-D1基因调控陆地棉叶形。本研究设计特异分子标记精准鉴定L-D1等位基因,为其在陆地棉冠层结构改良中的应用提供支撑。【方法】利用具有鲁棉研28号遗传背景的L-D1等位基因近等基因系,分析不同等位基因组合对叶形的影响。根据4个等位基因的启动子和编码区的多态性设计特异分子标记,并对不同叶形中的等位基因进行检测。【结果】L-D1基因从3叶期开始调控叶片叶裂的形成,4～8叶期叶裂不断加深,从9叶期开始基本稳定;L-D1等位基因不同组合可形成相似叶形,仅从形态上难以准确辨别。克隆获得L-D1位点4个等位基因起始密码子前约4 kb的启动子片段,发现24个SNPs(Single nucleotide polymorphism,单核苷酸多态性)、1个133 bp及1个14 bp的插入缺失。根据等位基因启动子及编码区的SNP和缺失插入开发了1个Indel分子标记InDel＿8和2个衍生酶切扩增多态性序列标记dCAPS＿192、dCAPS＿519,分别为l2、L2o、L2s的特异分子标记。【结论】根据陆地棉中控制叶形的L-D1等位基因间的差异开发了3个特异性分子标记,可用来鉴定不同的L-D1等位基因。     

单、双子叶植物气孔发育调控差异研究进展

作为植物与外界进行气体(如CO_2和水蒸气)交换的门户,气孔分布于植物茎、叶、果实和种子等器官的表皮上。植物通过调节气孔的开闭、大小和数目来控制气体的出入以适应环境。植物气孔类型多样,目前,最为典型的有两种类型,即双子叶植物的肾形气孔和单子叶植物的哑铃形气孔。从结构上讲,肾形气孔比哑铃形气孔少了一对副卫细胞,从进化角度讲,后者比前者更为进化。最近的研究工作揭示了控制气孔发育的主要关键基因以及环境信号调控气孔发育的基本途径。本研究主要从单、双子叶植物气孔的进化、发育、调控等方面阐述气孔发育及其调控机理的研究进展。     

小麦TaYAB2基因的过量表达造成转基因拟南芥叶片近轴面特征趋向远轴面

叶片极性的建立在叶片形态建成过程中有重要作用。探讨小麦叶片发育的调控机制不仅可以丰富植株形态建成的基础知识, 也可以为小麦株型的设计提供理论依据。本研究从小麦中分离出一个YABBY基因家族成员TaYAB2, 对其序列特征、表达模式及功能进行了分析。该基因编码的蛋白在N端含有C₂C₂锌指结构域, C端含有YABBY结构域, 与拟南芥中AtYAB2和水稻中OsYAB2同源关系较近。RT-PCR结果显示, 该基因在大部分组织器官中广泛表达。进一步的原位杂交分析证实TaYAB2基因的转录产物在小麦苗端、幼叶、侧芽、幼穗等组织器官中高水平积累。在拟南芥中过量表达该基因能够引起转基因拟南芥叶片近轴面特征趋向远轴面。与对照相比, 转基因植株中远轴面特征决定基因FIL/YAB1、YAB3、KAN1的表达均呈不同程度的上调, 表明TaYAB2基因可能通过调节远轴面特征决定基因FIL/YAB1、YAB3、KAN1等调控叶片近-远轴极性。本研究结果有助于揭示YABBY类基因在小麦侧生器官近-远轴极性建立中的分子机制。     

花期玉米(Zea mays)穗三叶叶形结构的遗传效应及配合力分析

为了剖析玉米叶形结构的遗传规律,进而拓宽优良株型自交系的遗传基础。本研究以12份不同叶形结构玉米自交系组配的32份F1杂交种为试材,在2个生态环境下,花期采用加性-显性-母体遗传模型(ADM)对其穗三叶叶长、叶宽、叶夹角、叶向值及叶面积进行遗传效应和配合力分析。结果表明:(1)玉米穗三叶叶长、叶宽及叶向值主要受基因的加性效应调控,其次是显性效应,同时还兼受加性×环境互作效应或母体×环境互作效应等遗传体系的调控,育种改良中宜在早代对其进行选择;叶夹角主要受基因的母体效应调控,其次是加性效应,另外还受加性×环境互作效应及母体×环境互作效应影响,育种中宜选择叶夹角较小的材料作为母本进行改良;叶面积只受基因的显性效应及显性×环境互作效应的调控,其应从较晚世代中进行遗传选择。(2)除父本叶长的一般配合力差异不显著外,父本其余性状的一般配合力和母本全部性状的一般配合力间差异均显著或极显著,且这5个叶形相关性状的全部特殊配合力间差异极显著。(3)从相应自交系各性状的一般配合力相对效应值分析发现,‘锋1999马’和‘锋1913硬’的综合性状表现优良,有利于组配出叶片大小适中及株型紧凑的优良耐密高产F1杂交组合。研究结果表明,玉米穗三叶5个叶形结构的遗传效应不尽相同,相应亲本5个叶形结构的一般配合和特殊配合力间存在明显差异,因此在玉米叶形结构遗传改良上应按照相应性状的遗传特征选择对应改良策略进行改良,并根据综合性状表现优良的亲本有目的地组配杂交组合,提高玉米理想株型育种效率。本研究为进一步剖析玉米叶形结构的遗传机理及玉米理想株型育种提供参考。     

胡杨核转录因子PeNF-YB1克隆及其干旱响应表达

为阐明木本植物中核转录Y因子B亚基蛋白(NF-YB)及其编码基因在抗旱转录调控中的机制,运用生物信息学知识和方法,采用PCR克隆技术,以模式树种毛果杨基因组核转录Y因子B亚基蛋白同源序列为参考,从胡杨叶组织基因组材料中反转录获取了核酸长度为543 bp的目标基因PeNF-YB1。该基因编码的蛋白具有螺旋-环-螺旋二级结构,含有NF-YB蛋白保守结构域和功能氨基酸,不含核定位信号肽;GFP亚细胞定位表明该基因在核中表达;PEG6000溶液干旱胁迫下,该基因表达具有早期上调、延后转为下调的响应变化。研究认为克隆的PeNF-YB1是植物NF-YB亚基基因家族成员,并在干旱早期响应过程中起转录表达作用。研究结果不仅说明了NF-YB转录因子在木本植物中的抗旱作用,也为树木抗旱调控机制的阐明提供了重要参考。     

半定量RT-PCR方法检测FADX基因在油桐种子发育过程中的表达

桐酸合成酶基因FADX是油桐(Vernicia fordii)桐酸合成的关键基因,专一地表达于油桐正在发育的种子中。为研究其在油桐种子发育过程中的表达特点,筛选出甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因GAPDH为内参基因,并以此检测FADX在油桐种仁中的表达。结果表明FADX在油桐果实发育早期处于低表达状态,至果实发育中期开始大量表达,这与油桐桐酸含量在果实发育过程中的变化规律是一致的,从一个方面证明FADX与油桐的油脂合成紧密相关,有助于油桐油脂合成与调控的研究。     

杜鹃花ARFs转录因子RmARFgn的克隆和生物信息学分析

生长素是重要的植物激素,参与调控植物生长、发育和器官分化等几乎所有生理过程。生长素响应因子家族是生长素发挥调控功能的重要基因,在生长素信号传导过程中起重要的作用。从百里杜鹃景区广泛种植的高山杜鹃中克隆了一个ARF类转录因子基因,命名为RmARFgn。该基因编码蛋白含700个氨基酸,与水稻生长素早期响应基因OsARF1高度相似。通过调控RmARFgn基因在杜鹃花内的表达,可以控制杜鹃花的花期和器官形态。该研究为杜鹃花的发育调控打下了基础。     

白花虎眼万年青QtNPY4组成型表达对烟草叶片形态的影响

白花虎眼万年青的离体叶片在细胞分裂素作用下叶片表面产生多个珠芽,即"叶上珠芽",其再生机制尚需阐明。白花虎眼万年青叶上珠芽转录组分析表明,NPY基因在该过程中发挥了重要作用;NPY基因是BTB基因家族的重要成员,在生长素调控下参与了器官发生。为了探析白花虎眼万年青叶上珠芽的发生机制,我们将来自白花虎眼万年青的叶上珠芽的QtNPY4基因置于泛素启动下在烟草中持续表达,在细胞分裂素调控下转基因烟草出现了叶片浅裂、倒卵形甚至叶脉长芽等多种表型。以上研究说明QtNPY4基因具有调控维管束发育和茎尖分生组织活性的功能,能提高植物的再生能力,能赋予或提高叶表维管束分化和再生能力并且受细胞分裂素调控;可能在白花虎眼万年青的叶上珠芽的形成和发育过程中发挥重要作用,在生物技术中具有潜在的应用价值。     

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。     

拟南芥雌蕊发育基因调控网络研究进展

在进化过程中,植物演化出不同的有效繁殖策略。其中,雌蕊是被子植物成功繁殖的关键。拟南芥雌蕊是通过多极性系统建立起来的一个复杂的组织结构,它的发育需要通过极性建立组织特异性。拟南芥的雌蕊由两个先天融合的心皮形成,基因调控网络(gene regulatory networks, GRNS)控制和引导雌蕊的发育和分化。生长素-细胞分裂素激素途径作为GRNs的调控部分在雌蕊早期发育中起到重要作用。本综述介绍了最近几年拟南芥雌蕊发育早期相关基因,主要介绍了沿极性轴排列的雌蕊发育GRNs,同时介绍了内部和外部因素修饰GRNs的研究进展。     

荔枝早期体细胞胚发生相关microRNA的鉴定与分析

荔枝(Litchi chinensis Sonn.)种胚发育状态直接影响种子和果实大小及其品质,但迄今为止对其发育分子机理尚缺乏系统研究与了解。本研究利用‘御金球’荔枝幼叶诱导的胚性愈伤组织(EC)和早期体胚(SE)进行小RNA高通量测序。利用生物信息学方法鉴定体胚发生相关microRNA (miRNA),预测其靶基因,筛选潜在的miRNA-靶基因互作对;并利用实时荧光定量PCR (RT-qPCR)方法对差异miRNA与miRNA-靶基因的关系进行验证。在EC和SE小RNA文库中共鉴定得到属于564个家族的1 127个已知miRNAs。与EC相比,有88个miRNAs在SE中差异表达,包括51个上调和37个下调miRNAs。其中80个miRNAs预测得到581个靶基因,多为转录因子和参与初级、次生代谢途径的酶基因。根据基因表达模式共筛选得到167个具有负调控关系的miRNA-靶基因对,涉及胚胎发育、激素信号、氧化还原和细胞壁建成等生物学过程。RT-qPCR结果表明12个miRNAs的表达在胚性愈伤和体胚发生阶段变化显著,且4个miRNA-靶基因对具有负调控表达模式,这些结果与小RNA测...     

香蕉果实可溶性淀粉合成酶基因MaSSⅢ-1的分子特征与时空表达模式

为弄清香蕉果实可溶性淀粉合成酶基因(MaSSⅢ-1)的分子特征及时空表达模式,以‘巴西蕉’果肉为试材,采用PCR法进行MaSSⅢ-1基因克隆,通过Quantitative real-time PCR (qPCR)和Western blot技术对MaSSⅢ-1基因及其蛋白表达模式进行分析。结果显示:MaSSⅢ-1基因cDNA全长为2397 bp,编码798个氨基酸,包括4个典型的结构域,GenBank登录号为KU757067。MaSSⅢ-1基因在香蕉根、球茎、花和苞片中表达量较低,在叶、果皮和果肉中表达量较高;随着香蕉果实发育,MaSSⅢ-1基因表达量逐渐上升,在抽蕾后50～60天达到最大;随着果实采后成熟,MaSSⅢ-1表达量在采后5天达到最大,随后逐渐下降。在香蕉果实不同发育及采后成熟阶段,MaSSⅢ-1蛋白呈现出与mRNA水平相一致的表达趋势。证明MaSSⅢ-1基因的表达不仅涉及到香蕉果实支链淀粉合成代谢,可能还涉及采后早期果实成熟或者支链淀粉降解。