玉米bZIP基因应答逆境胁迫的表达模式分析

为了探讨玉米bZIP基因家族成员在玉米抗逆中的作用,以玉米骨干自交系郑58为试验材料,设置200 mmol/L的NaCl溶液、20％PEG6000(Polyethylene Glycol 6000)、4℃低温和硝态氮或铵态氮缺乏胁迫试验,利用qPCR技术,对9个ZmbZIP基因应答各类逆境胁迫的响应表达模式进行了分析....     

硝酸盐胁迫对玉米幼苗氮同化相关酶的影响

为了研究硝酸盐胁迫对玉米幼苗生长相关酶活性的影响,在前人研究工作的基础上以郑58、郑单958和昌7-2为研究材料,采用溶液培养方法,在不同浓度硝酸盐胁迫下,对3个品种的幼苗进行硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、超氧化物歧化酶活性的测定。揭示了玉米幼苗在适宜、高、低浓度硝酸盐供应条件下3种酶活性的变化。结果显示:硝酸盐浓度2.00 mmol/L时,根系和叶片的超氧化物歧化酶活性较低,说明该浓度范围可以作为玉米幼苗适宜培养浓度。低(0.02,0.20 mmol/L)、高(10.00,20.00 mmol/L)浓度硝酸盐条件下,SOD活性明显上升,杂交系郑单958体内SOD活性明显高于亲本郑58和昌7-2品种(P0.05),说明郑单958品种在胁迫条件下有较高的自我保护作用。低硝酸盐浓度(0.02,0.20 mmol/L)时,随着硝酸盐供应浓度的增加硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性增强;高硝酸盐浓度(10.00,20.00 mmol/L)时,硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性下降。叶片NR活性下降程度小于根系,说明硝酸盐供应变化对根系影响较大。父本昌7-2对硝酸盐的还原作用明显弱于母本郑58和子代郑单958,尤其在胁迫条件下存在显著差异(P值均0.05)。谷氨酰胺合成酶的变化趋势与硝酸还原酶活力基本相似。     

玉米自交系响应花粒期高温胁迫差异表达基因的分析

为了探明玉米重要自交系花粒期高温胁迫下转录组基因的表达差异,发掘玉米响应高温胁迫的关键基因和蛋白质,明确高温胁迫引起玉米减产的机理,从而利用分子生物学技术手段提高玉米耐高温胁迫性。首先,利用Ampha~(TM)Z30花粉活性分析仪检测高温胁迫和正常生长条件下玉米自交系昌7-2、郑58的花粉活性。然后收集花粉提取总RNA,利用Illumina Hiseq2000~(TM)高通量测序技术分别对昌7-2、郑58花粒期高温胁迫材料和正常生长条件下的对照材料进行全转录组测序,序列结果分析后获得差异显著表达基因。通过差异基因维恩图(VENN图)重叠区域分析、GO功能分类和富集统计、KEGG pathway通路分类和富集分析以及转录因子分析,获得玉米花粒期高温胁迫相关的重要差异表达基因和蛋白质。花粉活性检测结果显示,高温胁迫后和正常生长条件下,昌7-2花粉活性分别为24. 37%,42. 89%,郑58花粉活性分别为35. 57%,64. 83%。高温胁迫后在昌7-2花粉转录组中共检测到4 176个显著差异表达基因,郑58花粉转录组中共检测到5 487个显著差异表达基因。KEGG pathway通路分类和富集分析结果显示,高温胁迫后郑58的花粉转录组中有2 062个差异表达基因富集到399个相关通路上,昌7-2的花粉转录组中有1 943个差异表达基因富集到352个相关通路上。转录因子分析结果表明,共获得55个转录因子家族,其中,有45个转录因子包含10个以上差异表达基因。研究表明,通过对玉米自交系花粒期高温胁迫后花粉转录组测序获得了大量的差异显著表达基因信息,昌7-2、郑58对高温胁迫响应机制存在明显差异,热激蛋白(Hsps)、热激转录因子(Hsfs)、生长素(IAA)基因和磷脂酰基醇-4,5-二磷酸基因家族(PIP2)在响应玉米花粒期高温胁迫过程中起着重要作用。     

ZmGDH基因克隆及在玉米中的遗传转化

本研究从抗冷玉米自交系W9816中克隆了Zm GDH基因。分析发现该基因与其他植物中的谷氨酸脱氢酶基因(GDH)基因具有较高的同源性,其中与高粱同源性达到95.38%。对抗冷玉米自交系W9816进行4℃冷处理,分别在处理后0、6 h、12 h、24 h和48 h取材,采用q RT-PCR方法测定不同冷处理时间下Zm GDH在根、茎、叶中的表达情况,结果发现在不同组织中Zm GDH基因对不同时长的冷诱导响应存在显著的差异。另外通过农杆菌介导法对玉米骨干自交系Y423愈伤组织进行了Zm GDH基因的转化,PCR检测鉴定阳性转化植株,最终统计阳性转化率为4.3%。对T0代阳性植株进行q RT-PCR表达量分析,证明了阳性转化植株中Zm GDH基因的高表达。本研究所获得的Zm GDH转基因材料可用于Zm GDH基因的生物功能分析及抗冷转基因玉米新种质创制。     

转双价抗虫基因BmkIT-Chitinase玉米株系的获得

通过超声波辅助花粉介导法,将双价抗虫基因BmkIT-Chitinase分别导入以玉米自交系昌7-2及郑58的花粉为受体的不同基因型的自交系中。本研究共处理玉米雌穗1072穗,获得T0代种子1563粒,经卡那霉素初筛,T1代～T4代PCR及SouthernBlot杂交分子跟踪检测共获得20个转化株系,田间抗虫性鉴定表明共有16个转化株系与对照在抗虫性方面有显著差异,且此抗性随着各代稳定遗传。农艺性状调查结果表明,所获得的转基因玉米株系中大部分材料的农艺性状与对照无显著差异,除了N55材料及N20-1材料。N55材料的穗位高度与对照相比略低6±0.5cm,而穗粒数增加75±5粒。而N20-1材料百粒重增加5±0.5g。因此,转入此双价抗虫基因对玉米农艺性状影响不是很大。经过分子检测、田间抗虫性鉴定及农艺性状调查我们最终选育了9个转双价抗虫基因昌7-2自交系优良株系,6个郑58转双价抗虫基因自交系优良株系。     

玉米自交系幼苗生物量积累及根系形态对两种氮素水平的反应及聚类分析

为探讨低氮胁迫对玉米自交系幼苗生物量和根系形态的影响,以35份玉米自交系为材料,测定了两个氮素水平处理后14d玉米幼苗的单株干重、地上部干重、根干重、根冠比、总根长、根表面积、根体积、根平均直径、侧根数和初生根长。结果表明,低氮胁迫下玉米幼苗根干重、根冠比、根总表面积、根体积、侧根数、根平均直径和初生根长显著增加,地上部干重和单株干重显著减小,而总根长没有明显变化。通过主成分分析和聚类分析发现,同一氮素水平下,玉米幼苗各性状的综合表现存在基因型差异,且在正常氮素和低氮条件下均可以分为6组。低氮处理后,选取的9个自交系地上部氮素积累量均显著降低,PH4CV、B73和XY4的根系氮素积累量显著增加,其余6个自交系显著降低。此外,只有XY4的氮素吸收和利用效率均较高。综合分析表明,XY4是低氮高效型玉米自交系。     

不同氮效率玉米基因型苗期对光和氮响应的研究

对氮效率表现差异显著的三个玉米自交系幼苗采用不同光强和氮浓度处理,比较根冠比、生物产量、硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的响应差异。结果表明：不同氮效率自交系对不同氮浓度与光照强度处理的响应存在显著差异;氮低效材料在低光低氮条件下的生物产量表现比氮高效材料好,在高光高氮条件下时生物产量表现比氮高效差;氮高效材料随着氮浓度增加比氮低效材料更能保持根的发达性,表明根系是氮高效的保证。不同氮效率自交系生物产量和硝酸还原酶光氮最佳耦合点值不同,氮低效自交系出现光氮最佳耦合点时所需要的氮浓度（或光强）要比氮高效自交系低。因此,玉米基因型氮效率的发挥不但需要适宜的供氮水平,还需要合适的光照强度。     

玉米杂交种及其亲本苗期性状对低氮胁迫的动态响应

以玉米杂交种先玉335及其亲本（PH6WC、PH4CV）和豫玉22及其亲本（综3、87-1）为试验材料,通过水培方法,设置低氮（0.04mmol/L,LN）和正常氮素（2mmol/L,CK）水平2个处理,分别在培养3、7和14d后,对其幼苗生物量积累、叶片和根系表型、叶绿素及氮素含量等进行分析,探究低氮胁迫下玉米杂交种及其亲本幼苗性状的动态变化。结果表明,玉米苗期根系对低氮的响应要早于地上部,且杂交种对低氮的响应比亲本更为迅速。在CK和LN处理下,杂交种幼苗的多个性状均存在中亲和超亲优势,豫玉22的根尖数、根系氮积累量占比和先玉335的总根长、根表面积及根尖数的杂种优势在3个时间点与CK处理相比均有较大幅度提高。通过耐低氮指数分析发现,杂交种的耐低氮能力介于2个亲本之间或与其中1个亲本接近。     

高赖氨酸玉米近等基因系创建及胚乳质地变异研究

采用回交转育与分子标记相结合的手段,对育种上广泛运用的3个骨干自交系郑58、478和昌72进行改良,成功创建了高赖氨酸近等基因系。对回交转育成的高赖氨酸近等基因系QZ58、Q478和QC72进行表型分析和研究,结果表明,马齿型的郑58、478和硬粒型的昌72经过相同的转育手段转育成含有o2o2纯合基因型的近等基因系胚乳硬质度发生了很大的变异。从表型来看,QZ58和Q478家系仅有少数几种表现型,而QC72家系却出现了一系列的连续变异。3个骨干系转化前后容重差均值相差很少(郑58与QZ58差均值为107 g／L;478与Q478差均值为105g／L; 昌72与QC72差均值为102 g／L),但降低幅度有很大差异(郑58容重降低幅度为94-147 g／L;478为92-119g／L;昌 72为68-125 g／L),其中昌72的变幅最大。转化后近等基因系胚乳硬质度总体趋势为QC72>Q478>QZ58,与转化前一致。这说明o2基因对不同种质玉米胚乳硬质度降低的总体趋势一致,但效果具有明显差异。     

玉米发芽期响应盐胁迫的转录组分析

玉米种子发芽期对盐分较为敏感,为了进一步明确玉米发芽期对盐胁迫的应答机制,本研究利用高通量转录组测序技术,对玉米耐盐自交系昌7-2在150 mmol/L NaCl胁迫下的胚芽进行转录组测序和数据分析。结果表明：共有40 290个Unigenes获得功能注释,其中差异表达基因615个。在差异表达基因的GO富集分析中,对富集程度明显的前20个类别做出功能分析。有21个DEGs富集到苯丙烷类的生物合成途径,是KEGG富集分析最显著的通路。对差异表达基因进行COG分类,共得到25个不同的COG功能注释。通过对目标基因的挖掘共得到13个较重要的转录因子,涉及到MYB、WRKY、AP2、bZIP、bHLH和NAC等6个家族。本研究为挖掘玉米耐盐相关基因、解析玉米响应盐胁迫的分子调控机制提供科学依据。     

玉米苯丙氨酸解氨酶家族基因的鉴定与纹枯病的抗病分析

玉米纹枯病是中国西南玉米产区的主要病害之一,苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性变化在不同纹枯病抗性的玉米材料中存在差异,目前对PAL家族基因还缺乏系统深入的研究,尤其是参与玉米-纹枯病菌互作的研究甚少。本研究利用RT-qPCR方法,结合芯片数据库和转录组测序结果,鉴定了玉米PAL家族基因和组织表达特征,并分析了其在纹枯病菌诱导前后抗病和感病自交系中的表达情况。结果显示,玉米基因组中共有13个PAL基因,Zm PAL2、ZmPAL3、ZmPAL5、ZmPAL8、ZmPAL9和ZmPAL10均为组成性高表达,ZmPAL1、ZmPAL4、ZmPAL6和ZmPAL7均为组织特异性低表达,而同源度极高的ZmPAL11、ZmPAL12和ZmPAL13在所有检测组织中均不表达。在强致病力纹枯病菌诱导前,10个PAL基因的本底表达量在抗病和感病自交系的叶鞘中均无明显差异,但在诱导后都增强高表达,以应对纹枯病菌的侵染。这些结果说明不同抗性的玉米材料中可能存在类似但响应程度不同的PAL家族基因参与玉米-纹枯病菌互作的机制。     

玉米ZmWRKY53基因克隆及诱导表达分析

WRKY是植物细胞中进化较为保守的一类转录因子,参与了生物和非生物逆境胁迫应答反应的调控。本研究基于干旱诱导的玉米(Zea mays L.)B73转录组数据库,成功克隆到1个WRKY基因,命名为Zm WRKY53。序列比对发现,该基因含有904 bp的完整开放读码框,编码302个氨基酸,在C端含有1个保守的WRKYGQK结构域,同源比对ZmWRKY53属于IIc类WRKY转录因子。生物信息学预测,Zm WRKY53为碱性不稳定亲水性蛋白,无信号肽和跨膜结构域。洋葱内表皮亚细胞定位显示,Zm WRKY53蛋白位于细胞核中。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析表明,Zm WRKY53基因在玉米的根和叶中有较高的表达水平,而在茎、玉米须、雄穗和胚中的表达量较低。不同的非生物胁迫如低温(8℃)、NaCl、H2O2和PEG均能显著提高Zm WRKY53的表达水平,尤其是PEG诱导使其表达水平上调9.5倍。接种玉米纹枯病的叶片中,Zm WRKY53的表达量提高了13倍。对比不同的激素处理情况,脱落酸(abscisic acid,ABA)和水杨酸(salicylic acid,SA)处理后,Zm WRKY53的表达水平持续上调;而在赤霉素(gibberellin,GA)和乙烯处理的玉米根中,Zm WRKY53呈现无规律的变化特征。蛋白互作预测,十个候选基因可作为后续Zm WRKY53调节机制的靶目标研究。上述实验表明,Zm WRKY53基因通过对不同激素信号的调节,不仅参与玉米对纹枯病的抗性反应,还参与对非生物胁迫信号的转导。     

低钾下不同耐性玉米苗期根形态及钾效率的差异

以耐低钾的玉米自交系90-21-3、91-2和不耐低钾玉米自交系丹937、农大40为试验材料进行盆栽试验,研究低钾胁迫对不同耐性玉米自交系苗期根系形态和钾效率的影响.结果表明:低钾条件下,90-21-3和91-2的根较长,根表面积、根体积、干物质量大,植株的钾含量高;90-21-3、91-2的钾吸收效率显著高于丹937、农大40,而钾利用效率差异不显著.相对于不耐低钾自交系丹937和农大40,耐低钾自交系90-21-3和91-2对缺钾的耐性主要表现在低钾条件下,根系具有较强的钾吸收能力.     

模拟干旱对不同耐性玉米自交系幼苗根系和水分利用效率的影响

以耐旱玉米自交系昌7-2(T)和旱敏感玉米自交系Mo17(S)为试验材料,利用4个水平PEG-6000浓度处理,研究苗期干旱对不同耐性玉米自交系根系形态特性和叶片水分利用效率的影响。结果表明:PEG-6000胁迫下,玉米自交系的根总长、根系表面积、根系体积与根系吸水能力均减小,Mo17的变化幅度大于昌7-2;植株水分利用效率增加,Mo17增加幅度小于昌7-2。与旱敏感玉米自交系相比,耐旱玉米自交系在干旱胁迫下仍能保持较正常的根系形态、较高的吸水能力和水分利用效率。     

转cspB基因玉米获得及其耐盐碱性分析

本研究依据Gen Bank数据库中发表的枯草芽孢杆菌cspB基因序列进行优化,人工合成了cspB基因序列,构建植物表达载体,通过农杆菌介导法将cspB基因转入玉米自交系Hi-Ⅱ中,获得转cspB基因玉米材料,经过分子检测获得4个阳性转化事件。在4个浓度水平的NaCl溶液(0,40 mmol/L,80 mmol/L,120 mmol/L)和Na_2CO_3溶液(0,10 mmol/L,20 mmol/L,30 mmol/L)胁迫下,研究其耐盐碱性。结果表明:80 mmol/L的NaCl溶液和20 mmol/L Na_2CO_3溶液可以作为转cspB基因玉米的耐盐碱分析条件;cspB基因已经整合到玉米基因组中,转cspB基因玉米的耐盐碱性得到了显著提高。转cspB基因玉米丰富了耐盐碱玉米种质资源。     

不同浓度的硝酸盐对高蛋白小麦幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

以两组产量水平相近而蛋白质含量有较大差异的四个小麦品种为试材, 研究了苗期不同浓度的硝酸盐对叶绿素荧光参数Fv/Fm和ΦPSII日变化的影响. 结果表明: 在中午强光下, 缺氮处理(无NO3-)和CK(15 mmol L-1 NO3-, 15N)中四品种的Fv/Fm、ΦPSII都有所下降, 缺氮处理中二者的下降幅度显著高于CK; 高蛋白小麦PH82-2-2和PH85-16下降     

N+离子束注入玉米自交系变异的生物学效应与分子标记分析

采用不同能量和剂量的N+离子束,对郑58、昌7-2和K12玉米自交系的干种子进行处理,结果表明,发芽率、发芽势和农艺性状变异都有很大差异,筛选出的N+离子束注入玉米自交系最佳诱变能量30 KV和剂量7×1016N +/cm2.同时利用10对SSR引物对玉米自交系进行扩增,共检测到39个等位基因,每对引物可检测等位基因2...     

设施条件接种丛枝菌根真菌对紫色土上玉米/大豆生长及氮素利用的影响

为了阐明紫色土上接种丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungus,AMF）和不同间作方式对提高间作玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max L.）的氮素利用和减少土壤氮残留的贡献。本试验在设施盆栽条件下,采用根系分隔模拟装置研究玉米/大豆间作体系中根系不分隔、尼龙网分隔、塑料膜分隔3种方式和不同AMF处理[不接种AMF（NM）、接种Glomus mosseae（GM）]对玉米、大豆植株生长、氮素累积与利用的影响。研究结果表明：接种GM不同程度提高了间作玉米和大豆根系菌根侵染率、株高、植株生物量及氮含量,而显著降低了玉米和大豆种植土壤的碱解氮含量。其中,GM-根系不分隔处理玉米、大豆的菌根侵染率最高。无论是否接种AMF,大豆生物量和植株氮含量均以根系分隔处理显著高于不分隔处理,而玉米生物量和植株氮含量却刚好相反。此外,GM处理条件下,玉米、大豆根际土壤碱解氮含量均以尼龙网分隔和不分隔处理显著低于塑料膜分隔处理。在所有复合处理中,以GM-根系不分隔处理对玉米生长及氮素累积的促进作用最好;GM-尼龙网分隔处理对大豆生长及氮素累积的促进效果最佳,并更能显著降低玉米、大豆根际土壤的碱解氮残留,可望减轻土壤氮流失而降低氮素流失对地表水体的污染风险。     

玉米BEL1-like基因家族的鉴定、表达和调控分析

BEL1-like(BELL)家族蛋白是植物中普遍存在的一类具有同源异型结构域的转录因子。拟南芥中BELL家族蛋白能与KNOTTED1-like蛋白互作形成异源二聚体,并结合到特异顺式作用元件来调控基因的表达,从而影响植物生长发育进程。本文采用隐马可夫(HMM)模型,在玉米基因组中鉴定到15个BELL家族基因(Zm BELL),分布于7条玉米染色体。通过与拟南芥BELL基因的序列比较将这些基因分为两大类。在玉米8种组织中Zm BELL有不同的表达模式,具有明显的组织表达特异性。基于基因共表达分析及BELL-like蛋白特异结合的顺式元件分析,预测到86个可能受Zm BELL调控的下游靶标基因。这86个基因和12个Zm BELL表达模式相同,并且在基因启动子区存在与BEL1-like蛋白结合的顺式元件。这些结果为进一步解析玉米BELL家族基因的功能和作用机制积累了有价值的资料。     

ACC处理对不同基因型玉米幼苗响应氮素供给的调控效应

乙烯对玉米生长发育与形态建成具有重要调控作用,但乙烯对玉米氮素吸收与积累调控效应缺乏深入研究,局限了乙烯在玉米丰产高效栽培中的应用。本研究以郑单958、瑞福尔1号和德美亚3号3个玉米品种为试验材料,比较研究不同基因型玉米植株对氮素供给的响应差异,结合外源添加乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylicacid,ACC),分析乙烯对不同基因型玉米氮素吸收的调控效应。研究结果表明,在低氮条件下,氮素敏感型品种(德美亚3号和瑞福尔1号)比郑单958叶片缺氮表型明显,对ACC处理敏感,而且ACC处理抑制玉米植株地上和地下部的生长和干物质积累;ACC处理抑制了低氮下叶片叶绿素合成,降低叶片可溶性蛋白积累,促进玉米叶片早衰,其中ACC处理郑单958叶片叶绿素和可溶性蛋白含量均显著高于德美亚3号和瑞福尔1号;进一步研究发现,低氮处理抑制乙烯合成关键酶基因ZmACS7和ZmACO15的表达,降低乙烯含量,ACC处理促进低氮条件下ZmACS7和ZmACO15基因的表达,提高乙烯含量;低氮处理抑制玉米根系中ZmNRT2.1表达,但ACC处理促进低氮下玉米根系中ZmNRT2.1表达,其中郑单958根中ZmNRT2.1表达在低氮条件下显著高于德美亚3号和瑞福尔1号。研究结果表明乙烯通过调控玉米植株乙烯合成关键酶基因和ZmNRT2.1表达,调节了氮素吸收与分配,影响了植株生长,其中氮素敏感性品种比持绿型品种对乙烯更为敏感。