Morphogenesis of Pigment Glands and Metabolic Characteristics of Gossypol in Gossypium bickii

[Objective]We studied the process of pigment gland formation and the dynamic change of gossypol synthesis, the dynamic relationship and molecular mechanism between the pigment glands and gossypol during the process of embryo formation and seed germination in G. bickii Prokh. [Method] We chose G. bickii as meterial and studied the tissue section observation, determination of gossypol contents and gene expression profile analysis of pigment gland formation and gossypol synthesis genes. [Result] The results showed that a large number of pigment protoglands formed on the cotyledons during embryo development process in G. bickii. The pigment protoglands formed to cavity structure at 12 hours after seed germination, and then converted into mature pigment glands. Analysis of gene expression profiles related to the pigment gland formation and gossypol synthesis during seed germination showing that GoPGF gene was highly expressed on the cotyledons of seed germination of 12 hours, which may be related to pigment protoglands forming to cavity structure of G.bickii. Farnesyl pyrophosphate synthase gene (FPS) was highly expressed on the cotyledons of seed germination of 24 hours showing it may be associated with the gossypol transported into the cotyledon pigment glands. CYP706B1 gene was highly expressed on the cotyledons of seed germination of 0 hours and HMG1 were highly expressed on the cotyledons of seed germination of 0 hours, 36 hours and 48 hours showing these genes may be associated with the formation of pigmented cavities and the storage and transport of gossypol; Cadinene synthase genes(CAD1-A) and HMG2 genes were not closely related to the pigment gland formation. [Conclusion] The 12 hours after seed germination is the key period of the morphogenesis of the pigment glands, and the morphogenesis of the pigment glands is synchrony with the time of the occurrence of gossypol in G.bickii. GoPGF, FPS, CYP706B1 and HMG1 are associated with the formation of pigmented cavities and the storage and transport of gossypol.     

棉酚合成及棉花腺体形成相关基因的研究进展

棉酚是限制棉籽开发利用的重要因子。培育低酚棉,特别是采用基因工程方法创制低酚棉是解决棉籽开发利用难题的关键。棉酚合成以及棉酚储存场所棉花腺体形成相关基因的研究,是基因工程创制低酚棉的基础。综述了国内外对于棉酚合成途径、棉花腺体形成相关基因的研究进展以及利用基因工程手段创制低酚棉的相关实例,以期为相关研究者提供参考。     

棉酚腺体与棉酚生物合成及低酚棉分子育种

棉酚是一种存在于棉酚腺体中的倍半萜烯类化合物。由于它的抗虫性及毒性,在棉花育种中颇受重视。近年来,对棉酚腺体、棉酚的研究较多,已经发现和克隆了与棉酚生物合成相关的基因,初步阐明了棉酚合成代谢的分子调控机制。有关棉酚的深入研究将有助于育种家培育种子低酚而植株高酚的棉花新品种。     

Grafting-induced seed gossypol levels by demethylation of (+)-delta-cadinene synthase genes in upland cotton

Two-year-grafting experiments within and between Gossypium barbadense and Gossypium hirsutum accessions were conducted to study the source, transfer, and alteration of gossypol and methylation of (+)-δ-cadinene synthase (CDN) genes along with whole chromosomes of A01, A04, A11, D01, D05, and D11, harbouring the cotton CDNs, using the whole genome bisulfite sequencing (WGBS) method. The results revealed that although a glandless line used in this study had a low level of gossypol in the seeds, it did not contain any pigment glands, indicating that expression pathways of gland and gossypol were under genetic control of different loci in cotton. Grafts with glandless rootstocks produced significant amounts of total gossypol in the seeds, clearly demonstrating that the source of gossypol biosynthesis was not specific to the root. Heterografts consisting of scion GN, a glandless line, and scion TM-1 grafted on Pima 3-79 rootstocks caused increased total seed gossypol levels whereas homograft TT had decreased total seed gossypol levels. Alteration of total gossypol levels was also associated with gland density, and DNA demethylation levels of (+)-δ-cadinene synthase genes.     

司笃克氏棉（G.stockii）色素腺体的形态建成与棉酚动态研究

对司笃克氏棉幼胚发育过程和种子萌发过程中的色素腺体形态建成进行连续的切片观察和棉酚含量分析。结果表明,司笃克氏棉的种仁中含有肉眼可见的色素腺体,为典型的有色素腺体类型;然而种仁中的棉酚含量仅为0.0058%,为典型的低酚棉类型。司笃克氏棉种子成熟过程中的色素腺体形态建成有两种情况：（1）色素腺体细胞直接形成     

基于10个棉花腺体相关材料转录组的EST-SSR标记开发

棉花是重要的经济作物,但有毒棉酚的存在,使棉子得不到充分的利用,所以低酚棉育种是棉花育种的重要内容之一。色素腺体是棉酚的储存器官,开发功能型分子标记,加密棉花遗传图谱对色素腺体和其他重要性状相关基因的研究具有重要作用。本试验以10个有腺体和无腺体材料转录组信息为基础开发EST-SSR标记,在12895条1 kb以上的Unigene中共搜索到1546个SSR位点,发生频率和平均距离分别是11.99%和15.99 kb。得到的EST-SSR中,二碱基和三碱基重复是主要的重复类型,分别占30.85%和48.97%,AT/TA和GAA/CTT分别是二碱基和三碱基的优势重复类型。对长度≥20 bp的SSR共设计合成了56对引物,在这10个材料中进行检测,能扩增出清晰条带的有38对,占67.86%,其中呈多态性的有9对,占23.68%,并对其所在的Unigene功能和表达量进行了初步分析。本研究进一步证明了棉花EST-SSR标记开发的可行性,并且为棉花高密度遗传图谱和腺体相关基因的研究奠定了基础。     

棉花腺体性状基因的遗传与克隆研究进展

摘要：棉酚腺体是棉属植物特有的性状,发掘和利用控制腺体和棉酚合成的基因,对深入阐明棉酚的生物合成机理以及通过基因工程手段培育新型棉花品种具有重要的理论和现实意义。本文综述了近年来棉花棉酚腺体性状基因的遗传与克隆研究的最新进展,并对该研究中存在的问题进行分析和展望。     

花生AhPEPC1基因抑制表达的转基因后代转录组分析

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvatecarboxylase,PEPC)是控制油料作物种子中蛋白质/油脂含量比率的一个关键酶。本研究检测了花生AhPEPC1基因抑制表达的转基因株系种子含油量,与非转基因花生相比,转基因花生种子含油量提高了5.7%～10.3%。利用转录组测序(RNA-Seq)技术分析花生中AhPEPC1基因的抑制表达是否影响其他基因的功能。结果表明,转录组分析筛选到110个基因差异表达,其中25个基因上调表达,85个基因表达下调。对110个差异表达基因进行了KEGG富集分析,其中有34个基因成功获得了KEGG注释,发现氨基酸的生物合成途径中有2个基因(Aradu.M0JX8,Aradu.FE0Z7)下调表达。利用荧光定量PCR分析了15个DEG(differential expressed gene)在非转基因对照和转基因花生种子中的表达情况,发现其趋势与转录组测序结果基本一致。研究结果可在一定程度上解析AhPEPC1基因调控花生种子含油量的分子机制。     

小麦多基因聚合体YW243的改良与利用

YW243是兼抗白粉、黄矮、三锈5种病害的普通小麦新种质。将其与农艺性状优良的丰产品种进行回交转育，选育出丰产、抗病的小麦新品系CB031、CB032、CB034和CB035。对这些新品系与YW243及回交亲本的抗性、品质、丰产性进行鉴定、比较分析，并用分子标记解析它们抗病性的遗传基础及其决定品质的高分子量麦谷蛋白亚基组成。结果表明，CB031是抗白粉病高产小麦新品系，至少含抗白粉病基因Pm2+6和高分子量麦谷蛋白亚基1, 7+9, 2+12；CB032和 CB034均为白粉病、条锈病免疫的小麦新品系，CB032至少含抗白粉病基因Pm2+Pm4+Pm21、抗条锈病基因YrX 4个基因和高分子量麦谷蛋白亚基7+9, 2+12；CB034至少含Pm21基因和高分子量麦谷蛋白亚基7+9, 5+10；CB035为免疫白粉病的优质小麦新品系，至少含Pm2+6+Pm21基因和高分子量麦谷蛋白亚基7+8, 2+12。CB031、CB032、CB034和CB035的穗粒性状、千粒重和秆高等农艺性状均较YW243有所改善。YW243是一个优良性状易于遗传、不良性状易于改造的育种亲本，有良好的应用前景。     

一个新的棉花腺体形成基因的遗传鉴定

湘X9628陆地棉突变体具有植株有腺体、种子低棉酚的特性。种子棉仁中的棉酚含量为0.0354%,低于国家标准。它的种子无腺体,当种子萌发后,长出的真叶有腺体,但比常规陆地棉品种少。遗传分析表明,控制湘X9628植株有腺体、种子低棉酚特性由二对重叠隐性基因所控制。等位性测验表明,其中一对基因是gl2的等位基因,另一对是gl     

陆地棉色素腺体与不同棉酚旋光体含量之间的相关性研究

【目的】研究不同基因型棉花不同器官的色素腺体与棉酚旋光体含量之间的相关性。【方法】以6个陆地棉材料中棉所12、中棉所12(无)、珂字棉312、珂字棉312(无)、IF11和冀棉14为对象,精确测定主要器官的色素腺体密度和大小,并采用柱前衍生拆旋方法进行高效液相色谱分析,测定其相应的棉酚旋光体含量,然后对色素腺体和棉酚旋光体含量进行相关性分析。【结果】低酚棉全株无色素腺体,但在各器官中仍能检测到低于0.02%(质量分数)的少量游离棉酚存在。有酚棉各器官均具有典型的色素腺体,其中棉仁的色素腺体最密,苞叶最稀;色素腺体大小(直径)以铃壳最大,花瓣和棉仁最小。不同器官中,总棉酚含量以棉仁最高,苞叶最小;棉仁和花瓣的右旋棉酚含量大于左旋棉酚,而萼片、铃壳、上部叶、中部叶和下部叶的左旋棉酚含量大于右旋棉酚。有酚棉的色素腺体密度与大小之间呈极显著负相关;而总棉酚含量与不同棉酚旋光体含量之间,以及左右旋棉酚含量之间呈极显著正相关。色素腺体密度与总棉酚含量以及不同棉酚旋光体含量之间呈极显著的正相关,而色素腺体大小与右旋棉酚含量之间呈显著的负相关。【结论】棉仁与花瓣的总棉酚含量存在高度的相关性,因此,可以通过花瓣的棉酚含量来判断棉仁的棉酚含量。     

白菜型冬油菜温敏不育系PK3-12S育性转换的差异蛋白质组学分析

为揭示温敏不育系PK3-12S育性转换机制,本研究以白菜型冬油菜温敏不育系PK3-12花药为材料,采用2-DE和LC-MS/MS质谱鉴定等差异蛋白组学方法,分离鉴定了PK3-12在不育/可育条件下花药差异表达蛋白质,并对差异表达蛋白进行了生物信息学分析;进而采用RT-PCR检测了PK3-12在不育/可育条件下花蕾发育进程中差异蛋白编码基因表达量变化。结果表明,高温不育条件下, PK3-12花药形态瘪小,药室有少量败育花粉,育性转换受1对隐性基因控制,表达变化量在2倍以上差异蛋白质点31个,其中增量表达蛋白质点6个,减量表达蛋白质点11个,表达完全抑制蛋白点12个,不育花药特异表达蛋白点2个。质谱鉴定出15个差异蛋白质,参与信号转导通路、二羧基乙醛酸代谢、糖酵解代谢、次生合成代谢、氨基酸生物合成、分支酸生物合成、碳代谢途径等细胞过程。Rubisco亚基连接蛋白编码基因BrrbcL开放读码框(open reading frame, ORF)长度为1095 bp,编码364个氨基酸;与可育花蕾相比,发育进程中不育花蕾BrrbcL基因、膜联蛋白基因(ANN)、BetVI过敏原家族基因(BetVI)表达明显下调,表明上述基因可能参与了温敏不育系PK3-12S育性的转换。     

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。     

棉花色素腺体和棉酚对棉铃虫抗药性的诱导作用及其酯酶同工酶谱分析

本研究以3对陆地棉色素腺体近等基因系为材料,结合不同棉酚含量的半人工饲料,研究棉花色素腺体和棉酚对棉铃虫抗药性的诱导作用。结果表明,取食于有色素腺体棉叶的棉铃虫,其抗药性显著高于取食于相应的无色素腺体近等基因系棉叶的棉铃虫,色素腺体可诱导棉铃虫对菊酯类和有机磷类农药产生抗药性。不同棉酚含量的半人工饲料试验结果表明,在一定范围内,棉铃虫的抗药性随饲料中的棉酚含量的增加而增加,当棉酚含量超过0．3％时,初孵棉铃虫难于饲养成活。棉铃虫体内酯酶同工酶谱分析结果表明,色素腺体对棉铃虫体内酯酶同工酶谱的谱带数无显著影响,但对其中一些谱带的宽度和颜色有一定程度的影响;棉酚的作用与色素腺体相似,但饲以0．225％的棉酚的棉铃虫体内出现两条新的谱带。经鉴定,新出现的谱带为羧酸酯酶。     

粳稻叶绿素含量QTL与其合成降解相关基因的比较分析

为剖析水稻叶绿素不同时期的表达规律及后期持绿的遗传机制,以沈农265和丽江新团黑谷的粳-粳交重组自交系为材料,对水稻分蘖期、抽穗期和成熟期的叶绿素含量以及生育后期的持绿能力进行QTL定位分析。检测到5个控制分蘖期叶绿素含量的QTL、7个控制水稻抽穗期叶绿素含量的QTL和10个控制成熟期叶绿素含量的QTL,分布在除第5染色体以外的11条染色体上。比较它们与编码叶绿素合成及降解过程中的重要酶的基因发现,虽然生育前期检测到的QTL较少,但对应的叶绿素合成降解相关基因却较多。随生育期的推移,检测到的QTL数目增多,但对应的叶绿素合成降解相关基因却减少。暗示生育前期大多数叶绿素合成(降解)相关基因表达的水平差异不大,后期控制叶绿素合成降解的个别关键基因表达水平增加。并以此为基础提出了叶片生育后期持绿的两种可能遗传基础。     

五个澳洲野生棉种色素腺体和棉酚性状研究

本文研究了斯特提棉（Ｇ．ｓｔｕｒｔｉａｎｕｍ）、南岱华棉（Ｇ．ｎａｎｄｅｗａｒｅｎｓｅ）、澳洲棉（Ｇ．ａｕｓ－ｔｒａｌｅ）、纳尔逊氏棉（Ｇ．ｎｅｌｓｏｎｉ）和比克氏棉（Ｇ．ｂｉｃｋｉ）五个澳洲野生棉种的种仁和植株各主要器官的色素腺体和棉酚及其旋光体含量。结果表明，五个棉种均具有种子无色素腺体、植株有色素腺体的特性，但五个棉种植株各器官上色素腺体的分布差异较大，特别是花瓣，其中斯特提棉和南岱华棉的花瓣具有正常的色素腺体，比克氏棉和澳洲棉的花瓣具有少量的色素腺体，纳尔逊氏棉的花瓣无色素腺体。五个棉种种仁棉酚含量极低，但植株各器官均含有较高的棉酚；棉酚旋光体含量测定结果表明，五个棉种的叶片中均只有左旋棉酚，而不含右旋棉酚，其中斯特提棉和南岱华棉两个种的左旋棉酚含量显著低于其余三个棉种     

棉花溶血磷酸酯酰转移酶(LPAT)家族基因的发掘和表达分析

棉花油脂合成相关代谢在控制油分形成、纤维发育等进程中起着重要作用。溶血磷脂酰基转移酶(LPAT)是植物油脂代谢过程中的一个关键酶。本研究利用雷蒙德氏棉全基因组数据库,通过生物信息学技术,鉴定并获得8个棉花LPAT家族基因的全序列和染色体定位等信息。通过序列比对进行系统进化和分类分析,明确这8个家族基因分布在6条染色体上,分为4亚类,其中第I类和第III类中各含2个基因、第II类1个、第IV类3个。组织表达分析表明这8个基因在棉花营养和生殖阶段均表现表达多样性。LPAT6和LPAT8在17 d胚珠中表达水平很高,推测在油脂合成代谢调控中起重要作用。8个LPAT基因均在纤维中优势表达,其中LPAT2、LPAT3和LPAT4表达水平更高,推测LPAT家族基因的表达参与棉纤维发育进程。     

荫蔽胁迫下大豆茎秆形态建成的转录组分析

玉米-大豆套作种植模式是国家农业重点推广技术,研究该模式下大豆茎秆对荫蔽胁迫响应的分子机制将有助于大豆耐荫性的分子遗传改良。利用转录组测序技术分析荫蔽胁迫对南豆12和南032-4大豆茎秆转录基因表达的影响,结果表明,荫蔽条件下,南豆12和南032-4分别有287个和110个差异转录基因,皆以上调为主。基因功能注释分析显示,这些基因主要富集于次生细胞壁的生物起源、多糖的合成、钙调素结合和水解酶活性等生物过程中。荫蔽条件下,南豆12响应木质素、生长素合成的相关基因上调,南032-4响应茉莉酸、乙烯合成的相关基因上调,响应赤霉素代谢的相关基因则下调,但南豆12表现出更多的差异转录基因。大豆茎秆积极响应荫蔽信号,增加茎秆细胞壁多糖,加快次生细胞壁的生成,从而阻碍茎秆横向生长,使大豆茎秆变细,同时增加水解酶活性,加快细胞的松弛,使大豆茎秆伸长。南豆12和南032-4也通过各自特有的差异转录基因响应荫蔽,但南豆12通过更多地增加细胞壁多糖、木质素含量以及对生长素的响应等来增加茎秆强度,保持茎秆一定的形态优势,最终提高自身抗倒伏能力,表现出对荫蔽更强的适应性。     

水稻叶色白化转绿及多分蘖矮秆突变体hfa-1的基因表达谱分析

hfa-1的白化转绿、多分蘖矮秆表型受单隐性核基因hw-1(t)控制。该基因编码含线粒体交替氧化酶AOX结构的叶绿体蛋白,通过参与叶绿体呼吸电子传递链,对类胡萝卜素生物合成途经及其次生代谢途径进行调控。本研究对hfa-1突变体叶色白化转绿过程中的类胡萝卜素生物合成途径、与该途径有关的植物激素代谢途径的相关基因进行表达分析,并分析了hfa-1突变体在白化、转绿两个时期的基因表达谱。结果表明,类胡萝卜素、植物激素(GA、ABA和SL)生物合成相关基因在hfa-1突变体白化期叶片中表达量减低,暗示hw-1(t)基因的突变抑制了苗期类胡萝卜素合成,同时还对涉及该过程相关多个次生代谢途径产生影响。通过基因表达谱芯片和功能分类分析,发现hfa-1叶色白化转绿过程中上调和下调表达基因涉及的生理过程主要在光合作用、应对内源刺激物和胁迫响应等方面;其中电子传递体Cytb6/f复合蛋白合成相关基因上调表达明显,推测Cytb6/f蛋白复合体在电子传递和质醌库还原氧化上对hw-1(t)起一定的补偿功能。     

西红花苷的生物合成及CCD家族基因研究进展

西红花苷属于脱辅基类胡萝卜素化合物,是中国传统珍贵药材西红花（藏红花）的主要活性成分。为解析西红花苷合成途径及明确参与该途径的基因功能,本文系统综述了西红花苷的结构特征、生物合成过程及前体物质、西红花苷合成过程中类胡萝卜素裂解双加氧酶(CCD)家族基因(CCD1、CCD4、CCD7、CCD8)的功能及表达特征等方面的研究进展。指出了西红花苷合成途径及关键基因现阶段研究中存在的问题,认为随着分子生物学技术的发展,更多参与西红花苷合成途径的基因将被挖掘鉴定,有助于明确西红花苷合成途径。