绿小米和白小米谷子籽粒叶绿素合成途径结构基因的表达分析

【目的】不同种类色素积累使小米呈现出不同的颜色性状。通过对比绿色小米和白色小米间的米色表型差异、不同色差指标值、叶绿素含量、籽粒内部超微结构和叶绿素合成途径结构基因的表达差异,找出导致绿色和白色小米颜色差异的关键酶基因,探索绿色小米米色形成的分子机制。【方法】利用色差仪对米色(L*、a*、b*)值进行测定;采用紫外分光光度计法分别对绿小米和白小米籽粒中叶绿素a、b及总叶绿素含量进行测定;通过透射电镜观察分析处于灌浆中期的小米籽粒内部淀粉体和质体小球的大小和数量;同时采用qRT-PCR方法对叶绿素合成途径上游和下游共18个结构基因在不同米色表型的3个品种中的表达模式进行了分析;并以谷子幼苗叶片DNA为模板,对不同米色品种谷子中SiCAO全长进行克隆及序列比对分析。【结果】大青谷和露米青谷脱壳后的小米颜色为绿色,牛毛白的小米颜色为白色,且色差仪检测结果显示绿色小米的绿度指标a*值低于白色小米;2个绿色小米籽粒中的Chla、Chlb和Chl含量均显著高于白色小米籽粒,且在白色小米籽粒中仅检测到0.006 mg·g-1的Chlb;qRT-PCR结果显示,SiCAO在白米品种籽粒中几乎不表达,而其在2个绿小米品种籽粒中都有高峰度表达,SiCAO在不同米色品种中的极显著差异表达是它们呈现米色表型差异的主要原因;从3个品种中分别克隆出开放阅读框架为1 626 bp的SiCAO,它们分别在第171、184、195、286、318个氨基酸处存在差异;超微结构观察表明,谷子籽粒胚乳层主要由单粒淀粉体构成,绿小米较白小米中的淀粉体个体较大、着色深,且绿小米淀粉体周围充满了质体小球及圆球体,这种差异可能对籽粒中色素积累产生影响。【结论】SiCAO在绿米品种籽粒中的过量表达和在白米品种籽粒中的不表达是导致绿色和白色小米籽粒叶绿素含量差异,进而使得它们分别呈现绿色和白色表型的主要原因之一。     

低温胁迫对玉米转绿过程中叶绿素生物合成的影响

【目的】通过对低温胁迫下玉米(Zea mays L.)幼苗转绿过程中叶绿素生物合成中间产物的分析,探究转绿过程中低温调控叶绿素合成的机制。【方法】将黑暗下发芽6 d的玉米幼苗分别置于25℃常温和14℃低温条件下见光48 h,测定见光前和不同温度下见光后幼苗的叶绿素生物合成的主要前体物质积累量,以分析低温对叶绿素生物合成途径的影响。【结果】在25℃常温下,光照促进叶绿素(Chl)和血红素(heme)的合成;而在14℃低温胁迫下,δ-氨基乙酰丙酸(ALA)和Mg-原卟啉Ⅸ(Mg-ProtoⅨ)的积累量显著上升,单卟啉胆色素原(PBG)、尿卟啉原Ⅲ(UrogenⅢ)、粪卟啉原Ⅲ(CoprogenⅢ)、原卟啉Ⅸ(ProtoⅨ)、Mg-原卟啉甲酯(Mpe)、Mg-原卟啉Ⅸ二酯(Mpde)、原叶绿素酸酯(Pchlide)和叶绿素酸酯(Chlide)光照后积累量较常温下低,最终导致叶绿素含量下降,表明ALA向PBG的转化、及Mg-ProtoⅨ向Mpe的转化过程可能受到低温抑制。【结论】14℃低温通过影响ALA向PBG的转化以及Mg-ProtoⅨ向Mpe的转化,抑制玉米的转绿过程。     

叶绿素和植酸对杂交稻籽粒灌浆的影响

以籽粒充实度差异明显的625A/226和81A/308为研究材料,通过比较籽粒发育过程中叶绿素和植酸的含量变化,研究两者对杂交稻籽粒灌浆的影响。结果表明:81A/308初始叶绿素含量、植酸含量均高于625A/226,说明叶绿素与植酸对杂交稻籽粒灌浆都有不同程度的促进作用。     

谷子γ-氨基丁酸转运蛋白基因的生物学及表达特征分析

[目的]γ-氨基丁酸是一种可以调节植物抗逆性的重要氨基酸,参与植物的生长、发育及应对各种胁迫,而γ-氨基丁酸转运蛋白（GAT）可以将其转运到特定部位从而发挥作用。对谷子GAT基因进行研究可为后续探究谷子的抗逆机制发挥重要作用。[方法]本研究对谷子GAT进行了系统的生物信息学分析,并通过实时荧光定量PCR分析谷子GAT在胁迫条件下的表达情况;此外,对拟南芥野生型和SALK＿201083C（谷子GAT的拟南芥同源基因T-DNA插入突变体）进行抗旱性研究。[结果]研究表明,谷子GAT具有明显的组织表达特异性,能够响应逆境胁迫,并参与调节谷子干旱胁迫应答的机制。拟南芥SALK＿201083C的抗旱性显著减弱。[结论]谷子GAT能够参与植物的逆境调节。研究结果对今后进一步研究GAT的功能提供一定理论依据。     

缺钼对冬小麦不同品种叶绿素含量和叶绿体超微结构的影响

缺钼胁迫对冬小麦不同品种叶片叶绿素含量和叶绿体超微结构的影响不同,缺钼时钼高效冬小麦品种97003叶绿素含量显著降低,钼低效品种97014极显著降低,钼高效品种缺钼时叶绿素含量接近低效品种施钼后的叶绿素含量。同时对冬小麦叶绿体超微结构的观察发现叶绿体发生变异。钼低效品种97014缺钼时单个细胞叶绿体数目减少,叶绿体间断裂、分散,叶绿体体积变小、由长条形为主变为圆形为主,叶绿体基粒数目少、堆叠层数少且发育不良。钼高效品种则叶绿体变异少,表明在叶绿体结构上存在不同品种差异,叶绿体是碳同化器官,其结构变异表明叶绿素及植株碳代谢受阻。     

小麦籽粒灌浆速率与穗叶绿素的相关性分析

以高群体小麦品种百农矮抗58为材料,研究了小麦籽粒灌浆速率与颖壳及籽粒叶绿素含量之间的关系。结果表明:籽粒灌浆速率的变化趋势与穗叶绿素含量的变化趋势相似,强势籽粒的颖壳及籽粒的叶绿素含量变化与籽粒灌浆的速率之间的相关系数达到0.8。弱势籽粒受到强势籽粒及空间位置的影响,其灌浆速率与颖壳及籽粒的叶绿素含量变化之间没有明显的相关性。     

羽衣甘蓝花青素合成途径结构基因的表达特性

羽衣甘蓝红鸽属十字花科云薹属,因其中心部分累积了大量的花青素而呈现深紫色。为了研究其花青素生物合成的机理,以圆叶羽衣甘蓝红鸽系列和白鸽系列为试验材料,通过半定量RT-PCR方法研究了花青素合成代谢途径结构基因的表达特性。结果表明,除苯丙氨酸裂解酶(PAL)和查尔酮合成酶(CHS)在红鸽和白鸽系列中的表达水平基本一致外,其他结构基因在红鸽中的表达水平要明显高于白鸽,尤其二氢黄酮醇还原酶(DFR)和花青素合成酶(ANS),在红鸽中的表达水平显著强于白鸽;红鸽幼叶和老叶中花青素生物合成结构基因的表达水平趋于一致。另外,为了研究温度对羽衣甘蓝花青素合成的影响,通过半定量RT-PCR方法检测了室温和低温环境下生长的红鸽幼叶花青素合成结构基因的表达。结果显示,低温可以诱导CHS,黄烷酮-3-羟化酶(F3H),DFR,ANS,类黄酮-葡萄糖基转移酶(UFGT)基因的过量表达,使羽衣甘蓝红鸽经历低温后,植株中积累大量的花青素而呈现深紫色。     

3个六倍体小麦品种叶绿素合成基因的鉴定

印度的１个六倍体小麦品种ｐｂ．ｃ５９１的染色体３Ａ上，携带１个叶绿素合成基因。本试验采胜ｐｂｃ５９１单体３Ａ和品种Ｋｕｎｄａｎ，Ｏｌｉｇｏ和Ｒｈｔ－８杂交，对Ｆ２出现的绿苗和白花苗进行了研究。     

绿豆幼苗发育初期叶绿素生物合成的研究

为了探讨被子植物幼苗发育初期Chl生物合成和调控机制,本文采用不同波长的光照和抗生素处理,分析了光照诱导绿豆黄花幼苗发育初期Chl含量的变化和抗生素对Chl生物合成的影响.结果表明：绿豆黄化幼苗在光照最初4 h,单色光有利于Chl生物合成;光照4 h后,单色光不利于Chl生物合成;同时单色光能够诱导提早Chl b生物合成,BL的作用大于RL1和RL2;脉冲光可以诱导Chl生物合成;抗生素实验显示,在光照2 h内,Chl生物合成过程不受质体和细胞核的调控;光照2 h以后,细胞核对Chl 生物合成有明显的调控作用,光照12 h后叶绿体的发育对Chl生物合成有明显的作用.本实验从亚细胞器水平探讨了绿豆幼苗发育过程Chl生物合成的可能调控机制.     

银丝竹不同叶色叶绿素合成及叶结构差异

为探明银丝竹叶色差异的原因,对银丝竹不同叶色叶片的光合色素含量、 叶绿素合成前体相对含量及叶片显微和超微结构进行研究.结果表明:1)银丝竹不同叶色间的光合色素含量存在显著差异,其含量随着绿色叶片面积的下降而下降;2)银丝竹叶片出现白色性状的原因在于其叶绿素生物合成过程受阻,受阻点可能位于粪卟啉原Ⅲ至原卟啉原Ⅸ的转化过程中;3)两种叶色叶片表皮细胞无明显差异,但白色叶肉细胞中内容物明显缺失;4)绿色叶肉细胞中具有丰富而完整的叶绿体结构,而白色叶肉细胞中呈现出叶绿体膜结构模糊,无完整边界等形态,基粒类囊体片层不规则或呈空泡状,在多数细胞内可见较明显的嗜锇颗粒.本研究从生理层面初步解释了银丝竹叶色差异的原因,为进一步开展相关分子机理研究奠定了基础.     

夏谷数量性状遗传距离及在育种上的应用

利用多元分析法测定亲本间数量性状的遗传距离,进行了聚类分析。根据亲本间遗传距离大于类群间平均遗传距离结合选配杂交亲本的常规原则,选择亲本配制杂交组合,所得结果与夏谷育种的实践基本相符合。故从亲本分类入手,研究亲本选配方法,可增强对杂种后代的预见性。     

基于PCR技术的谷子分子标记遗传图谱构建

【目的】构建一张基于PCR技术的谷子分子标记遗传图谱。【方法】以谷子高146A和K103杂交自交F2分离群体为作图群体,以分布于谷子9条染色体上的81个SSR标记为主要参考标记,采用来自谷子、水稻、珍珠粟和高羊茅的SSR、STS、SNP、SV和ACGM标记共1 733个,在亲本间筛选多态性标记,并进一步在F2群体间进行验证,利用MAPMAKER VERSION 3.0软件进行连锁分析,采用MapDraw V2软件绘制遗传连锁图谱。【结果】构建了一张包含192个不同类型分子标记的谷子遗传图谱,新定位标记33个,其中32个来自谷子,另1个来自珍珠粟。遗传图谱包含9个连锁群,覆盖基因组全长2 082.5 cM,连锁群长度介于119.5-475.2 cM,平均长度231.39 cM,标记间平均距离10.85 cM,每个连锁群上的标记数介于10-37个。部分连锁群上标记存在偏分离现象,在定位的192个标记中,共有36个标记发生偏分离,占图谱总标记的18.75%,其中,在LG2、LG6和LG7上分别聚集分布了10、15和7个偏分离标记,出现了偏分离热点区域,而在LG1、LG4、LG5和LG8上仅有零星分布,LG3和LG9上则没有偏分离标记。对来自不同作物的分子标记在谷子上的可转移性分析发现,来自谷子的1 235个PCR标记中有205个标记在双亲及其F2群体间有多态性,多态率为16.60%,而来自珍珠粟、高羊茅和水稻的498个PCR标记,在该群体上仅发现1个多态性标记。【结论】利用不同物种中的分子标记构建了一张覆盖基因组长度为2 082.5 cM的谷子遗传连锁图谱,其分子标记主要来自于谷子。     

播期对夏谷幼穗分化及叶龄指数的影响

【目的】研究不同播期条件下,夏谷品种幼穗分化进程及各分化阶段与叶龄指数之间的关联,为谷子生产调控和生长模拟提供依据。【方法】在山东省农业科学院作物研究所济南试验基地,以抗拿捕净除草剂夏谷品种济谷16和糯性新品种济谷18为材料,于2015年4月29日至7月8日设置8个播期处理,处理间隔为10 d。60万株/hm2大田生产条件下按播期顺序种植试验小区。在5叶期,每个小区内标记生长均匀一致的谷子植株120株,之后到抽穗每隔1—2 d选取有代表性的植株3—5株,在OLYMPUS SZX16数显体视显微镜下剥去样品苞叶至露出完整幼穗,进行系统观察与拍照,并详细记载不同播期条件下2个品种在各幼穗分化阶段的叶龄以及成熟期植株的总叶片数。【结果】播期和品种对夏谷幼穗分化的方式及形态特征没有影响,依据营养生长期、生长锥伸长期、枝梗分化期、小穗刚毛分化期和雌雄蕊分化期等5个幼穗分化阶段的特点,以济谷16的系列穗发育图片为例,清晰完整的描述了夏谷幼穗发育过程。播期对谷子生育期的影响主要是由于幼穗分化时期的起始时间和持续天数的变化引起。随着播期的推迟,幼穗分化时期的起始时间提前,由出苗后32 d变为22 d左右;幼穗分化过程的持续时间缩短,由28 d变为19 d左右;谷子生育期缩短,由109 d变为83 d左右。在不同的幼穗分化时期,叶龄和叶龄指数随播期的推迟变化趋势不同,而叶龄指数与幼穗分化时期在不同播期间保持着更为稳定的对应关系。2个品种在不同播期条件下,幼穗分化阶段与叶龄指数均符合直线回归关系,R2值在0.977—0.997,表现为极显著正相关,幼穗分化期Y依叶龄指数X的直线回归方程通式为:Y=b X+a,且不同品种在不同播期条件下对应的直线回归方程之间的差异达到极显著水平,济谷16、济谷18在不同播期条件下幼穗分化时期与叶龄指数的直线回归关系不可以用共用的直线回归方程来表示。【结论】2个夏谷品种幼穗分化发育形态基本一致,但播期对2品种幼穗分化的影响有所不同。播期造成的幼穗分化时间的差异是影响谷子生育期的主要原因。根据植株外部叶龄状态判断谷子幼穗分化时期是可行的。     

不同来源谷子品种产量比较及综合评价

内蒙古赤峰市敖汉旗是全国最大优质谷子生产基地。对不同来源的115个谷子品种（系）在敖汉旗进行田间种植鉴定,并对产量及表型性状进行分析。结果表明,有31个品种（系）的产量高于对照（赤谷4号）,这些品种的生育期为106.16±5.71 d,主茎长度为133.97±14.85 cm,主穗长度为27.32±4.02 cm,主穗直径为29.18±5.89 mm,主穗重为29.10±5.63 g,主穗粒数为8 333.99±1 983.66 粒,主穗粒重为22.91±4.69 g,千粒重为2.80±0.36 g,产量为7 887.41±796.60 kg/hm2。方差分析表明,有25个品种（系）的产量极显著高于对照（P<0.01）;穗粒数、千粒重的显著增加,或各产量性状的协同提高均能实现产量的显著增大。相关性及回归分析表明,生育期、主茎长度、主茎直径、叶片数、主穗重、主穗粒数、主穗粒重、千粒重与产量极显著相关,其中生育期和主穗粒数对产量起决定性作用。主成分分析可将15个表型性状归纳为8个主要因子,并筛选出10个综合评价较高的品种（系）。总体来看,燕谷18的产量最高,铁8050、公谷74号、14H758的产量和综合评价均较高。     

NaCl处理谷子萌发期种子的转录组学分析

【目的】谷子具有抗旱、耐贫瘠的特性,逐渐成为研究禾本科作物的模式作物。本研究以前期筛选并获得的谷子耐盐品种和敏感品种为材料,通过RNA-Seq测序筛选鉴定谷子的盐胁迫响应基因,揭示其响应盐害机制,为培育谷子抗盐新种质提供理论依据。【方法】 对14个谷子品种进行了萌发期抗盐筛选。谷子不同品种的种子经150 mmol·L ^-1NaCl处理萌发培养7 d后,分别统计各品种种子的萌发率、根长和芽长,综合各项指标鉴定到豫谷2为耐盐品种、安04为盐敏感品种。以这两个品种盐胁迫前、后萌发期种子为材料,应用RNA-Seq进行转录组测定,分析鉴定盐害下差异表达基因（differentially expression gene,DEG）,并对DEG进行GO和KEGG功能富集分析。同时应用qRT-PCR对随机挑选的15个DEG表达模式进行验证,并与RNA-Seq结果进行相关性分析。 【结果】 耐盐品种豫谷2、盐敏感品种安04种子经盐胁迫处理后,分别鉴定出2 786个和4 413个DEG;其中,每个品种在NaCl处理前及处理后分别鉴定出1 470和3 826个DEG。GO和KEGG聚类分析显示,NaCl处理下参与信号转导、抗氧化、有机酸的合成及转运以及次生代谢等相关的DEG在谷子萌发期种子应对盐胁迫响应过程中具有关键性的作用,DEG主要集中在胁迫响应、离子的跨膜转运、氧化还原、次生代谢及有机酸、多胺、苯丙烷的合成等过程。qRT-PCR对15个DEG表达模式的检测结果与RNA-seq结果相关系数为0.8817。其中编码离子通道的基因（HKT）、过氧化物酶基因（POD）、黄烷酮-3-羟化酶基因（FL3H）、MYB转录因子基因等在豫谷2中表达量较高,显示其在谷子萌发期种子响应盐胁迫中可能发挥一定作用。【结论】 谷子耐盐品种及盐敏感品种的种子对盐胁迫的响应程度具有一定的差异性,且品种对盐害的耐受能力主要与基因对胁迫的响应程度相关,而与DEG的数量相关性不大。     

谷子萌发期响应干旱胁迫的基因表达谱分析

【目的】谷子是一种耐旱作物,通过二代测序技术获得大量的谷子萌发期响应干旱胁迫的差异基因,进而挖掘谷子萌发期抵御干旱的关键基因及其相关的分子机制。【方法】以晋谷45为材料,谷子萌发期分别用18%PEG-6000干旱胁迫（处理组）和蒸馏水（对照组）处理种子并测定1、10和18 h种子的SOD、POD和CAT活性。SOD活性用氮蓝四唑（NBT）法测定,POD活性用愈创木酚法测定,CAT活性用比色法测定;对萌发10和18 h种子的对照组和处理组构建cDNA文库并进行差异基因表达谱分析;利用Bowtie将reads比对到参考基因组,采用RSEM对bowtie的比对结果进行表达量估计;使用DESeq进行差异表达基因分析;利用NR、Swiss-Prot、KEGG、COG和GO在线数据库对差异基因进行功能注释,挖掘调控谷子萌发的关键基因;利用qRT-PCR验证测序结果的可靠性。【结果】处理组的SOD活性整体比对照组高,而POD活性和CAT活性与之相反;随着萌发时间的变化,SOD活性在不断地增加,但CAT和POD活性逐渐减小。基因表达谱序列与所选参考基因组序列高度一致,基因表达呈现出高度不均一性。通过高通量测序最后获得35 470个基因,以RPKM≥0.01为筛选标准,对照样本中分别筛选出24 030和24 486个表达基因,PEG干旱胁迫处理10和18 h的样本分别筛选出24 019和23 877个表达基因;差异表达基因分析表明,谷子萌发10和18 h分别筛选出456和545个差异基因,其中87和267个上调表达基因,369和278个下调表达基因;GO功能显著性富集分析表明,差异基因主要涉及代谢过程,细胞进程和响应刺激;KEGG富集分析表明,差异基因参与到苯丙烷代谢和植物激素信号转导过程;通过qRT-PCR对5个差异基因在干旱胁迫下种子萌发时的表达分析表明,其表达趋势与表达谱分析结果基本一致。【结论】差异表达基因广泛涉及到糖、蛋白质、核酸等生物大分子代谢、次生代谢和能量代谢等过程;SnRK2和PAL可能在干旱胁迫下调节种子的萌发。     

谷子抗旱研究进展

前人对谷子的研究主要集中在抗旱鉴定的方法以及表型特征等形态方面,有关谷子抗旱性分子机制和从谷子中发掘抗旱基因的研究几乎是空白。就植物抗旱的分子机制、谷子抗旱的鉴定方法和分子机理研究进行综述,并对谷子抗旱研究进行了展望。     

谷子BAS1基因生物信息学分析及其在干旱胁迫下的表达分析

BAS1是一种过氧化物酶,广泛存在于植物中,具有清除生物体内ROS、调节细胞内信号传导和分子伴侣的功能,在盐胁迫、光氧化、干旱及低温胁迫等方面起着重要的作用。通过生物信息学分析了谷子中的8个SiBAS1基因,并与近缘种高粱中SiBAS1基因进行亲缘关系比对。结果发现,高粱和谷子的SiBAS1基因家族同源性极高;对谷子SiBAS1基因进行启动子分析,结果发现,很多与干旱胁迫相关的响应元件包括干旱响应MYB结合位点MBS、低温响应元件LTR、热响应元件HSE、真菌诱导响应元件Box-W1、乙烯响应元件ER E、赤霉素响应元件P-box、水杨酸响应元件TCA-element和脱落酸响应元件ABRE等;通过对勾勾母鸡咀(GG,耐干旱品种)和晋汾16(JF16,干旱敏感品种)的SiBAS1基因转录组表达情况的分析发现,干旱胁迫下不同品种中同一SiBAS1基因的表达水平不同,且差异较大。其结果可为深入研究SiBAS1基因与谷子抗旱性的关系提供依据,且有助于SiBAS1基因对干旱的响应机制及作用机制的后续研究。