337份小麦品种籽粒相关性状的全基因组关联分析

小麦籽粒大小和形态是决定产量的主要因素之一,挖掘籽粒相关性状的关联位点,筛选相关候选基因为提高小麦产量奠定了重要基础。本研究以337份小麦品种作为研究对象,利用Q+K混合线性模型(MLM)在3个环境(E1:2020年陕西杨凌;E2:2020年陕西斗口;E3:2021年陕西杨凌)下对小麦的千粒重、粒长、粒宽以及籽粒长宽比4个性状进行了全基因组关联分析(GWAS)。在3种环境中,不同小麦品种的4个籽粒性状都表现出了广泛的表型差异,变异系数为5.31%～14.76%,其中粒长的变异幅度最小,千粒重的变异幅度最大。GWAS结果表明,49个显著SNP位点至少在2个环境中被检测到,分布在除1B、4A和7D外的染色体上,解释了3.36%～12.73%的表型变异。检测到一因多效位点31个,在5A染色体上检测到3个环境下与3个籽粒性状(千粒重、粒长、粒宽)稳定相关的位点,表型贡献率为3.51%～7.74%。对稳定关联的SNP位点上下游各200 kb的物理区间内进行候选基因挖掘,筛选到5个(TraesCS2B01G225400、TraesCS4D01G016900、TraesCS5A01G454100、T...     

小麦DNA去甲基化酶基因全基因组鉴定及其在籽粒发育中的表达分析

DNA去甲基化酶（dMTase）是一种高度保守的表观遗传修饰因子,涉及许多生物学过程,包括生长发育、应激反应和次生代谢。本研究基于小麦基因组数据,对小麦 DNA去甲基化酶基因（TadMTase）进行了全面鉴定和生物信息学分析。结果表明,小麦基因组中包含18 个TadMTase基因,分布于小麦15条染色体上。系统进化分析将TadMTase分为 ROS、DML3、DML4 和 DML5等 4个亚家族,亚家族之间的TadMTase基因序列长度和内含子数量存在差异,但同一个系统进化树分支中的亚族成员具有高度相似的基因结构、保守 motifs 和结构域,为植物dMTase基因家族的直系同源基因,在进化方面具有保守性。亚细胞定位预测TadMTase均定位于细胞核中;通过与小麦祖先物种的进化及共线性分析,发现在小麦异源六倍体形成过程中存在部分TadMTase基因丢失;TadMTase基因家族启动子区域包含大量光信号、植物激素、胁迫响应和生长发育等相关顺式作用元件;转录组数据分析表明TadMTase基因在不同组织器官和籽粒发育不同时期表达模式不同,有一定的组织特异性。进一步RNA-Seq和荧光定量PCR分析表明TaROS1b-1A.1和TaROS1a-5A/D分别在籽粒的种皮和胚乳发育时期显著上调表达,且在强筋和弱筋小麦品种中表达存在差异。结果为TadMTase 基因在调控小麦籽粒生长发育及其品质形成中的调控机制提供参考。     

春小麦主要籽粒性状的全基因组关联分析

为挖掘控制春小麦主要籽粒性状的关联SNP及候选基因,以国外引进品种、新疆地方品种、新疆自育品种共298份春小麦品种为材料,利用小麦55K SNP芯片,对5个环境下小麦千粒重、粒长、粒宽3个主要籽粒性状进行基于Q+K混合线性模型(mixed linear model, MLM)的全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。结果表明,供试小麦品种的3个主要籽粒性状在5个环境下的变异系数为3.89%～19.77%,其中粒宽的变异幅度最小,千粒重的变异幅度最大。不同环境中,新疆育成品种的3个主要籽粒性状的平均值均最高,而新疆地方品种的3个籽粒性状的平均值均最低。GWAS结果表明,共检测到84个与小麦主要籽粒性状显著关联的稳定SNP位点,它们分布在小麦的21条染色体上,单个SNP位点可解释3.74%～11.18%的表型变异。在1B、2B、3B、4B、5A、5D染色体上检测到6个同时关联多个籽粒性状的稳定位点。对84个SNP位点进行候选基因筛选,筛选到6个可能与小麦主要籽粒性状相关的候选基因,可作为小麦籽粒研究的重要基因。     

多环境下大豆子粒大小性状的全基因组关联分析

为探究多环境下大豆子粒大小性状的分子遗传基础,挖掘与子粒大小性状相关的SNP位点和候选基因,利用150份大豆种质资源在2019年和2020年6个环境条件下对大豆子粒粒长、粒宽、粒厚和百粒重性状进行表型测定,并进行全基因组关联分析。结果表明：在CMLM（压缩混合线性）模型下,在6个环境条件下检测到896个与子粒大小性状显著关联的SNP位点,分布于20条染色体。不同性状检测到72个重叠的SNP位点。检测到39个稳定遗传的SNP位点,贡献率为10.68%~24.93%。通过稳定性与重叠性分析,获得35个稳定表达的SNP位点,贡献率为10.92%~23.16%。在粒宽、粒厚及百粒重性状中同时检测到显著关联的SNP位点最多,位点rs16533609的贡献率最高（16.51%）。根据稳定表达的SNP筛选候选基因,推测Glyma.03G006600、Glyma.04G077100、Glyma.08G203600、Glyma.12G195400、Glyma.17G039800、Glyma.18G202100和Glyma.20G215700等7个基因对大豆子粒大小性状有调控作用。     

大麦耐盐相关性状的全基因组关联分析

为挖掘控制大麦耐盐相关性状的重要位点及候选基因,以国内外不同遗传背景的164份大麦品种为材料,在大麦萌发期,用200 mmol·L^-1NaCl处理种子,测定大麦相对发芽率、生根数、根长、芽长、鲜重5个指标并分析其相关性。结果发现,200 mmol·L^-1NaCl处理显著影响了大麦的生长,5个被测指标的变异系数为20.29%~63.00%。除相对发芽率外,其他性状间均呈显著正相关,相关系数为0.41~0.68。通过全基因组关联分析,发现148个SNP位点与大麦耐盐性显著关联;筛选出5个可靠SNP位点,分别分布在1号、 2号、3号、6号、7号染色体上。通过比较大麦基因组,挖掘出26个可能与大麦耐盐性状密切相关的候选基因,包括HORVU7Hr1G097370和HORVU7Hr1G097390编码碱性亮氨酸拉链域转录因子家族蛋白、HORVU7Hr1G096920编码高亲和K⁺转运体、多个基因家族编码过氧化物酶超家族蛋白等。这些候选基因可为大麦耐盐品种选育提供参考。     

陆地棉自然群体纤维强度性状的全基因组关联分析

纤维强度是衡量棉花纤维品质的重要指标之一。了解棉纤维强度形成的遗传基础对棉花纤维品质的遗传改良具有重要的指导意义。本研究利用83份纤维强度差异显著的陆地棉材料,采用广义线性模型（General linear model, GLM）,对5个环境的纤维强度及最佳线性无偏估计值（Best linear unbiased prediction,BLUP）进行全基因组关联分析（Genome-wide association study,GWAS）。结果表明,各环境纤维强度基本符合正态分布,且存在丰富的变异,变异系数为5.55%～8.44%,广义遗传力达到88.67%。GWAS共检测到19个稳定的显著关联SNP位点,分布在A01、A06、D05、D08、D10、D11和D13等7条染色体上,合并为9个数量性状位点（Quantitative trait locus, QTL）区间,其中4个QTL区间与前人定位的QTL区间重叠,其它5个QTL区间是本研究新发现的控制纤维强度性状的稳定位点。根据区间内基因的表达模式及功能注释,共筛选出4个可能与纤维强度相关的候选基因。本研究通过对棉花纤维强度进行全基因组关联分析,为棉花纤维品质性状的分子遗传改良奠定了基础。     

不同播期条件下大豆开花期性状的全基因组关联分析

开花期是决定大豆生态适应性和产量的重要性状,研究大豆开花期的遗传规律,解析大豆开花调控的分子基础,对大豆品种适应性改良具有重要意义。本研究选用来自北方、黄淮海和南方三大生态区的87份中国品种及31份美国大豆品种,在北京进行春、夏季分期播种,获得10个播期环境下的开花期数据,并利用Illumina BARCSoySNP6K iSelectBeadChip芯片对大豆品种进行SNP分型。通过群体结构分析、聚类分析和PCA分析,将供试大豆品种分为两个亚群。利用TASSEL软件PCA+K模型,结合5 126个SNP标记,对开花期进行全基因关联分析,得到18个显著关联位点,其中14个位点在2个以上的环境中稳定表达,4个位点只在单一环境中被检测到,表明其受光温环境影响较大。通过对显著关联位点进行预测,共发现31个候选基因,其中有2个（Glyma10g36600和Glyma19g37890）已在此前的研究中被证明与大豆开花有关,而Glyma03g33470、Glyma11g15650、Glyma05g01510和Glyma19g07162与拟南芥中相关的开花调控基因同源,推测这4个基因在大豆中也参与开花调控。11个尚未见报道的新位点分别位于3、4、5、9、10、14、16和17号染色体上,可能存在控制大豆开花期的新基因。     

玉米百粒重全基因组关联分析

以100份玉米自交系为材料,通过对2019-2020年山西榆次和太谷两地百粒重数据的测定,计算最佳线性无偏差预测值,结合均匀分布于玉米基因组的44 935个SNP标记,基于GLM模型和FarmCPU模型对百粒重进行全基因组关联分析(Genome-wide association study,GWAS)。关联分析结果表明,共鉴定到25个与百粒重显著关联的SNP(P<2.324e^-5),其中,关联位点1＿274302441、1＿298518163和9＿32699254位于已定位粒重QTL(Quantitative trait loci)的bin内。在显著SNP位点的连锁不平衡范围内共挖掘出28个候选基因,其中,GRMZM2G116640(乙酰氨基葡萄糖转移酶)、GRMZM2G048733(ABA受体蛋白)、GRMZM2G106424(14-3-3类蛋白)和GRMZM2G024104(谷氨酰胺合成酶)等是重要的百粒重候选基因。     

玉米子粒脂肪含量的全基因组关联分析

利用分子标记对控制玉米脂肪合成的关键基因进行定位,从分子水平上阐明其遗传机理,提高高油玉米的育种效率。以吉林省80份核心玉米自交系为关联群体,2014年和2015年分别在吉林农业大学试验地进行田间试验,将自交收获的果穗晾晒脱粒后用NIRFlex N-500近红外光谱仪测定其子粒脂肪含量。同时使用Illumina PE150测序仪对80份玉米自交系进行全基因组重测序,共获得1 490 007个高质量的SNP用于后续的关联分析。结果表明,玉米子粒脂肪含量的变异范围为2.83%~6.81%,广义遗传力为63.3%。经过两年1点的全基因组关联分析共筛选得到10个SNP位点与子粒的脂肪含量显著关联(P0.000 001),解释的表型贡献率为0.65%~34.5%,其中位于染色体框4.01的SNP标记表型贡献率最高为34.5%。在显著性SNP位点(P0.000 001)的连锁不平衡区域(5.2 kb)内共挖掘出6个候选基因,分别预测编码MYB转录因子、果胶酯酶、谷氨酰胺合成酶和3种无特征功能的假定蛋白,可能与脂肪的合成代谢密切相关,可为高油玉米材料的分子标记辅助选择及克隆调控玉米子粒脂肪含量的关键基因提供参考。     

西南地区小麦种质资源白粉病抗性的全基因组关联分析

为了有效利用我国西南地区小麦抗白粉病种质资源,于2012―2013年在贵州贵阳、贵州赫章和四川绵阳以及2013―2014年在贵州贵阳对主要来自西南地区的120个小麦品种(系)进行了白粉病抗性鉴定,并利用小麦90K芯片进行全基因组关联分析。抗病性鉴定结果显示,36个品种(系)在四个环境下均表现出抗性,其中大部分品种(系)来自贵州省。全基因组关联分析发现,16个SNP位点与白粉病抗性显著相关,分别位于1A、1D、2A、3A、4B、5B、6A、6D和7B染色体上,其中位于6AS染色体重要区段上的3个SNP位点(Jagger_c4823_169、Tdurum_contig55201_928和Tdurum_contig12215.89)的遗传距离小于1cM,在四个环境中均与白粉病抗性显著相关。相关分析表明,这3个SNP位点与 Pm21分子标记(SCAR1265)紧密连锁。     

普通小麦D染色体组上psy基因位点的分子证据

为检测普通小麦D染色体组是否存在psy基因,以扩增普通小麦(2X=AABBDD=42)psy基因的相同引物psy02和psy06在节节麦(2X=DD=14)中进行PCR反应。结果表明,引物psy02在节节麦基因组DNA中的扩增产物长206 bp,与普通小麦中扩增的196 bp序列同源率为93.0%,对应的第2外显子区域内仅有1 SNP;引物psy06在节节麦基因组DNA中的PCR产物长305 bp,与普通小麦中扩增的302 bp序列同源率达95.77%,对应的第6外显子区域内无SNP,说明在小麦D染色体组中存在psy基因,且psy基因部分外显子序列在D染色体组的进化过程中相对保守。     

小麦GRAS基因家族的全基因组鉴定与分析

GRAS基因是一类转录因子基因,在植物的生长和发育中起关键作用。本研究利用最新的小麦基因组数据,对小麦GRAS基因进行了全基因组鉴定和分析。结果从小麦中鉴定出153个GRAS基因,这些基因不均匀分布在小麦21条染色体上。系统发育分析将这些基因分为12个亚家族,片段复制和串联重复是导致该基因家族扩张的主要原因。蛋白质序列分析发现不同亚家族间氨基酸数目、分子量存在一定差异;二级结构预测表明,小麦GRAS基因的氨基酸序列均以α-螺旋、随机卷曲为主要组成部分。通过对小麦GRAS基因在不同组织和不同逆境胁迫下的表达分析发现,GRAS基因在不同组织和逆境胁迫下存在明显的差异表达,表明GRAS基因具有组织或器官表达特异性,且可能在对逆境胁迫的响应中起重要作用。这些结果为进一步研究小麦GRAS基因的功能奠定了基础。     

基于生物信息学的小麦ALAD基因的鉴定和分析

5-氨基乙酰丙酸脱水酶(δ-aminoaevulinic acid dehydratase,ALAD)是生物体所有四吡咯化合物生物合成所必需的酶。为了给ALAD基因功能研究奠定基础,本研究根据模式植物拟南芥和水稻的ALAD基因序列,利用生物信息学手段对普通小麦ALAD基因进行鉴定和分析。结果表明,普通小麦有6个ALAD基因,其中TaALAD-A1、TaALAD-B1和TaALAD-D1基因位于第七同源群染色体长臂,而TaALAD-A2、TaALAD-B2和TaALAD-D2基因位于第六同源群染色体短臂。6个ALAD基因均含有保守的ALAD结构域,但系统发育分析中可分为2组。转录组数据表达分析结果显示,TaALAD-1基因在各个组织中的表达量均高于TaALAD-2,但两者在叶片中的表达量均最高。干旱胁迫对小麦TaALAD-1和TaALAD-2的表达几乎无影响;TaALAD-1的表达量在热胁迫1h下调,而在热胁迫6h时上调;热胁迫1h和6h对TaALAD-2的表达几乎无影响。通过小麦TILLING数据库分析,6个TaALAD基因都找到了数量不同的突变位点,其中一些突变位点为起始位点突变、无义突变、转录终止位点突变和剪切位点突变,可能影响该基因的功能。     

小麦EPF/EPFL基因家族的全基因组鉴定及 TaEPF1-2B与气孔性状的关系分析

表皮模式因子EPF/EPFL基因家族编码一类植物中特有的分泌类蛋白,在植物生长发育特别是形态建成过程中发挥着重要作用。为挖掘和利用小麦EPF/EPFL家族基因,对小麦该家族基因进行了系统鉴定,并利用生物信息学技术对其基因结构、蛋白质结构域、系统进化及表达特性进行分析。结果表明,在小麦全基因组水平共鉴定到35个TaEPF/EPFL基因家族成员,含有1~4个外显子,分布在除1A、5B外的19条染色体上,全基因组复制事件是导致该基因家族扩张的主要原因。蛋白结构分析显示,其编码蛋白的C端包含6个相对保守的半胱氨酸残基,N端存在信号肽剪切位点,且亚细胞定位在胞外基质中,属于一类胞外分泌蛋白。系统进化分析发现,TaEPF/EPFL基因在单子叶和双子叶植物分化之前就已形成。表达模式分析发现,大多数TaEPF/EPFL基因在小麦幼嫩组织和穗部表达量较高,部分TaEPF/EPFL基因响应干旱、高温等非生物胁迫。进一步分析 TaEPF1-2B不同单倍型与气孔性状的相关性,发现TaEPF1-2B不同单倍型的气孔密度、气孔长度、气孔宽度和气孔面积均存在极显著差异,净光合速率存在显著差异,其中单倍型Hap A具有较低的气孔密度和较高的光合速率,是优势单倍型。本研究结果为进一步改良小麦的抗旱性和光合效率提供了候选基因。     

小麦β-酮脂酰CoA合成酶基因KCS的克隆与酵母表达

超长链脂肪酸是生物体内众多重要物质的合成底物。KCS基因编码β-酮脂酰CoA合成酶,该酶具有底物特异性,参与超长链脂肪酸延伸的缩合反应,是超长链脂肪酸合成的限速步骤。为了探究小麦KCS基因在超长链脂肪酸合成中的功能,采用同源克隆的方法从小麦(Triticum aestivum L.)中克隆出KCS基因后,利用生物信息学对其编码序列进行分析,并在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中对其进行真核表达。结果表明,小麦TaKCS6基因的开放阅读框为1 287bp,编码428个氨基酸残基。结构域预测结果显示,TaKCS6蛋白含有III型聚酮合酶脂肪酸延伸酶和C末端3-酰基ACP合酶III结构域,属于KCSs蛋白家族。序列比对分析结果显示,TaKCS6氨基酸序列与拟南芥及其他植物的KCS6氨基酸序列在两个功能结构域上和活性位点保守。酵母表达结果显示,TaKCS6基因编码的蛋白参与C24以上超长链脂肪酸的延伸。     

基于小麦产量三要素的产量条件QTL分析

为了从单个QTL水平上解析产量与产量三要素的遗传基础,利用花培3号和豫麦57杂交获得的168个家系的DH群体及其遗传图谱,在5个环境下对产量进行了非条件QTL分析和基于产量三要素(穗粒数、千粒重和单位面积穗数)的条件QTL分析,共检测到9个非条件QTL和28个条件QTL。其中,检测到2个主效QTL(QY.sdau-4D和QY.sdau-6D.2),它们可分别解释15.77%和10.16%的表型变异。分别检测到6个"一因多效"QTL和11个微效QTL;其中,QYsdau-4D.2通过影响单位面积穗数、穗粒数和千粒重而影响产量,QYsdau-2D.1和QYsdau-3A.1能提高单位面积产量但不影响穗粒数,即单位面积产量和穗粒数在该位点上几乎没有关联。本研究结果为通过分子设计聚合高产有利基因提供了理论基础,对培育单位面积产量大幅度提高的小麦新品种具有重要意义。     

小麦miR5062靶基因的鉴定及功能研究

miRNA作为一种植物中重要的内源小分子,通过调控靶基因的表达来行使其功能.为了探索小麦(Triticum aestivum)中新发现的miRNA tae-miR5062的靶基因,利用生物信息学方法对tae-miR5062的靶基因进行预测和进一步分析,将属于小麦AGO2家族的TaAGO2确定为其靶基因;进一步构建重组表...     

小麦LBD基因家族的全基因组鉴定、表达特性及调控网络分析

为深入发掘小麦LBD基因的功能,利用小麦最新基因组数据,通过生物信息学手段,对小麦LBD基因家族进行了鉴定,并对其表达特性及调控网络进行了分析。鉴定结果表明,本研究得到了75个小麦LBD基因,根据系统进化分析结果,可将它们划分为ClassⅠ和ClassⅡ两个亚家族。染色体定位结果表明,除了5D和7D外,其余染色体均含有LBD基因。共表达调控网络分析表明,15个LBD基因参与了小麦功能基因调控。利用RNA-seq数据对所有小麦LBD基因在不同组织以及不同逆境胁迫下的表达情况进行分析表明,小麦LBD基因在不同组织间和胁迫下存在着差异表达,多个组织特异和胁迫响应相关LBD基因被鉴定到,可作为后续功能研究的候选基因。     

不同温光型专用小麦品种花后旗叶生理与籽粒淀粉积累特性

为探索不同温光型专用小麦籽粒淀粉的积累规律及其与植株生长状况的关系,在大田条件下,以2类温光型和3种筋型的小麦品种为材料,研究花后旗叶的生理特性和籽粒淀粉及组分积累情况。结果表明,旗叶中叶绿素含量在灌浆前期(0~21d)维持较高,后期迅速下降,但2个弱筋型品种下降速度缓慢;半冬性品种旗叶中可溶性蛋白含量均大于弱春性品种,而丙二醛(MDA)含量小于弱春性品种,差异均达极显著水平(P0.01)。不同筋型籽粒淀粉组分和总淀粉的积累动态以弱筋型品种最具优势,其直链淀粉含量均在花后14d进入快速增长期,支链淀粉和总淀粉含量在花后28d仍在持续增加,最终以半冬性弱筋品种的籽粒产量和淀粉产量最高(P0.01)。灌浆前期(0~21d),叶绿素、可溶性蛋白含量与直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量呈显著和极显著的相关性(P0.01,P0.05);灌浆后期(21~28d),与直链淀粉的相关性不显著,而叶绿素含量与支链淀粉含量的相关性增大。由此可见,旗叶维持较高的叶绿素、可溶性蛋白含量,较低的丙二醛含量在灌浆前期有利于直链淀粉的积累,后期有利于支链淀粉的积累。