小麦(T.aestivum L.)D基因组的研究进展

普通小麦是一个异源六倍体物种,具有ABD三个染色体组,D染色体组在来源和进化过程中都与A、B染色体组不同,D染色体组来自于粗山羊草,含有丰富的抗病、抗虫、抗寒、优质等有益基因,因此D染色体组的研究对小麦的产量、品质改良具有重要意义。但是由于长期的定向遗传改良,我国普通小麦的遗传差异较小,遗传基础狭窄,特别是在D染色体组上尤为突出。一些对作物产量和品质有益的基因未被挖掘利用。本文对小麦D基因组的起源、遗传多样性和拓宽遗传基础的方法及基因定位等进行了综述,并结合本实验室的研究工作对其研究前景进行展望。     

人工六倍体小麦后代衍生群体遗传多样性研究

通过四倍体二粒小麦和节节麦杂交而获得的人工合成六倍体小麦,含有丰富的普通小麦品种改良有益基因,作为拓宽普通栽培小麦性状和新品种改良的新的种质资源已广泛应用于普通小麦的遗传改良实践中.利用分布于小麦A、B、D基因组21条染色体、28个不同染色体臂上的37对微卫星引物,对人工合成六倍体小麦与四川成都平原普通栽培小麦主栽品种杂交、回交经多代选择而形成的117份人工合成六倍体小麦衍生后代高代群体系(其中川麦38、川麦42、川麦43和川麦47为审定品种)进行了DNA分子水平上的分析,共检测到256个等位基因变异,平均每个SSR标记位点检测到6.92个等位变异基因.每个SSR位点等位基因变异数在1～14个,变异幅度较大,表明SSR分子标记在人工合成六倍体小麦中表现出高水平的遗传变异.A,B,D基因组中,D基因组表现出的多态性信息含量最低,为0.427 6,B基因组次之,为0.534 6,A基因组最高,达到 0.614 5(A>B>D).辛普森指数比较的结果也反映出相同的变化趋势,A基因组最高,为1.187 4,B基因组次之,为1.081,D基因组最小,为0.804 6(A>B>D).综合多态性信息含量和辛普森指数的估值,表明这一批人工合成六倍体小麦后代衍生高代群体接受的遗传基因既来自人工合成六倍体小麦,又来自普通栽培小麦,显示杂合度类型丰富,具有较高的遗传差异.根据获得的等位基因变异片断的分布情况进行UPGMA聚类,发现A,B,D基因组基因型间的遗传相似系数较低, A,B,D三基因组37个SSR标记位点所得平均遗传相似系数为0.472 1,A基因组平均遗传相似系数为0.379 7,B基因组平均遗传相似系数为0.462 7,D基因组上平均遗传相似系数为0.581 5,反映出人工合成六倍体小麦后代衍生群体材料的遗传多样性处于较高水平.本研究结果证明利用人工合成六倍体小麦所具有的普通小麦野生近缘种中的基因库改良现代小麦,丰富其遗传基础,减少其生物和非生物胁迫的脆弱性,是一条行之有效的途径.     

人工合成六倍体小麦后代衍生群体遗传多样性检测

通过四倍体二粒小麦和节节麦杂交而获得的人工合成六倍体小麦,含有丰富的普通小麦品种改良有益基因,作为拓宽普通栽培小麦性状和新品种改良的新的种质资源已广泛应用于普通小麦的遗传改良实践中.利用分布于小麦A、B、D基因组21条染色体、28个不同染色体臂上的37对微卫星引物,对人工合成六倍体小麦与四川成都平原普通栽培小麦主栽品种杂交、回交经多代选择而形成的117份人工合成六倍体小麦衍生后代高代群体系(其中川麦38、川麦42、川麦43和川麦47为审定品种)进行了DNA分子水平上的分析,共检测到256个等位变异,平均每个SSR标记位点检测到6.92个等位变异,变幅在1到14之间.A、B、D基因组中,D基因组表现出的多态性信息含量最低,为0.4276,B基因组次之,为0.5346,A基因组最高,达到0.6145(A＞B＞D).辛普森指数比较的结果也反映出相同的变化趋势,A基因组最高,为1.1874,B基因组次之,为1.0810,D基因组最小,为0.8046(A＞B＞D).综合多态性信息含量和辛普森指数的估值,表明这一批人工合成六倍体小麦衍生后代群体接受的遗传基因既来自人工合成六倍体小麦,又来自普通栽培小麦,显示杂合度类型丰富,具有较高的遗传差异.根据SSR位点获得的等位基因变异片断的分布情况进行UPGMA聚类,发现A、B、D基因组基凶型间的遗传相似系数较低,A、B、D三个基因组所得平均遗传相似系数为0.4721,其中A基因组平均遗传相似系数为0.3797,B基因组平均遗传相似系数为0.4627,D基因组上平均遗传相似系数为0.5815,反映人工合成六倍体小麦后代衍生材料的遗传多样性处于较高水平.研究结果证明利用人工合成六倍体小麦所具有的普通小麦野生近缘种中的基因库改良现代小麦,丰富其遗传基础,减少其生物和非生物胁迫的脆弱性,是一条行之有效的途径.     

调控小麦重要农艺性状基因的染色体定位

为了研究调控小麦重要农艺性状基因的染色体分布,进一步解析控制小麦重要农艺性状基因的遗传基础,本研究以一套“中国春-人工合成小麦”染色体代换系为材料,在大田条件下,对不同株系小麦的株高、穗长和穗数等重要农艺性状进行调查。通过同一性状不同株系间的差异显著性分析,对调控株高、穗长和穗数的基因进行了染色体定位。研究结果表明:1 B、2 B、 3 A、4 A、6 A、6 D和7 D染色体上可能携带有调控小麦株高的位点;1 B、1 D、2 B、2 D、5 A、6 A、6 D和7 D染色体上可能携带有调控小麦穗长的基因位点;3 A和6 D染色体上可能携带有调控小麦成穗数的位点。本研究有利于进一步理解调控小麦农艺性状的遗传基础,并对小麦分子育种实践具有一定的指导意义。     

基于SNP分子标记的泰山/泰科麦系列小麦遗传解析

对不同年份育成的21个小麦品种（系）进行全基因组扫描,通过分析遗传距离和染色体区段/位点,明确其亲缘关系远近和遗传差异。分析可知,获得的2029个SNP基因位点在B基因组拥有较高的遗传多样性,其次是A和D基因组;在7个同源群中,第3和第6同源群呈现出较高的遗传多样性,而第1和第4同源群的遗传多样性较低;21条染色体中,3A、1B、6B染色体的遗传多样性较高,而1A、6A的遗传多样性偏低。对21份供试材料依据审定（育成）年份分析其群体的平均遗传距离,不同年份品种间的平均遗传距离先增大后减小,遗传多样性逐渐降低;21份供试材料间的遗传相似系数在0.69~0.99之间,大致可聚为4个类群,同一年份的品种一般聚在一起,与其系谱关系吻合。构建并分析供试材料的基因型图谱发现,00s、10s和现在育成的小麦品种（系）共有SNP和共有染色体区段分别主要在A、D和B基因组,对应已发表性状同不同年份育种目标吻合。同时发现21份供试材料均含有25个共同SNP位点,分布在1A、5A、6A、7A、2B、3B、6B、1D、2D、3D和7D染色体上,且每条染色体上分布的SNP位点数目均不相同,通过对应已发表性状进一步证实在品种（系）组配与选育过程中注重产量、株高、分蘖数、抽穗期、灌浆速率和抗病等性状的选择。以上研究结果可为今后小麦新品种组配和选育提供参考依据。     

小麦抗白粉病基因pm42的EST连锁图谱构建和比较基因组学分析

目的基因精细遗传连锁图谱的构建是图位克隆的基础,小麦功能基因精细遗传连锁图谱的构建依赖于比较基因组学分析。水稻和短柄草(Brachypodium distachyon)基因组序列是小麦比较基因组学分析和功能基因精细遗传定位的重要工具。本研究利用小麦、短柄草和水稻的基因组共线性关系对小麦抗白粉病基因pm42进行比较基因组学分析,明确了pm42基因所在2BS基因组区域与短柄草第1染色体和水稻第3染色体直系同源基因组区域的对应关系,开发出与抗白粉病基因pm42连锁的EST-SSCP (expressed sequence tag-single strand conformation polymorphism)标记CD452782和BF201235,EST-STS (expressed sequence tag-sequence tagged site)标记CJ674042、EB513371和CV771633,构建了pm42基因EST标记遗传连锁图谱,CJ674042、BF201235、CD452782和CV771633位于pm42近端粒侧,距离pm42的遗传距离分别为1.9、12.0、19.7和25.7 cM;EB513371位于pm42近着丝粒侧,与pm42的遗传距离为14.6 cM。整合原有的作图数据,构建了pm42基因的高密度比较基因组学遗传连锁图谱,pm42被定位于3.3 cM的区间,该区间对应于短柄草66 kb的基因组区域及水稻69 kb的基因组区域。该结果为抗白粉病基因pm42高密度精细遗传连锁图谱构建、分子辅助选择和基因聚合奠定了基础。     

小麦puroindoline b-2 基因变异与产量相关性状的分析

puroindoline b-2(Pinb-2)是近期发现的一组与puoindoline b基因高度相似的基因。Pinb-2基因在普通小麦B基因组中存在多种变异类型,软质麦中不同变异类型间籽粒硬度存在着显著差异。在此基础上进一步分析普通小麦B基因组中的Pinb-2基因等位变异与产量相关性状以及旗叶大小的关系,并利用重组近交系(F8)群体进行染色体定位。结果表明,4种不同变异类型的材料中,拥有Pinb-2v3b类型的小麦品种千粒重、籽粒直径、穗粒数、穗粒重和单株粒重均最高,拥有Pinb-2v3b类型的小麦品种产量相关性状可能优于其他3种类型。另外,拥有Pinb-2v3a类型的小麦品种旗叶宽度、旗叶长度和旗叶面积均高于其他3种类型。采用SSR标记定位结果表明,Pinb-2v2和Pinb-2v3互为一对等位基因,位于7B染色体的长臂上,与标记Barc315连锁。这一结果为进一步研究Pinb-2基因的分子遗传基础和小麦育种提供了依据。     

甜瓜果皮颜色遗传分析及基因定位

为探究甜瓜皮色性状的遗传规律，定位目标性状关联的遗传位点，选用黄皮材料B432 和绿皮材料B168、B421 为亲本，构建6 世代遗传群体(P1、P2、F1、F2、BC1P1、BC1P2)，用于分析甜瓜皮色性状的遗传规律；同时，利用BSA-seq 和全基因组重测序技术，定位控制甜瓜皮色的基因。结果表明，甜瓜皮色由2对基因控制，其中绿色对白色具有显性上位性效应，白色对黄色为显性。同时，将皮色相关基因分别定位于4 号染色体和10 号染色体的0.02~5.7 Mb和0.08~9.5 Mb区间。试验初步定位了控制甜瓜皮色的基因，为后续进行基因精细定位提供依据，为开展甜瓜皮色的分子标记辅助选择奠定基础。     

小麦EST-SSR标记的开发和染色体定位及其在追踪黑麦染色体中的应用

根据小麦盐胁迫诱导和茎秆组织相关EST序列开发了81对EST-SSR引物, 其中67、46、18和61对分别在小麦、黑麦、簇毛麦和大麦基因组中稳定扩增, 在不同小麦和大麦品种间具有多态性的引物分别有22和23对。利用小麦缺体-四体系共定位了43对引物的81个位点, 其中A、B和D染色体组上分别有29、30和22个位点, 涉及除4B、3D和6D外的18条染色体。此外30对引物在黑麦基因组中具有特异扩增, 其中8对分别在黑麦1R、4R、5R和R7染色体上具有特异扩增, 7对在多条黑麦染色体具有相同扩增。这些新标记可有效用于小麦及其近缘物种的遗传作图与比较遗传研究。     

川麦42遗传背景中人工合成小麦导入位点的SSR标记检测

硬粒小麦和节节麦是六倍体普通小麦的二级基因源,六倍体人工合成小麦遗传变异丰富、蕴藏着丰富的抗性基因,可供现代小麦改良利用。利用人工合成小麦基因资源与四川小麦杂交、回交,已育成了高产、优质、抗病小麦新品种“川麦42”。本文利用217对微卫星（SSR）引物检测“川麦42”遗传背景中人工合成小麦的导入位点,发现24个位点来源于人工合成小麦,占所用引物数的11.06%,远小于理论值25%。川麦42遗传背景中人工合成小麦导入位点在A、B和D染色体组分布频率不均衡,D组>B组>A组;人工合成小麦导入位点在川麦42各染色体间差异也很大,在1B、2B和5A染色体上分布较集中、片段较长,而在1A等11条染色体上则无导入位点;表明人工合成小麦的遗传位点并不按孟德尔遗传规律传至后代,人工选择压力导致遗传位点很大的偏分离行为。     

野生二粒小麦（Triticum dicoccoides）与普通小麦（T. aestivum）A、B染色体组的同源性分析

以普通小麦农家种、野生二粒小麦和野生二粒小麦与节节麦合成的双二倍体为材料,运用SSR分子标记方法对野生二粒小麦与普通小麦A、B染色体组的同源性进行了研究。结果表明：（1）野生二粒小麦与普通小麦A、B染色体组的遗传相似系数仅为0.189,存在较大的差异,推测野生二粒小麦与普通小麦的A、B染色体组在长期的进化过程中,     

水稻基因组中分泌蛋白的初步分析

本文利用Signa1P3．0两种算法NN（neural network）和HMM（hidden markov model）对水稻基因组中59712个ORF进行了初步的筛选,其中有4433个ORF编码的蛋白具有分泌特性,占整个基因组的7．3％。4433个具有分泌特性的蛋白,在染色体的分布是不均一的。在1号染色体的所占的比例最多,为8．8％;而12号染色体上所占的比例最少,为5．0％。其中在具有分泌特性的蛋白中,酶类、非酶类和推测蛋白分别占具有分泌型信号肽蛋白的24．9％、45．7％和29．5％。     

用(培矮64s/Nipponbare)F2群体对水稻产量构成性状的QTL定位分析

用水稻测序品种培矮64s和Nipponbare为亲本构建的含137个SSRs标记的连锁遗传图谱和（培矮64s/Nipponbare）F₂群体的180个单株，对水稻的单株有效穗数、穗粒数、穗实粒数、结实率、穗着粒密度、千粒重等6个产量构成性状进行了QTL定位分析。共检测到6个性状的22个QTLs，分布在第1、2、4、5、6、9、10、11、12等9条染色体的14个区域,表型贡献率5.0%-19.3%;相关性较强的性状之间具有较多共同或紧密连锁的QTLs;集中分布的QTLs之间既有同向连锁.对不同水稻群体定位的同源QTL进行了比较,对QTL在染色体上的集中分布,以及用QTL定位结果和生物信息学方法相结合预测基因的英勇等进行了探讨。     

普通小麦rDNA的ITS区及其基因组起源

采用特异引物对普通小麦(Triticum aestivum L.) rDNA的ITS区片段进行PCR扩增并测序,通过邻接法聚类分析, 得到3种类型的扩增产物。结果表明,ITS区序列长度是602 bp,其中ITS1和ITS2分别有8个和20个变异位点,ITS区揭示的遗传分化距离变化范围为0~0.038,平均值为0.021。通过从GenBank搜索并下载普通小麦野生近缘种ITS序列与本研究获得的普通小麦ITS序列进行比对,并用MEGA、PAUP、PHYLIP软件分析,按Kimura-2参考模型计算分化距离,以旱雀麦(Bromus tectorum)为外类群邻接法构建聚类树。根据杂交后代具有亲本的ITS序列遗传特点,认为小麦形成较晚,尚未同步进化完全,从分子水平上为普通小麦是异源六倍体提供了证据。通过与其A、B、D基因组可能供体的ITS区序列进行比对分析发现各自有不同程度的变异,认为普通小麦在多倍体形成过程中发生了序列消除现象,结合我们提出的“同步进化”对于不同的基因或者说不同类型的DNA序列是不同步的假说,解释了无法找到真正供体的原因。综上所述,我们认为A、B、D基因组的原初供体可能分别是乌拉尔图小麦(T. urartu)、山羊草(T. speltoides)和节节麦(T. tauschii)。     

春兰基因组DNA提取方法的研究

本文以春兰(Cymbidiumgoeringii(Rchb.f.)Rchb.f.)为研究试材,对植物基因组DNA提取方法中的若干影响因子诸如药品、试剂配制方法、DNA取材部位、蛋白质去除次数、DNA析出时间、提取样品水浴时间等进行了比较分析,试图找出春兰基因组DNA提取的最佳方法。结果表明:采用进口的CTAB提取效果比国产的CTAB要好,特别适用于花药的提取,蛋白质去除效果很好;SDS提取缓冲液配制方法很重要,不同的SDS缓冲液配制方法,其提取效果差异较大。春兰花苞的DNA提取得率较叶片高,但是叶片DNA的纯度则相反,叶片较花苞高。在提取花苞基因组DNA过程中,增加氯仿/异戊醇抽提次数,对去除DNA中蛋白质、多糖及其它杂质有一定的作用,但是对DNA的损失也是很明显的。从实验效果来看,氯仿/异戊醇抽提次数以2次为宜。提取基因组DNA在异丙醇沉淀时,采取挑取絮状沉淀的方法,也可减少蛋白质、多糖等其它杂质的影响,从而提高DNA纯度。无论是叶片还是花苞材料,采用异丙醇沉淀5min,一般析出的以核酸基因组DNA为主,蛋白质为次,核酸析出量在80%以上。继续沉淀(15min)的产物中DNA含量明显较低,而且沉淀的纯度相对不高,因此异丙醇沉淀时间可以缩短到10min之内以提高DNA的纯度。使用CTAB法提取DNA时,水浴时间至少需要30min,过短的水浴时间会造成DNA得率的下降,同时过长的水浴时间,如超过1h,则可能会引起DNA的降解,或者最后产物中增加其他杂质,因此,适宜的水浴时间当为40￣60min。     

CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术及其在作物品种改良中的应用

基因组编辑技术是用特殊的核酸酶对基因组进行精准修饰的一种新兴技术。2013 年研究人员发现了CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)系统,将其中的CRISPR/Cas9 系统成功改造成RNA引导的核酸内切酶,发展了CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术。该技术能够对包括植物在内的几乎所有物种的基因组进行高效、精准的定点修饰,而且程序简易、操作方便灵活,加速了遗传工程、功能基因组学的研究,给生命科学的各个领域带来了革命性变化。本综述回顾了CRISPR/Cas9 的出现、改进与发展,简述了CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术的作用机理,归纳总结了CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术在作物品种改良、提高作物品质和产量中的应用,最后,分析了该技术在作物品种改良中的发展前景及应用价值,以期为合理利用该技术进行种质创新、品种改良提供理论依据。     

Inter- and intraspecific sequence variations of the chloroplast genome in wild and cultivated Raphanus

To assess the differentiation of the chloroplast genome in wild and cultivated species of Raphanus , nucleotide sequence polymorphisms were investigated for approximately 2 kbp ranging from trnL (UAA) to psbG in R. raphanistrum and R. sativus . Eighteen plants of wild species, 10 Japanese wild radish plants ( R. sativus ), and 31 cultivated plants were used for sequence analysis. Intraspecific variations of the chloroplast genome were present both in wild and cultivated Raphanus . All three genes investigated ( trnL , trnF and ndhJ ) contained nucleotide substitutions within the genus. Whereas, larger numbers of mutations were observed in the intergenic regions. Using the detected variations, the 59 radish plants were classified into 11 haplotypes, seven of which were unique to wild species. Among the haplotypes, one type corresponded completely with the Ogura male sterile cytoplasm. All the cultivated radishes belonged to one of four types, of which three were also observed in Japanese wild radish. The haplotypes were classified into four groups by cluster analysis, and the distribution in the dendrogram confirmed that cultivated radish has multiple origins. On the other hand, the seven haplotypes uniquely observed in R. raphanistrum were considered as useful materials to provide genetic diversity of cytoplasm for breeding of cultivated radishes.     

Promoter anchored amplified polymorphism based on random amplified polymorphic DNA (PAAP-RAPD) in cotton

Non-coding sequences account for a majority of the higher plant genome, some of which have important effects in gene regulation and plant development. In an effort to develop molecular marker systems to search for polymorphisms associated with high fiber yield and quality in cotton, we have developed a methodology that could specifically target the regulatory regions of the cotton genome. In this study we designed 10-nucleotide degenerate promoter primers based on conserved core promoter sequences and tested their applicability in PCR amplifications in combination with 10-mer random amplified polymorphic DNA (RAPD) primers. The amplified markers are called promoter anchored amplified polymorphism based on RAPD (PAAP-RAPD). Forty cotton genotypes with diverse genetic and geographical backgrounds were used to test the PAAP-RAPD system using polyacrylamide gel electrophoresis. Based on PAAP-RAPD markers amplified from 12 primer combinations, the 40 genotypes were classified into five distinctive groups: two Upland cotton (Gossypium hirsutum) groups from China, another two Upland cotton groups from the USA, and one group from American Pima cotton (G. barbadense). The groupings are in general consistent with their genetic and geographical origins. Thirty-six PAAP-RAPD and RAPD fragments were cloned and four of them were further subjected to sequence analysis. Signal scanning using software PLACE confirmed that they contained an array of cis-regulatory sequences in addition to the core promoter sequences. The results demonstrate the potential application of PAAP-RAPD as a new marker system specifically targeting regulatory regions of the plant genome.     

Cytogenetic and genetic relationships between populations of Aegilops ventricosa Tausch

Summary Five samples of Aegilops ventricosa (2n=4x=28, genome formula DDNN) from different geographical origins, were crossed in a diallelic scheme. Metaphase I chromosome pairing of the hybrids, accounting for all the possible genetic combinations, was analysed. Only bivalents were formed in some hybrids, while multivalents were scored in other ones. Seed storage proteins, gliadins and albumins, were also analysed by means of polyacrylamide gel electrophoresis. Based on the presence of multivalents in hybrids, and on the differences in seed protein profiles, the samples could be grouped into two clusters. Meiosis was regular in hybrids obtained within samples of the same group, while multivalents were present in hybrids involving a sample of one group and one of the other. The evolutionary trends in Ae. ventricosa are discussed.