基于全基因组关联分析解析玉米籽粒大小的遗传结构

玉米籽粒大小是产量重要构成因子之一,也是受多基因调控的复杂数量性状,挖掘玉米籽粒大小相关性状的关键调控基因,将有助于提高玉米的产量。本研究以212份优良玉米自交系为材料,于2018年和2019年分别对粒长、粒宽和粒厚进行测定,并结合均匀分布于玉米基因组的73,006个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)标记进行全基因组关联分析。基于FarmCPU算法,在玉米的10条染色体上检测到47个与籽粒大小相关性状关联的SNP。结合B73玉米自交系籽粒发育的动态时空转录数据,在显著SNP标记的连锁不平衡区域内,共检测到58个与籽粒大小相关的候选基因,其编码的蛋白与多种蛋白存在互作关系,参与并调控多个与籽粒发育密切相关的生物学过程。本研究为解析玉米籽粒发育的分子调控机制,改良籽粒大小和提高作物产量提供了新的参考。     

玉米籽粒发育研究取得新突破

正近日,中国农业科学院作物科学研究所玉米分子生物学创新小组在玉米籽粒发育研究方面取得了新突破,阐明了UBL1基因在玉米发育中的关键作用及其调控机制。从基因层面上研究玉米籽粒发育,不仅有助于我们认识其发育的分子机制,而且有可能为玉米分子改良提供新的方法和途径。基因表达调控在生物体发育     

一个新的玉米Bt2基因突变体的遗传分析和分子鉴定

玉米籽粒发育调控机制的研究对于玉米产量与品质性状的遗传改良十分重要。本研究鉴定了一个新的转座子插入的籽粒皱缩突变体5601Q,遗传分析表明其籽粒缺陷稳定遗传且为单基因隐性突变。构建其B73背景的F2分离群体,通过图位克隆将该突变定位于玉米4号染色体上60.19～62.58Mb的区间。基因注释分析发现,区间内存在一个已报道参与玉米籽粒发育的基因BRITTLEENDOSPERM2(Bt2),其编码玉米胚乳淀粉合成途径中的一个限速酶——腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)的小亚基。籽粒储藏物质分析表明,该突变体百粒重及淀粉含量显著降低,但可溶性糖含量增加为野生型的4.67倍。利用本实验室已确定的Bt2基因突变体1774与5601Q进行等位测验,确认了5601Q是Bt2的一个新的等位突变体。分子鉴定表明,5601Q突变体中Bt2基因的第2个外显子存在一个Mutator 19转座子的插入。综上, 5601Q籽粒发育缺陷是由Bt2基因的突变导致,本研究为解析玉米Bt2基因在胚乳储藏物质积累中的作用机制提供了新的种质资源。     

植物种子发育相关NAC家族转录因子研究进展

种子的发育和营养物质积累过程依赖于大量基因的表达和调控,研究这些基因的表达调控规律有助于了解种子发育过程中各种营养物质积累的分子机制.植物特有的NAC转录因子参与种子发育过程的调控,本文综述了NAC家族转录因子的系统发育关系,并对在种子发育过程中起调控作用的NAC家族转录因子的研究进行了总结归纳.     

玉米淀粉调控的研究进展

为了明确淀粉合成途径中的关键酶的功能和调控机制,本文综述了玉米淀粉的结构、淀粉合成途径以及调控淀粉合成转录因子（DOF、NAC、MYB、bZIP、MADS-BOX和AP2/EREB等家族）的表达和功能机制。研究表明大部分转录因子能在玉米胚乳中表达,少数也能在叶片中表达;这些转录因子可以通过与淀粉合成酶编码基因和关键调控基因的启动子结合从而影响其表达来调控淀粉的合成。此外,蔗糖/ABA、蔗糖/IAA也可以和转录因子协同调控淀粉的合成。本文能够加深对玉米淀粉合成调控的理解,也为玉米品质改良提供重要的理论依据。     

miRNA在调控植物种子发育及响应非生物胁迫中的研究进展

microRNA(miRNA)是一类内源性小分子非编码RNA,它通过引导mRNA的裂解或抑制翻译调控靶基因在植物种子发育和响应非生物胁迫过程中起着关键作用。为了进一步鉴定和明确与种子发育及响应非生物胁迫相关的miRNAs功能和调控机制,归纳了植物中参与种子胚和胚乳发育调控及响应低温、盐、干旱等非生物胁迫的miRNAs类型、靶基因及功能。miRNA在进化上高度保守,其表达在生物发育过程中具有明显的组织特异性和时间特异性,但在不同植物之间又有着相似性。然而,目前miRNAs生物发生和功能的调控因子是如何在转录或转录后被调控的以及miRNAs是如何利用转录裂解和翻译抑制机制来调控其靶点的还有待进一步阐明。未来对这些问题的研究不仅能为植物种子发育和植物响应非生物胁迫机制提供新的见解,而且能为基因的转录后调控研究提供更多的思路。     

成花素基因FT及其调控机制研究进展

植物开花时间调控是关系作物产量形成的关键因素之一,而成花素FT基因是最重要的开花促进基因。FT不仅是开花各个途径的关键整合子,还参与其他重要发育过程:例如促进气孔开放、花发育、块茎和鳞茎的生长。在长期进化过程中,FT基因的序列虽然发生了变化,但是开花功能相当保守;同时,在不同物种间FT基因的功能又具有明显的多样性。而FT基因的调控在进化过程中适应物种的发育和生态特点,表现出FT调控机制在生物节律、组织特异性、发育上的特异性。本综述简要介绍FT基因的功能及其调控在物种间的保守性和多样性,以期展示FT基因研究的最新概貌。     

四川农业大学在玉米籽粒大小形成机制研究方面取得新进展

<正>玉米籽粒大小是决定籽粒产量的主要因素,相对于玉米籽粒产量本身,籽粒大小具有遗传力高、环境稳定性强等优势,阐明玉米籽粒大小的遗传基础,有助于揭示玉米种子发育和产量形成的调控机制,进而促进玉米高产设计育种的实现。四川农业大学研究人员利用高频重组的双亲群体和遗传多样性丰富的自然群体分别对玉米粒长、粒宽、粒厚等籽粒大小性状进行了QTL     

玉米花序发育基因AFP1的定位及功能研究

玉米花序的正常发育是玉米产量的根本保证。鉴定和挖掘调控花序模式建成的基因和代谢通路将有助于揭示花序发育的分子机制,为提高玉米产量提供理论指导。本研究从Mo17背景的EMS突变体库中筛选到一个玉米花序发育模式改变的材料,命名为altered flower pattern 1 (afp1)。表型鉴定结果发现, afp1雌穗产生一系列侧生分枝、且无花丝形成;雄穗上侧生小穗数量显著增多。遗传学分析表明, afp1性状受一对隐性核基因控制。利用afp1与B73构建的F2分离群体进行连锁分析,该基因被定位在第7号染色体分子标记M150～M176之间。利用该区间内新开发的14对多态性标记进行精细定位,afp1被限定在分子标记M1722和M1725间约300kb的范围内,其间包含一个已知调控玉米花序发育基因BD1(Branchedsilkless1)。通过测序发现,afp1的BD1发生一处C-T的变异,引起BD1蛋白的第67位精氨酸(R)变为色氨酸(W),该突变位于保守的功能域ERF/AP2上。对发育早期的野生型与afp1雌穗进行RNA-seq分析后发现, afp1相比野生型存在274个差异表达基因(...     

玉米TPP家族基因生物信息学及表达分析

TPP是合成海藻糖的关键酶,广泛存在于各种植株中,可通过影响海藻糖的合成参与调控植株的抗逆体系。分析玉米中TPP家族基因的性质和进化有利于进一步为玉米在逆境中的产量品质提高的研究奠定基础。本研究利用拟南芥的9个TPP家族基因,结合BLAST、Pfam、ExPASy、MEGA 6.0、MEME、TBtools等软件和网站,对玉米TPP家族成员的基因位置、基因结构、蛋白质理化性质、保守基序、系统进化和基因表达模式进行分析。结果显示,根据B73的完整基因组数据,在玉米基因组中共鉴定了26个TPP基因,氨基酸数介于243和1 391之间,均为亲水性蛋白,且64.5%的成员属酸性蛋白。除第10号染色体外,玉米TPP家族基因在其余染色体上均有分布。鉴定了3个保守结构域,结合基因进化和基因结构分析,具有相同motif的基因在进化和基因结构上相对一致。根据基因启动子顺式作用元件分析,ZmTPP11可能与提高植株低温抗性有关,ZmTPP15可能与加速玉米机械损伤愈合有关。通过对玉米TPP基因表达模式分析,发现有5个TPP基因在各组织和发育时期均高表达,而共表达分析和GO富集分析显示与ZmTPPs共表达的基因主要参与应激反应、信号传导、发育过程和生物调节等生物过程。研究结果为进一步研究玉米对逆境胁迫的响应和生长发育提供参考。     

玉米抗旱化学调控技术研究进展

干旱是影响玉米生长发育及产量的主要气象因子之一。为了找到有效的减灾保产途径,提高玉米的抗旱性,本研究介绍了玉米抗旱化学调控技术,总结了干旱胁迫对玉米种子萌发及幼苗生理生化的影响,概述了植物的抗旱机制,并归纳了化学调控技术在玉米抗旱性方面的应用。最后指出化学调控技术应用过程中存在的问题,并提出了应注重混合剂型的研发及应用的建议。     

性别决定基因TASSELSEED2在水稻中的功能歧化性浅析

花器官的发育不仅影响农作物的生产,通过性别决定产生单性花的机制亦是重要的基础理论问题。TASSELSEED2基因是与JA合成有关的调控玉米单性雄花产生的性别决定基因,对一些植物中TS2同源基因的表达分析表明TS2蛋白可能在进化过程中产生了功能歧化。为探究TS2蛋白在进化过程中其功能是否发生了歧化,首先通过生物信息学手段对水稻和玉米的TS2基因进行了比较分析,分子进化分析表明,TS2基因在一些植物中可能并不仅仅局限于抑制雌蕊发育的性别决定功能。因此,猜测两性花植物水稻中的TS2可能具有其他功能。利用蛋白质三维结构预测软件,发现水稻TS2基因编码典型的SDR蛋白,含有保守的GASGIG和YTASK基序,其作用底物可能与玉米TS2蛋白类似。启动子分析表明OsTS2和玉米TS2的激素应答元件存在差别。随后,利用RNA-seq数据进行了OsTS2与玉米TS2的组织器官表达分析,并利用实时荧光定量技术考察外源Me JA喷施处理对OsTS2与玉米TS2基因表达的影响。结果表明,OsTS2主要在花序中表达,经外源MeJA处理后其表达量明显升高;而玉米TS2在雄穗分化关键期的叶片中表达量最高,其表达量基本不受外源Me JA影响。OsTS2与玉米TS2表达方面的差异提示水稻TS2可能具有与玉米TS2不同的功能,为深入了解TS2在两性花植物中的功能提供了线索。     

玉米转录因子Opaque-2的分子生物学特性

Opaque-2是在玉米胚乳中特异表达的转录因子,可转录激活22 kDa Zein基因家族、b-32基因家族、14 kDa β-Zein基因家族和cyPPDK1基因的表达并涉及多种代谢途径.对转录因子Opaque-2基因的结构、功能和表达调控特点等分子生物学特性的研究有助于从新的角度探索种子和胚乳基因表达调控及发育机制的认识.     

植物花对称性发育研究的进展:从理论到应用的双重价值

以蝶型花亚科的百脉根（Lotus japonicus）为研究对象，罗达等研究组阐明了在豆科与其他物种基因组中调控花对称性发育的分子机制具有共源性（synapomorohy），揭示了在高等植物花形进化过程中，不同进化关系的开花植物独立地招募TCP基因，调控了两侧对称花发育过程中背腹轴的发育。在百脉根中的工作提示：对TCP基因进行遗传操作，可以定向改造花瓣的形态，表明花对称性分子机理的研究具有重要的应用价值。     

强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因

利用基因芯片杂交方法,检测强优势玉米杂交种(C8605-2×W1445)雌穗发育过程中的基因表达动态,以期为进一步研究雌穗发育的分子机制提供证据。在雌穗到达小穗分化期之后8 d内,有671个基因的表达水平发生显著变化,主要表现出4种不同的表达模式。这些差异表达的基因涉及代谢、发育、刺激应答、细胞信号转导、物质运输等多个方面。细胞分裂基因、细胞壁结构和修饰蛋白基因在雌穗发育过程中大多表现为上调表达,可能对雌穗细胞的分化和果穗性状的形成产生重要影响。蛋白激酶、细胞信号转导以及转录因子基因等上游的信号传输和调控基因在雌穗的发育中也可能具有重要作用。     

HvLBD19基因对大麦不定根发育的调控

植物LBD基因家族是植物特异的转录因子家族,在调控植物生长发育和氮素代谢方面起到重要的作用。基因组共线性分析表明,大麦(Hordeum vulgare L.) HvLBD19基因为水稻ARL1和玉米RTCS基因直系同源基因。基因时空表达分析结果表明,该基因在不定根中表达丰度最高,且受外源生长素诱导表达,所编码蛋白定位于细胞核内。转基因功能验证结果表明,苗期超表达株系相对于野生型不定根长度增长近1倍,不定根数目增加40%。本研究初步明确了HvLBD19基因影响大麦不定根发育,为进一步深入探究大麦HvLBD19基因调控不定根发育的分子机制提供了基础。     

低温积累与光周期对小麦发育特性调控的分子机理研究进展

温度和光照是影响小麦发育的主要因素,不但决定了小麦生态型的区域分布,也通过调控小麦的发育阶段、器官建成、穗分化起始及进程等因素而影响小麦的产量。本文介绍了低温春化和光周期对小麦发育特性影响的分子基础,对其调控机制及互作模式研究进展进行了综述。     

植物花粉发育的基因工程研究进展

植物花粉发育过程极其复杂,众多基因参与其中并对花粉发育的正常进行发挥着重要作用。植物花粉发育的基因工程研究是将花粉发育的分子水平研究和植物个体发育调控研究联系起来的中间环节,有助于全面认识植物花粉发育的机理。综述了植物花粉发育相关基因的分离、表达及其调控的研究进展,探讨了利用基因工程创造雄性不育的几种方法,并对今后的应用前景进行了展望。     

玉米氮素利用生理及分子机制研究进展

氮是玉米生长必需的营养元素,对产量和品质的影响极大。当前我国玉米种植过程中有一半以上的氮肥损失于环境。要实现农业的可持续发展,必须提高氮素利用效率。根据当前国内外玉米氮素高效利用的研究现状,从氮素利用效率的含义、影响氮素利用效率的生理及分子机制、氮素高效利用候选基因的发掘及应用三个方面进行了阐述,并对该领域今后的重点研究方向进行了展望,为玉米氮素高效利用的遗传育种工作提供理论参考。     

玉米雌穗发育杂种优势相关miRNA的研究

杂种优势已广泛应用于玉米育种, 在提高玉米产量、品质以及增强抗逆性等方面起到了重要的作用, 然而杂种优势的分子机制尚不清楚。植物miRNA主要在转录和转录后水平调节基因的表达。为阐明miRNA是否及如何对玉米雌穗发育杂种优势产生影响, 本研究对玉米杂交种郑单958及其亲本自交系(昌7-2和郑58)进行了高通量miRNA测序和降解组测序。取玉米雌穗花序分生组织(IM)发育为成对小穗分生组织(SPM), 进而产生小穗分生组织(SM), 及小花分生组织(FM)将3个不同时期的雌穗样品用于miRNA建库测序, 鉴定出16个miRNA家族中的81个保守miRNA为非加性表达, 认为是与雌穗发育杂种优势形成相关的miRNA; 3个阶段中分别检测到80.30%、56.06%和48.10%的非加性表达的miRNA被显性或超显性抑制。鉴定出8种新的miRNA, 属于7个miRNA家族。通过雌穗降解组测序, 发现在郑单958及其亲本自交系中共同检测到的miRNA靶向42个基因的82个转录本。根据测序结果构建了miRNA参与玉米雌穗杂种优势的模型, 并推测在雌穗发育早期阶段杂交种雌穗的miRNA的普遍抑制导致其靶基因上调表达, 随着发育进程miRNA逐步解除抑制, 带来其靶基因表达量的逐步减少, 这种miRNA与其靶基因的拮抗关系也许与玉米雌穗发育杂种优势形成有关。