玉米LIM结构域蛋白基因家族分析

采用生物信息学的方法,在玉米全基因组水平鉴定并分析玉米LIM蛋白基因,鉴定出11个ZmLIM基因,分别分布于玉米的8条染色体上。结构域分析表明,多数LIM蛋白包括2个典型的LIM结构域。系统发育分析表明,LIM家族可以分为3个亚家族。假定调控元件分析发现,所有LIM基因启动子都具有大量花粉特异表达元件,相对来说其他组织器官特异表达,激素和逆境调控元件数量很少。EST基因表达数据分析表明,该家族成员具有明显的时空表达特性。     

二穗短柄草BURP家族基因的鉴定与分析

BURP是一类植物特有蛋白,在生长发育和逆境防御中起着重要作用。为给后续的基因克隆、表达和功能验证奠定基础,根据二穗短柄草的基因组和蛋白质序列,利用生物信息学手段对BURP基因家族成员进行鉴定、染色体定位、序列分析和系统发育研究。结果表明,二穗短柄草有12个BURP基因,位于1~4号染色体上,在5号染色体上未见分布;BURP基因的全长为621~3 350 bp,具0~3个内含子,编码区全长621~2 316 bp,编码206~771个氨基酸,推导蛋白的等电点为5.02~9.51;12个BURP基因编码的蛋白分为5组,分别定名为RD22、PG1β、BURP-V、BURP-VI和BURP-VII,没有USP和BNM2类型的BURP蛋白;此外,根据4个半胱氨酸-组氨酸重复所间隔的氨基酸数量,二穗短柄草的BURP蛋白结构域可用CH/R-X10-CH-X25-36-CH-X22-25-CH-X8-W/F表示。     

玉米耐旱相关基因dbf1的序列变异分析

玉米dbf1 基因在干旱胁迫下的编码产物与DIP₁蛋白相结合,调控植物激素脱落酸（ABA）响应基因rab17 的表达,从而提高耐旱性。以B73的dbf1 基因组序列为模板,对104个玉米自交系的dbf1 基因进行测序,研究玉米dbf1 基因的序列多态性。多态性分析表明,在全长为2 118 bp的序列中共发现48个SNP和12个InDel。尽管大部分变异位点集中在非编码区,但编码区的1个InDel和3个非同义突变位点的变异可以产生氨基酸序列改变。玉米dbf1 基因的全长序列和编码区序列的变异位点可以分别将该基因划分成33和11种单倍型,并且编码7种蛋白质。在供试材料中,dbf1 基因至少经历了9次重组,中性检测表明,该基因的进化没有偏离中性选择。     

玉米AGPase小亚基基因的扩张分析

采用生物信息学方法分析AGPase家族基因的系统发育关系和基因结构特征，基于玉米B73参考基因组(AGPv4)新鉴定玉米AGPase小亚基编码基因，同时根据序列比对结果重新注释基因组中发生扩张的AGPS片段基因。结果表明，新鉴定并重新注释的ZmAGPS2-3、ZmAGPS2-4、ZmAGPS2-5基因包含1个序列高度相似的外显子，由祖先基因ZmAGPS2-2的多个外显子(无内含子)序列拼接形成。其编码蛋白的保守结构域存在不同程度的缺失，且这3个基因在染色体上的位置无共线性关系，也不相邻。因此推测，ZmAGPS2-3、ZmAGPS2-4和ZmAGPS2-5基因起源方式为反转录转座复制，在演化过程中丢失了部分序列后成为功能缺失的假基因。     

二穗短柄草SPL家族基因的鉴定、系统发育和表达分析

植物特异性SPL家族基因编码SBP（squamosa promoter-binding protein-like）保守结构，参与调节植物的生长和发育。为了解二穗短柄草中SPL家族基因的分布、结构及功能，对二穗短柄草全基因组中SPL家族成员进行了系统分析。结果表明，在二穗短柄草全基因组中鉴定出17个BdSPL基因，在5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体上分布最多；根据系统发育树，17个BdSPL被分为6个组，同组成员有保守的结构和基序；其中6对 BdSPL基因发生基因复制事件;在BdSPL基因启动子区域发现了各种顺式元件，如ABRE、CGTAC-motif和LTR。转录组数据和qRT-PCR分析显示，BdSPL基因在二穗短柄草花中表达量较高，而在根系中表达量较低，在不同植物激素处理下表达量有差异。     

青稞HvnWRKY26基因的克隆及表达分析

WRKY家族转录因子广泛参与植物的生物和非生物胁迫过程。为探索WRKY家族转录因子在青稞抗条纹病过程中的作用,本课题组前期利用条纹病菌分别侵染抗病青稞品种昆仑14号和感病品种Z1141,并进行转录组测序,发现一个在侵染时期差异表达的WRKY基因家族成员。序列分析发现,该基因的开放阅读框为765 bp,可编码255个氨基酸,具有典型的WRKY结构域,属于WRKY基因家族。Uniprot注释结果表明,该蛋白为HvnWRKY26。启动子区域预测表明,该区域含有脱落酸和茉莉酸响应元件以及与干旱、低温、盐胁迫和防御应激等逆境胁迫相关的顺式作用元件。序列比对分析显示,HvnWRKY26蛋白与其他物种中同源蛋白的氨基酸序列一致性均不高,但该蛋白与大麦HvWRKY26蛋白的WRKY结构域序列完全相同。系统进化分析表明,青稞HvnWRKY26与大麦WRKY26的亲缘关系最近;进一步对HvnWRKY26及与其亲缘关系较近的大麦、玉米、水稻WRKY蛋白进行进化分析,发现这些WRKY蛋白被分为A、B和C三大类,其中HvnWRKY26蛋白属于A类。RNA-seq和qRT-PCR分析结果表明,青稞在遭受条纹病菌侵染时,HvnWRKY26基因的相对表达量在抗病品种昆仑14号和感病品种Z1141中均显著上调表达,且抗病品种的表达量显著高于感病品种,推测HvnWRKY26基因在青稞抗条纹病过程中发挥重要作用。     

小麦木瓜类半胱氨酸蛋白酶基因TaRD21的克隆及赤霉病菌诱导下的表达分析

木瓜类半胱氨酸蛋白酶（PLCPs）作为一类重要的蛋白水解酶,在植物生长发育以及胁迫应答过程中都发挥着重要作用。本研究从抗、感赤霉病小麦品种差异表达基因谱中获得1个注释为RD21 Cysteine proteases的EST（表达序列标签）,以此序列检索小麦最新基因组数据库并设计引物,从小麦中克隆到3个基因,分别命名为TaRD21-2A、TaRD21-2B和TaRD21-2D,属于PLCPs RD21家族。序列分析表明,3个基因的开放阅读框长度分别为1 410、1 428和1 419 bp,分别编码469、475和472个氨基酸。序列比对发现,3个基因的序列相似性为89.3％,所编码蛋白的氨基酸序列相似性为95.6％。系统进化分析表明,TaRD21-2A、TaRD21-2B和TaRD21-2D蛋白的同源性较高,且与乌拉尔图小麦TuRD21A蛋白聚为一类。qRT-PCR分析表明,3个TaRD21基因均受水杨酸(SA)、乙烯利(ETH)以及赤霉病菌诱导表达;感病品种中,TaRD21-2A对SA和赤霉病菌的响应更迅速,且表达量较高;抗病品种中,TaRD21-2B和TaRD21-2D基因对ETH的响应更迅速。     

玉米V-ATPase B亚基基因(ZmVHA-B)的克隆及其表达分析

根据玉米基因组数据MaizeGDB(http://www.maizegdb.org/)已经公布的玉米VHA-B(V-ATPase subunit B)基因的mRNA序列(AY104180),从干旱处理玉米材料CN165的花丝中利用RT-PCR技术获得VHA-B基因的编码序列,并进行了序列分析和Northern杂交分析。结果表明：VHA-B基因编码487个氨基酸,含有1个保守的ATP结合位点,其编码的蛋白分子量为54.09 kD,等电点为4.99。氨基酸同源性分析表明：V-ATPase B亚基是一个较为保守的蛋白亚基。Northern杂交结果表明：在干旱处理下,B亚基存在两个不同的转录本,它们对干旱的响应不同;在盐胁迫下,同样也存在两个转录本,它们都对盐胁迫做出了响应;在冷处理下,仅存在1个转录本,且它的表达较强,仅仅在6 h有一些微小地反复;在ABA处理下,也仅存在1个转录本,处理1 h后表达明显上调,此后一直保持较高的表达水平。玉米VHA-B基因对花期干旱有响应,但在花丝和雌穗中的表达响应方式不同,在花丝中干旱诱导表达明显,而在雌穗中存在表达没有明显差异的两个转录本。     

玉米氮胁迫响应NRT基因的鉴定及ZmNRT2.5的克隆和表达分析

硝酸盐转运蛋白(Nitrate Transporters,NRTs)在植物根系NO₃^-吸收或转运中发挥重要作用。为探究玉米NRTs基因在氮素吸收中的功能,从前期转录组数据中鉴定出7个响应氮素处理的差异表达ZmNRTs基因。启动子顺式作用元件分析表明,这些ZmNRTs基因的启动子均含有多个植物逆境或激素应答元件,推测他们可能与玉米非生物胁迫应答或植物激素调控氮素吸收相关。从玉米根系中克隆了对氮素处理响应最大的ZmNRT2.5,该基因CDs全长为1 563 bp,编码520个氨基酸。进化树分析结果表明,ZmNRT2.5与AtNRT2.5同源性最高,含有保守的硝酸盐转运结构域,二级结构以α-螺旋和无规则卷曲为主,含11个跨膜结构域。实时荧光定量PCR分析表明,ZmNRT2.5主要在根、老叶和叶鞘中表达。低氮处理显著诱导ZmNRT2.5在根中的表达,植物激素脱落酸、赤霉素和乙烯均参与调控ZmNRT2.5的表达。同时,ZmNRT2.5基因的表达受到盐胁迫的显著抑制。     

燕麦AsSnRK2.7编码蛋白的分子特征及基因表达特异性研究

蔗糖非发酵相关的蛋白激酶2（SnRK2）通过磷酸化在植物胁迫信号转导途径中起关键作用。为发掘并利用燕麦中的 SnRK2基因,本研究基于燕麦转录组数据的注释信息,利用RT-PCR技术从燕麦品种美达中克隆了 AsSnRK2.7基因,借助生物信息学、瞬时表达及实时荧光定量RT-PCR（qRT-PCR）技术分别对该基因或其编码蛋白进行分子特征分析、亚细胞定位和表达特异性研究。结果表明, AsSnRK2.7基因包含一个1 074 bp的开放阅读框,编码357个氨基酸,预测其编码蛋白含有一个STKc_SnRK2结构域和一个PKc_like superfamily结构域,属于SnRK2蛋白激酶家族成员。AsSnRK2.7蛋白一级序列中包含多个SnRK2家族特有的重要功能区。AsSnRK2.7蛋白与水稻的SnRK2蛋白激酶相似性最高,属于Group Ⅰ（SnRK2b）亚家族。亚细胞定位结果显示,AsSnRK2.7蛋白主要定位在细胞核中。qRT-PCR结果显示, AsSnRK2.7基因为组成型表达,在根、茎、叶和穗中的最大表达量分别出现在苗期、分蘖期、抽穗期和灌浆期;此外, AsSnRK2.7基因的表达不被ABA激活,但可以积极应答PEG、盐和低温胁迫。以上结果说明, AsSnRK2.7基因可能作为一个调节因子,通过非依赖ABA途径来调节干旱、盐和低温所引发的信号传导。     

玉米TCP家族基因的表达分析

植物所特有的TCP(Teosinte branched1/Cincinnata/Proliferating cell factor)转录因子在器官三维形态发育过程中发挥重要作用。对玉米、水稻、高粱、拟南芥和杨树中的131个TCP基因进行系统进化树构建,可分为5个分支,Class I包含两个分支A和B,Class II包含3个分支C、D和E,每个分支中都含有来自单子叶和双子叶植物中的TCP基因,说明TCP家族基因的扩增事件要早于植物单双子叶的分化。利用Genevestigator网站中的转录组数据库信息对玉米TCP家族基因在不同组织器官和不同发育时期的表达模式进行分析,结果表明,大部分TCP基因在不同组织器官和不同发育时期均有表达,尤其是在叶片发育和生殖器官发育过程。此外,TCP基因启动子区顺式作用元件的分析结果显示,植物激素响应类顺式作用元件最多,还有部分TCP基因含有生长发育和逆境胁迫相关的顺式作用元件。     

玉米Ⅰ型二酰基转移酶基因(DGAT1)的生物信息学分析及其在非生物胁迫下的表达研究

对玉米中的两个I型DGAT基因ZmDGAT1.1和ZmDGAT1.2进行生物信息学分析。结果表明,两个玉米DGAT1基因编码的蛋白均属于膜结合的酰基转移酶类MBOAT家族,均含有多个跨膜结构域以及保守的底物结合和催化功能区。两个玉米DGAT1基因的不同组织和发育阶段表达分析显示,两者在胚乳发育期表现出高水平表达;在种子发育期表达模式完全不同,ZmDGAT1.2在种子发育既油脂合成的早期表达水平较高,ZmDGAT1.1在种子发育和油脂合成的后期表达水平更高。多种非生物胁迫处理条件下的qRT-PCR检测结果表明,两个DGAT1基因对多种非生物胁迫的响应模式也有明显差异,说明其在参与逆境胁迫响应方面发挥着不同的作用。     

水稻转录因子基因OsSHR2的表达特征及其在营养生长中的调控作用

【目的】水稻OsSHR2(LOC_Os03g31880)基因为拟南芥AtSHR的同源基因,与OsSHR1、OsSCR1和OsSCR2 同属于水稻GRAS转录因子家族。已有研究报道,转录因子基因SHR和SCR共同调控植物根系、叶片的发育,并参与各项生命活动。本研究旨在阐明OsSHR2在水稻中的时空表达特征及其在营养生长中的调控作用。【方法】通过生物信息学分析、表达模式分析、萌发动力学分析和水培实验验证该基因的功能。【结果】生物信息学分析发现OsSHR2、OsSHR1、OsSCR1和OsSCR2与拟南芥和其他物种的SHR亚家族和SCR亚家族成员具有很高的序列一致性;表达模式和pOsSHR2::GUS材料染色分析发现,OsSHR2在整个生长发育过程中的根系、叶片、维管组织和生殖器官中表达强烈,并集中在根尖的中柱、侧根原基和叶片及茎维管组织的中心表达,在野生型的地上部和根系中,OsSHR2受缺磷影响下调表达;对获得的OsSHR2的CRISPR-Cas9突变体osshr2进行种子萌发实验和水培实验,发现与野生型相比,osshr2的萌发时间延后,萌发率降低,在正常供磷和缺磷处理下,osshr2的地上部和根系长度显著小于野生型。【结论】OsSHR2在地上部和根系的发育、维管组织形成以及营养与生殖生长中具有重要作用,这为今后OsSHR2在分子育种等领域的应用奠定理论基础。     

The Occurrence of Delayed Stem Senescence in Relation to trans-Zeatin Riboside Level in the Xylem Exudate in Soybeans Grown under Excess-Wet and Drought Soil Conditions

Abstract

Delayed stem senescence (DSS) after pod maturation in soybean (Glycine max) lowers the quality of products in the mechanized harvest. The effects of drought and excess wet soil conditions on the occurrence of DSS were studied with special reference to remobilization of vegetative nitrogen and supply of cytokinin via xylem. Excess wet soil treatment was applied throughout the reproductive period to field-grown soybean in 2003 (Exp.1) and short-term drought stress treatment was applied during the reproductive period to pot-grown soybean plants in 2004 (Exp.2). The degree of DSS at pod maturing was evaluated by the DSS score from “1” for severe DSS to “5” for completely synchronous senescence of pods and vegetative parts. The DSS score in Exp.1 varied from 2.2 to 2.5 and that in Exp.2 from 2.8 to 3.7. Excess wet soil treatment in Exp.1 promoted the occurrence of DSS, while drought stress treatments during the periods of flowering to pod elongation, later seed-filling and seed maturing decreased it. The soybean plants that showed distinct DSS had lower ratios of seed number to vegetative dry weight at seed maturity and a lower rate of nitrogen remobilization from vegetative organs to seeds during the latter half of the reproductive period. The trans-zeatin riboside (t-ZR) level in xylem exudate tended to be higher in soybeans with severer DSS than in those normally matured in both experiments showing increased t-ZR concentration and/or higher exudation rate. These results suggest that DSS can be caused by a wet soil water condition, which lowers pod/seed number and increases vegetative organs mediated by the increased supply of cytokinin through xylem during seed-filling.     

玉米PRC2基因在子粒发育过程中的表达分析

以玉米自交系昌7-2授粉后不同天数的玉米子粒为研究对象,通过实时荧光定量PCR技术,对玉米中3个Polycomb Repressive Complex 2基因(PRC2)Mez1(Maize enhancer of zeste 1)、Fie1(Fertilization independent endosperm 1)和Vef101(VEF family protein 101)在授粉后不同天数的表达情况进行研究。结果表明,Mez1、Fie1和Vef101在授粉后子粒发育不同阶段均有表达,Fie1在子粒发育过程中呈先上升后下降的趋势,授粉后10 d表达量最高,表明Fie1可能在子粒由胚胎形成到干物质积累的过渡时期发挥调控作用;Mez1在子粒发育过程中呈先下降后上升的趋势,授粉后10 d表达量最低,子粒发育后期表达量明显上升,表明Mez1可能在子粒淀粉积累过程中发挥调控作用;Vef101只在授粉后5 d的子粒中呈现高表达,其他时期表达量均较低,表明Vef101可能在玉米子粒发育早期胚胎形成过程中发挥调控作用。     

Stem growth during seed production in soybean: Implications for pod yield

In soybean (Glycine max (L.) Merr.), stems remain a competitive carbon resource sink during reproduction. Radial stem expansion after termination of axial stem growth requires resources to produce secondary cell walls in secondary vascular tissues. The impact of both the timing and extent of secondary growth in stems on fruit production in soybean is unknown. We hypothesized that cultivars gaining higher amounts of secondary vascular tissues during seed filling would experience lower reproductive output. Four determinate cultivars were grown in a greenhouse and harvested at the beginning and ending of seed filling for biomass determination and tissue composition measurement (ImageJ-Fiji). Cultivar ‘Hanover’ entered seed filling with the lowest amount of secondary phloem. It produced the largest increase in radial stem expansion, largest seeds, and fewest undeveloped (aborted) fruits. The physiological role of active secondary phloem production in stems for seed production in soybean reproduction is unclear. We reject our initial hypothesis and propose that high fitness may require the concomitant growth of vegetative and reproductive organs.     

不同花生品种对稻田镉富集及转运的研究

为研究湖南湘江流域稻田镉（Cd）污染治理方法,筛选稻田替代种植作物,于长沙县和湘阴市受污染稻田 改种花生,选用5个大果品种,设置2种（露地、覆膜）栽培方式,研究品种与栽培方式组合下对稻田Cd吸收、富集及 转运的影响。结果表明：稻田花生营养器官（根、茎、叶）Cd含量较高,生殖器官（果壳、籽仁）Cd含量较低,且品种间有明显差异。5 个花生品种的组织器官中Cd 含量最高的是茎（5.413~8.859mg·kg-1）,果壳和籽仁最少（0.523~ 1.326mg·kg-1）,但是籽仁Cd含量超出NY/T 1067-2006标准的规定值,食用安全存在风险。覆膜栽培尽管降低了花生茎、叶、果针、果壳及籽仁等的Cd含量,但提高了植株干物质重和Cd总积累,其中,营养器官（根、茎、叶）Cd富集系数高于2.5,生殖器官（果壳、籽仁）Cd富集系数为0.8~1.7。不同部位间Cd转移系数大小顺序为：根→茎秆>茎秆 →叶>果壳→籽仁>果针→果壳>茎秆→果针。不同品种的花生油中Cd含量范围在0.012~0.074mg·kg-1,符合标准, 因此花生油食用是安全的。以地上部单株干物质积累量及其Cd含量作为高镉积累筛选指标,5个品种中09-3106 的单株可高积累镉元素。建议在湘阴、长沙等地的Cd污染稻田进行覆膜栽培花生。     

施氮水平对玉米开花后干物质积累、转运及土壤无机氮含量的影响

通过连续两年(2015～2016年)在吉林省中部玉米主产区开展田间试验,研究不同施氮水平对玉米产量、开花后干物质积累、转运与分配特征以及土壤无机氮含量动态变化的影响。结果表明,与不施氮肥处理相比,施氮处理2年玉米产量平均增幅为13.1%～42.1%,其中以施氮量210 kg/hm2处理产量最高。随施氮水平的增加,玉米茎干重、叶干重呈上升趋势,子粒干重呈先增后降趋势;施氮处理较不施氮肥处理显著提高玉米开花后不同器官干物质向子粒的转运量、转运率和营养体对子粒的贡献率(P0.05),均以施氮量210 kg/hm2处理为最高。开花期至成熟期0～20 cm土壤无机氮含量,随施氮水平的提高而提高。相关分析表明,玉米成熟期干物质积累量、转运量与玉米产量及构成因素均呈正相关关系,除穗数外,相关性均达显著水平。因此,适宜的施氮量可提高土壤无机氮含量,促进玉米开花后干物质积累与转运,提高玉米产量。     

玉米生长调节因子(GRF)家族的全基因组鉴定及在非生物胁迫下的表达研究

以拟南芥作为种子序列进行Blastp序列比对,共鉴定15个ZmGRFs基因,对其理化性质、系统进化关系等在非生物胁迫下的表达进行分析。根据系统发育树分析表明,ZmGRFs基因与单子叶植物水稻亲缘关系较近,15个ZmGRFs基因分别定位在1、2、4、5、6、7、9、10号染色体上且各个基因之间高度同源,每个亚族之间基因结构及保守基序均相对保守。ZmGRFs蛋白二级结构均以α-螺旋和无规卷曲为主。根据磷酸化位点预测分析表明,除ZmGRF6和ZmGRF9不含酪氨酸外,其他ZmGRFs蛋白均含有潜在的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸位点且各蛋白之间的潜在的磷酸化位点数目差异较大。根据转录组数据分析表明,ZmGRF4和ZmGRF13基因在NaHCO3上调表达,同时发现热、盐和干旱胁迫下ZmGRF4和ZmGRF13基因表达较高,冷胁迫下ZmGRF1/3/4/15基因表达较高。根据不同组织部位表达谱分析显示,ZmGRF4和ZmGRF13在各个部位表达均较高。     

蓖麻干物质积累和分配规律的研究

蓖麻生育期内各器官干物质积累模型属Logistic函数的有根、茎,叶(出苗至出苗后75天)、营养体、蒴果、籽粒、生殖体和全株。函数曲线呈“S”型。其干物质积累强度的变化为“慢—快—慢”式,其分配率变化特点是:生育初期干物质主要分配于营养体;出苗60天后,生殖体的生长开始占优势,至出苗72天左右其分配率达最大值,之后呈下降趋势,且以蒴壳等下降显著;而营养体的分配率却出现了回升现象,且以茎叶回升明显。