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。     

小麦WRKY转录因子的鉴定及其在胚性愈伤组织形成中的表达分析

为研究WRKY转录因子在小麦胚性愈伤组织形成中的功能,以小麦基因组信息和愈伤组织形成发育过程中的转录组数据为基础,利用生物信息学方法,在全基因组范围内进行小麦WRKY转录因子的鉴定,并对小麦胚性愈伤组织形成过程中TaWRKY基因的表达模式进行分析。结果表明,在全基因组范围内共鉴定到270个小麦WRKY转录因子（TaWRKY01~TaWRKY270）,根据WRKY保守结构域数量和锌指结构域类型可分为I、II、III三组,分别包含41、145和84个。在愈伤组织转录组文库中,鉴定到39个TaWRKY基因,其中27个与在全基因范围内鉴定到的TaWRKY基因相同,12个在小麦愈伤组织中特异表达。差异表达分析表明,11个TaWRKY基因差异表达,大部分在胚性愈伤组织培养3～15 d时下调表达,且在胚性愈伤组织中比同时期非胚性愈伤组织中表达量高,推测部分TaWRKY基因可能参与小麦胚性愈伤组织的形成。     

小麦BES1转录因子基因 TaBEH3的克隆及表达分析

BES1(油菜素内酯不敏感1-甲磺酸乙酯-抑制剂1)是一类植物特有的转录因子家族, TaBEH3基因是小麦 BES1基因家族成员之一,为进一步了解该基因的功能,以中国春为材料,克隆了 TaBEH3基因,将其3个同源基因分别命名为 TaBEH3-A、 TaBEH3-B和 TaBEH3-D。序列分析显示,3个同源基因均包含2个外显子,分别编码356、354和358个氨基酸,启动子区含有大量与植物生长发育、激素响应相关的顺式作用元件,其中,分生组织表达元件（CAT-box）和脱落酸响应元件（ABRE）在3个基因中普遍存在。系统进化树分析显示, TaBEH3基因在麦类作物中具有更近的亲缘关系。基于qRT-PCR进行的时空表达分析显示, TaBEH3基因在不同组织和不同器官间均有组成性表达,表明 TaBEH3基因在植物生长发育（特别是花器官的发育和形成）过程中具有重要的作用。 TaBEH3-A、 TaBEH3-B和 TaBEH3-D基因响应ABA激素胁迫处理,且3个基因的表达量变化趋势一致。     

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。     

小麦 BES1基因家族的比较基因组学分析

BES1基因是植物体内一类重要的转录因子。本研究利用基因组测序数据,在小麦基因组中鉴定到20个 BES1基因家族成员,它们分布在14条染色体上。为进一步研究 BES1基因在小麦以及其他禾本科作物（水稻、玉米、高梁、谷子和大麦）中的功能和进化关系,对小麦等6种禾本科作物以及十字花科模式植物拟南芥的 BES1基因家族进行系统发育关系、结构特性和共线性关系分析,结果发现,系统发育分析将该家族成员分为Group A、Group B、Group C和Group D四类,大部分小麦 BES1基因集中在Group A;大部分小麦 BES1基因家族成员有2个外显子,最多有10个外显子;小麦与水稻 BES1基因之间存在更多的共线性关系。此外,在小麦根和穗中还鉴定到3个具有较高表达水平的 BES1基因（ TaBES1-3A-2、 TaBES1-3B-2和 TaBES1-3D-2）,表明 BES1基因在小麦生长发育过程中发挥着重要作用。     

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。     

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。     

大麦基因组中Helitron转座元件的计算预测

Helitron是一类新发现的DNA转座元件,具有捕获宿主基因片段的能力,因而对植物基因及基因组的进化具有重要意义。为了研究麦类作物中这类元件对基因组的进化所起的作用,本研究采用一种改进的局部组合变量(LCV)方法对大麦基因组中的Helitron转座元件进行了预测,共鉴定了16 560个潜在的Helitron元件,去除假阳性后这些元件约占基因组的2.2%。基于序列分歧的计算发现,绝大多数Helitron形成于最近的900万年内,并且在大约250和550万年前各经历了一次剧烈扩张。在大麦基因组中发现了3个自主型Helitron元件,它们包含Rep和Helicase结构域的编码区。基因片段捕获分析发现,66.5%的元件平均捕获了1.9个基因片段,除了反转座和转座相关的基因外,参与发育调控的NAM家族转录因子和参与水分运输和环境胁迫响应的软木脂素合成酶基因也被高频捕获,表明Helitron转座元件不仅影响大麦基因组的结构,同时可以驱动特定功能基因的扩增。     

玉米ZmNRT关键基因挖掘以及氮响应基因共表达网络构建

以玉米自交系B73（V4版本）作为参考基因组,利用生物信息学方法鉴定玉米ZmNRT基因家族成员,从系统发育关系、GO（Gene Ontology）富集、基因结构和玉米不同时期及组织下的表达谱等方面全面解析玉米ZmNRT基因家族。基于qPCR实验和共表达网络分析,对玉米ZmNRT家族基因在氮响应中的作用进行系统的研究。结果表明,在玉米全基因组水平上共鉴定到 162 个 ZmNRT 基因,主要分为 ZmNRT1（62 个）和 ZmNRT2（100 个） 两大类群。GO富集发现,仅46个基因参与硝态氮转运过程,这些基因被不均等分成7个亚家族,每个家族1～15个基因。基因表达模式分析结果显示,不同生育期和组织下ZmNRT基因表达是差异的。在氮诱导下,qPCR鉴定结果显示,12个ZmNRT基因是氮响应基因,9个基因表达上调,3个基因表达下调。共表达网络结果发现,其中10个ZmNRT基因与已知的氮代谢基因存在显著共表达关系（|r|>0.8 p-value<0.05）,推测这10个基因可能是调控玉米氮代谢的关键基因。     

TaHIPP32与 TaHAK1表达及小麦缺钾胁迫耐性的关系

钾是植物生长发育必需的三大营养元素之一。高亲和性钾转运蛋白（HAK）能加强植物在缺钾胁迫时钾的吸收和转运。本课题组前期研究发现,小麦 TaHAK1基因在缺钾胁迫条件下显著上调表达,并筛选得到可能调控 TaHAK1基因表达的上游转录因子基因 TaHIPP32,但这两个基因在缺钾胁迫中的作用机制尚不清楚。本研究首先对 TaHIPP32基因进行了系统发育和亚细胞定位分析,然后利用双荧光素酶验证 TaHIPP32和 TaHAK1基因的互作,并以河南省大面积推广的小麦品种百农207为试验材料,利用大麦条纹花叶病毒诱导基因沉默（BSMV-VIGS）技术分析缺钾胁迫处理下 TaHIPP32基因沉默对小麦植株的影响。系统发育和亚细胞定位分析表明, TaHIPP32基因与水稻 OsHIPP33基因的亲缘关系最近,且其编码的蛋白定位于细胞膜上。双荧光素酶试验表明,TaHIPP32蛋白能够与 TaHAK1基因启动子互作。通过BSMV-VIGS技术瞬时沉默 TaHIPP32基因,发现该基因沉默后,小麦植株对缺钾胁迫更为敏感,植株生长受到抑制,干重显著降低,丙二醛(MDA)含量显著提高;缺钾胁迫处理下,沉默 TaHIPP32基因的植株中, TaHAK1和 TaHIPP32基因的表达均被抑制,且植株体内钾元素从地下部到地上部的转移系数显著降低,说明 TaHIPP32基因通过调节 TaHAK1基因的表达来影响植株体内钾元素的转运。     

燕麦植物激素信号转导通路中响应干旱胁迫的关键基因

植物激素信号转导通路是响应胁迫的重要通路，该通路中基因的表达调控作物的抗旱性。为挖掘燕麦植物激素信号转导通路中响应干旱胁迫的关键基因，本研究对燕麦幼苗进行不同干旱胁迫处理，取叶片进行转录组测序，分析不同处理下基因的表达。结果表明，与正常水分条件相比，轻度干旱胁迫（PEG 10%）诱导624个基因表达发生显著变化（DEGs），重度干旱胁迫（PEG 20%）诱导13 063个。GO富集分析显示，重度干旱胁迫下，DEGs主要富集在对胁迫反应的调节；KEGG分析显示，轻度干旱胁迫下，植物激素信号转导通路中1个ARF和2个CRE1基因表达显著下调，表达量较高，可能为燕麦在该通路中响应轻度干旱胁迫的基因；而重度干旱胁迫下，植物激素信号转导通路富集169个DEGs，其中生长素和脱落酸信号转导过程DEGs较多，分别占植物激素信号转导通路总DEGs的20.7%和15.9%；在8条激素信号转导过程中筛选出12个表达量较高的基因，可能为燕麦在该通路中响应重度干旱胁迫的关键基因。本研究将为今后燕麦抗旱基因的克隆和验证提供依据。     

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。     

小麦寡核苷酸探针套用于燕麦染色体鉴定

基于寡核苷酸探针套的荧光原位杂交(FISH)技术简单高效,通过FISH信号分析,可以对不同物种染色体组成进行分析。本研究利用AFA-3、AFA-4、pAs1-1、pAs1-3、pAs1-4、pAs1-6、pSc119.2-1和(GAA)₁₀等8个探针组成的小麦寡核苷酸探针套,对不同倍性的燕麦品种进行荧光原位杂交。结果表明,小麦的寡核苷酸探针套在燕麦大部分染色体上可以产生清晰的杂交信号,能够区分燕麦大部分染色体,说明燕麦与小麦存在一定程度相似的重复序列,可为燕麦染色体的精准鉴定和分型提供了新的思路。     

河南省小麦品种春化特性和光周期特性的研究

以河南省20世纪40年代至今的30个小麦大面积栽培品种为材料,采用春化特性和光周期特性离析试验、田间幼穗分化进程观察的方法,对河南省小麦品种春化特性和光周期特性进行了分类和演化分析,并利用STS标记对供试品种的春化和光周期基因进行了检测。结果表明,在河南省70年来的小麦大面积品种演化中,存在着多种春化与光周期反应类型,但春化特性的演化表现为冬性程度由强减弱再增强的变化趋势;光周期特性敏感程度表现出逐渐降低的趋势。经分子标记检测,河南省70年来大面积推广品种的春化基因主要为 vrn-A1、 vrn-B1、 vrn-D1、 Vrn-D1b和 vrn-B3,光周期基因主要为 Ppd-A1a、 Ppd-D1a,但这些基因对春化特性和光周期特性的作用效果总体上尚不能准确反映品种的冬春性和光周期特性的实际情况,在育种工作中春化特性和光周期特性的选择与鉴定仍应以表型鉴定为主。     

玉米天冬氨酸蛋白酶基因家族的鉴定与表达分析

以玉米B73基因组为参考序列,在全基因组水平系统分析玉米天冬氨酸蛋白酶家族成员的基因组结构信息,深入了解玉米天冬氨酸蛋白酶家族基因(ZmAPs)的生物学功能。结果表明,总共鉴定出75个ZmAPs,通过系统进化树分析将ZmAPs分为两大亚组,同一亚组之间的motif分布与基因结构都相对保守。染色体定位和共线性分析发现,ZmAPs不均匀地分布在玉米的10条染色体上,其中,7对为串联重复基因。对其启动子顺式作用元件分析后发现,ZmAPs可能参与光响应、MeJA及ABA等信号通路。对生物与非生物胁迫下的玉米转录组表达谱分析发现,ZmAPs对生物胁迫的响应更为强烈,表明ZmAPs可能参与玉米抗病的过程。     

Variation in Oat Groats Due to Variety, Storage and Heat Treatment. II: Sensory Quality

A sensory profiling analysis of heat-processed oats (Avena sativaL.) was performed. The oat grains were of three varieties (Kapp, Mustang and Svea), stored at different relative humidities (30, 55 or 80%) for 3·5 or 15·5 months and heat-treated either with or without prior dehulling. The main differences in sensory attributes were related to the various thermal processes. Processed dehulled samples, particularly of theMustangvariety, had the highest intensities of oat odour, oat flavour, fresh odour and fresh flavour. Samples processed with hulls, in particular the varieties Kapp and Svea had the highest intensities of odour and flavour, rancid odour and flavour and bitterness. The sensory profile of processed oats were described partly by variations in phenolic compounds of low molecular weight, fat acidity and moisture content after processing. Twenty-nine per cent of the variation in odour and flavour attributes was explained by the 11 phenolic compounds analysed. Water content and the phenolic compoundsp-coumaric acid, vanillin,p-hydroxybenzaldehyde and coniferyl alcohol were significantly correlated (P<0·05) to high levels of rancidity, flavour intensity and bitterness and low levels of freshness, oat odour and flavour. The avenanthramides were related mainly to low levels of flavour intensity and rancid odour and flavour. Caffeic acid and fat acidity were related to low intensities of sweetness and aftertaste.     

玉米BBR-BPC基因家族全基因组鉴定及表达分析

对玉米BBR-BPC基因家族进行全基因组鉴定,分析基因结构、染色体分布和启动子顺式作用元件结合位点、分布和数量情况以及编码蛋白的理化性质、保守基序和蛋白二级三级结构、进化关系,基于转录组的结果研究基因的组织表达模式和高温、干旱等非生物胁迫以及外源生长素等诱导表达模式。结果表明,玉米BBR-BPC家族共有4个成员,家族基因的结构存在较大的差异,且存在可变剪切,共编码9个蛋白。定位分析发现,BBR-BPC1.1和BBR-BPC4定位在细胞核,其余除定位在细胞核,叶绿体中也有分布。BBR-BPC启动子区存在多种逆境胁迫、植物激素、组织部位特异表达、光响应等顺式作用元件。BBR-BPC成员在玉米不同材料、不同组织部位中的表达水平差异较大且受热、干旱等胁迫调控。在B73和Mo17材料中,BBR-BPC受热胁迫诱导表达,与qRT-PCR验证结果一致。研究结果表明,ZmBBR-BPC基因家族不同成员会在特定部位激活或者抑制相关基因表达,响应非生物胁迫。     

长日照条件下玉米开花期光反应相关基因差异表达模式分析

以Suwan种质代表性自交系T32(光敏感)和QR273(光钝感)为材料,利用实时qRT-PCR方法研究10个光反应相关基因在长日照条件下(16 h光照/8 h黑暗)的差异表达模式。结果表明,长日照条件下,不同光反应相关基因在不同自交系间表现出震荡表达模式,其中,开花促进基因ZmCOL、ZmELF4、ZmGI、ZmHd1、ZmHd6、ZCN8在光钝感系QR273中的相对表达量显著高于光敏感系T32;开花抑制基因ZmCCT9、ZmCCT10的相对表达量则显著低于T32。此外,ZmTFL1与ZmCCT虽为开花抑制基因,但其在光钝感自交系QR273中显著高表达,而在光敏感自交系T32中则低表达。     

小麦CBL基因家族鉴定及表达模式分析

类钙调磷酸酶（CBL）蛋白是植物中独特的Ca²⁺传感蛋白,对植物应对非生物胁迫具有重要作用。为探究小麦CBL基因的功能,利用生物信息学方法从小麦全基因组数据库中共鉴定出68个小麦CBL基因家族成员,并对其进行了理化性质、基因结构、进化树和共线性分析。结果表明,小麦CBL蛋白为酸性亲水性蛋白质,其对应基因分布于18条染色体上,亚细胞定位分布广泛,核中最多;蛋白结构域高度保守,都含有EF hand结构域,且同一类群中的大多数成员具有相似的motif。与水稻进行种间共线性分析发现,二者的CBL基因之间存在较多的共线性关系。以强抗寒冬小麦品种东农冬麦1号和东农冬麦2号为材料,对转录组分析显示出的8个在低温下表达差异显著的CBL进行qRT PCR分析发现,这8个基因在不同小麦品种和不同组织部位都存在明显的差异表达,分蘖节中CBL的表达量在-25 ℃时达到峰值,而叶片中CBL的表达量在-10 ℃时达到峰值,说明CBL基因在低温胁迫调节中起重要作用。     

小麦PHO基因家族全基因组鉴定及表达分析

PHO基因家族主要参与磷酸盐的转运,在植物生长发育中起重要作用。为研究小麦PHO基因家族成员的潜在功能,本研究从小麦全基因组中鉴定PHO基因家族成员,并利用生物信息学手段对其基因结构特征、蛋白结构域、系统进化、顺式作用元件及表达特性进行分析。结果在小麦全基因组中共鉴定到12个PHO基因家族成员,所有成员均含有SPX和EXS结构域。系统进化、保守结构域和基因结构分析发现,小麦PHO蛋白与拟南芥PHO1-H1蛋白以及水稻PHO1蛋白亲缘关系较近;除TaPHO7、TaPHO10、TaPHO11和TaPHO12蛋白缺少部分基序外,其余小麦PHO蛋白均具有完整基序,且同一亚组内的成员具有相似的蛋白保守结构域和基因结构,说明PHO亚家族成员间高度保守。顺式作用元件分析发现,小麦PHO基因启动子区域含有与磷调控相关的激素诱导、光响应、低温响应等元件。基于RNA＿seq数据的组织特异性分析发现,大部分PHO基因在根中的表达量较高。qRT-PCR分析发现,低磷胁迫处理下磷高效小麦品种小偃54地下部分(根) TaPHO7和 TaPHO8基因的表达量显著高于对照。