水分胁迫条件下"洛旱2号"小麦根系的基因表达谱

为探讨小麦水分胁迫反应的分子调控机制，以抗旱小麦品种“洛旱2号”根系为材料，采用Affymetrix小麦基因芯片比较了20％PEG6000溶液处理后根系及对照的基因表达谱。结果表明，洛旱2号根系中受水分胁迫诱导而上调和下调表达的基因分别有3743个（4074个探针组）和4573个（5043个探针组），下调表达的基因远远多于上调表达的基因，其中上调2倍以上的1593个（1716个探针组），下调2倍以上的2238个（2451个探针组）。通过Affymetrix的NetAffx Analysis Center查询和NCBI的BLASTx分析，差异表达2倍以上的基因中有619个已注释了功能，利用MIPS数据库将注释基因分为10类，包括生物代谢、逆境胁迫反应、细胞组分生成、蛋白合成、细胞信号交流、细胞运输、转录相关、细胞分裂和蛋白质加工等。差异表达16倍以上的基因中有32个已注释了功能，其中与逆境胁迫反应相关的基因16个，与生物代谢相关的基因5个。利用实时定量RT-PCR对8个代表性候选基因在水分胁迫条件下的差异表达特性分析表明，其结果和芯片杂交分析的结果基本一致。     

应用基因芯片分析红蚰麦白粉菌胁迫条件下的基因表达谱

小麦农家品种红蚰麦携带1对显性抗白粉病新基因,暂命名为Pmhym。为了深入了解该品种抗病的分子机制,用豫麦13/红蚰麦的F₃代纯合抗病株系构建抗池,并对白粉菌接种后24 h的基因表达谱,采用Affymetrix小麦基因芯片进行分析,以白粉菌接种0 h为对照。在61 127基因微矩阵点中,有效差异表达Ratio值≥2或≤0.5的基因共5 282个,其中上调基因2 553个,下调2 729个。对上调序列的分类表明,功能明确的序列中39.81%与抗病/防御相关;下调表达基因中以能量代谢和抗病/防御相关基因比例最高,分别占26.71%和19.65%。上调表达在8倍以上的序列中81个的功能已知,其中包括病程相关基因、防卫反应基因、生成或清除活性氧的基因,以及抗病信号转导基因等。选取上调和下调表达8倍以上的共13个探针序列进行实时定量PCR验证,表明基因芯片数据具有良好的重复性。     

基于定量蛋白质组学的棉花耐涝渍基因初步鉴定

应用iTRAQ标记结合LC-MS/MS分析的定量蛋白质组学技术,比较漂浮育苗及旱土育苗条件下棉花根系蛋白质表达差异,鉴定到169个差异表达蛋白,包括116个上调蛋白和53个下调蛋白。通过对差异表达蛋白的GO分析、COG功能注释分析以及Pathway代谢通路富集分析,发现12%的差异蛋白与棉花水分胁迫反应有关。研究还初步推测漂浮育苗棉花根系有氧呼吸受到抑制,无氧呼吸作用增强,Phosphoglucomutase、Dihydrolipoamide dehydrogenase和Alcohol dehydrogenase可能与棉花耐涝渍密切相关,其对应编码基因是棉花耐涝渍关键候选基因,值得进一步研究。     

高温胁迫下甜玉米雌穗发育基因差异表达谱分析

利用数字化基因表达谱技术, 对高温胁迫下优良甜玉米杂交种粤甜13雌穗发育相关基因的表达谱进行分析。结果表明, 在高温胁迫和适温下差异表达基因达949个, 其中有上调表达基因705个, 下调表达基因244个, 上调表达10倍以上的基因108个, 下调表达10倍以上的基因40个。对差异表达基因功能注释分析表明, 它们主要集中在细胞内组分和膜上, 主要具催化活性、结合活性、水解酶活性、氧化还原酶活性等, 参与代谢、细胞结构与功能、胁迫应答、物质运输和生物调节等生物学过程, 推测对雌穗发育过程中籽粒和果穗的形成具有重要作用。这些基因中有一半以上的基因功能未知, 下一步将对其开展克隆和功能方面的分析。     

水分胁迫下甘蔗差异表达基因筛选及激素相关基因分析

甘蔗是经济和环境上日益重要的C4作物,干旱在全球范围内严重限制甘蔗产量。了解甘蔗对水分胁迫反应的分子机制将有助于甘蔗抗旱性的分子遗传改良。利用基因芯片技术分析水分胁迫下甘蔗叶片的15 593个基因的表达谱,结果表明,中、重度胁迫下的差异表达基因数量分别为300个和853个,中度胁迫中差异基因以上调表达为主,重度胁迫中下调表达占多数。功能注释分析显示,差异表达基因分子功能主要为结合、载体和催化活性,主要参与代谢、细胞和生物调控等生物过程。此外,功能未明确的假定蛋白和无匹配信息的基因序列仍占据注释结果的相当一部分,表明还有大量的基因尚待发掘。在水分胁迫下,甘蔗内源ABA和IAA含量显著上升而GA含量显著受到抑制。以参与生物进程分类,对植物激素相关基因进行筛选并分析,发现激素响应表达基因代谢途径具有多样性,显示了激素代谢网络的交叉性与复杂性。挑选9个差异表达程度不同的基因进行实时荧光定量PCR检测,表明芯片数据具有良好的重复性。     

全基因组分析PEG胁迫下水稻根系转录因子表达变化

转录因子在植物抗逆境中起重要的调节作用。本文使用Affymetrix水稻60K芯片全基因组研究PEG胁迫时2个耐旱性不同的水稻品种的转录因子及转录因子家族的变化,结果表明,在PEG胁迫下,耐旱品种湘丰早119根系共有95个转录因子转录本与对照处理比较表达发生变化(24个为转录水平下调表达, 71个为转录水平上调表达);干旱敏感品种爱华5号根系有129个转录因子转录本表达发生变化(转录水平上调的转录因子转录本60个,转录水平下调的转录因子转录本69个);2个品种PEG胁迫响应转录因子隶属的转录因子家族都为30个,但各转录因子所属的30个家族并不完全相同;PEG胁迫逆境中,PEG胁迫响应转录因子转录本表现出品种特异性,湘丰早119有72个为特异响应转录本,爱华5号有106个特异响应的转录因子转录本;2个品种在干旱胁迫下响应的转录因子有23个为重叠转录本,其中有16个在转录水平上调表达,7个在转录水平下调表达;2个品种的PEG胁迫响应转录因子基因在染色体上的分布不同,重叠转录因子基因主要位于第2染色体0.432~26.139 Mb和第5染色体0.076~20.597 Mb之间。     

氮素胁迫对水稻根系影响的转录组分析

养分胁迫会直接影响水稻的生长发育,相对于地上部分,根系往往较早感知环境胁迫。为了研究水稻根系对养分胁迫响应的分子机制,通过Illumina Hiseq2000平台测序,对氮素胁迫下水稻根系转录基因表达情况进行分析。结果表明,氮素胁迫诱导根系出现了2 270个差异转录基因,其中上调表达的有1 176个,下调表达的有1 094个。采用GO功能分类和Pathway功能注释,可将注释的基因划分为48个功能类别118条代谢途径,包括糖酵解、脂肪酸代谢、氧化磷酸化、氨基酸代谢、淀粉蔗糖代谢等生物学过程。部分根系关键基因表达变化表明,氮素胁迫诱导大量新生蛋白质合成,形成各种酶类,促进新RNA合成,从而形成了更多的新生蛋白质。氮素胁迫诱导根系IAA积累更多来自极性运输,参与植物细胞伸长发育的EGase基因及木质素特异合成途径的关键酶(CCR)表达量发生上调,这些转录基因表达量的变化是根系受养分胁迫刺激而发生了伸长生长的内在机制。     

‘宝岛蕉’在盐胁迫下的生理响应与转录组分析

为揭示盐胁迫下香蕉的生理特性与转录组变化,以‘宝岛蕉’幼苗为材料,设置盐胁迫和正常(对照)处理,分别测定‘宝岛蕉’叶片相对含水量、叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、根系活力、MDA、SOD和POD活性,脯氨酸和膜透性等与逆境相关的生理指标的变化,并用转录组测序的方法对差异表达基因进行GO、KEGG等分析。结果显示,盐胁迫下‘宝岛蕉’MDA、SOD和POD变化非常明显,与对照相比,植株受到盐胁迫后的MDA活性升高了2.64倍,SOD活性升高了1.75倍,POD活性升高了1.77倍,而可溶性蛋白、膜透性和可溶性糖含量升高较少,相对含水量和叶绿素含量降低也不显著。转录组分析结果表明,与对照相比,盐胁迫处理样品上调基因1 113个,下调基因2 265个,对差异基因进行GO注释和功能富集性分析,有3 378个差异基因注释到数据库中。KEGG分析结果表明,有691个DEGs分布在19个代谢途径上。盐胁迫条件下共注释到48个差异表达转录因子,包括WRKY、MYB、NAC和bHLH等多种类型。研究结果为候选抗性基因的挖掘和筛选奠定了理论基础。     

水稻无侧根突变体RM109及其野生型对照的转录组分析

侧根是水稻根系的重要组成部分,具有重要的意义。本研究通过Illumina Hiseq2000测序平台,对无侧根突变体RM109与其野生型对照根系进行转录组测序,进而比较分析差异表达基因,初步揭示影响水稻侧根发育的相关基因。结果表明无侧根突变体与野生型对照根系相比出现了2 327个差异基因,其中上调表达的有1 131个,下调表达的有1 196个,有36个基因表达差异倍数高达100倍以上(|log2Ratio|≥6.7)。通过Gene ontology (GO)数据库、KEGG pathway数据库比对分析注释差异表达基因的功能和参与的分子调控途径。GO分析结果表明被注释的差异基因划分成50个功能类别,KEGG分析共有352个显著差异基因可以详细注释到149条分类代谢途径中,共有36个表达差异基因富集于植物激素信号转导途径,36个差异表达基因中有2个是与植物根系生长发育相关的Aux/IAA基因,6个植物生长素响应SAUR基因。本研究为进一步为水稻侧根发育分子机理研究提供基础,为水稻根系育种提供理论参考。     

氮素缓解花生干旱胁迫的生理和转录调控机制

干旱胁迫下氮素施用对植物生长发育具有重要的影响。为明确氮素提高花生抗旱性的生理和转录调控机制,本研究对施氮、干旱及旱氮同存处理下的花生生理指标和根系转录组进行了测定。结果表明,旱氮同存处理提高了干旱胁迫下花生生物量和叶片相对含水量。施用氮肥增加了干旱胁迫下花生根系的总酚和类黄酮含量,提高其过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,降低其丙二醛(MDA)含量,提高花生抗旱性。转录组分析表明,施用氮肥产生5396个差异表达基因,这些基因主要参与谷胱甘肽代谢、氮代谢和碳代谢相关过程及应激和防御反应。干旱处理和旱氮同存处理下,次生代谢物生物合成、运输和分解代谢及碳水化合物运输和代谢这两类功能差异表达基因富集。旱氮同存处理下酚类代谢物质相关的3种途径中有51个差异基因上调表达, 207个基因下调表达。由此表明,施用氮肥通过调控花生次生产物代谢、碳水化合物代谢等途径提高干旱胁迫下花生植株的抗氧化能力,从而提高花生的抗旱性。     

一个新的水稻逆境响应基因OsMsr1的表达与克隆

为深入了解植物的逆境反应机理和发现新的水稻耐逆基因, 采用Affymetrix水稻表达芯片(含51 279个转录本)分析了超级稻两优培九母本培矮64S不同生长发育时期、不同组织器官全基因组在低温、干旱、高温逆境胁迫下的表达水平, 筛选出众多表达水平显著升高与降低的基因。OsMsr1 (Oryza sativa L. multiple stresses responsive gene 1, GenBank登录号为EU284112) 是其中一个受高温、低温与干旱诱导、在各生长发育时期与组织器官均显著上调的基因, 用实时定量PCR方法对其表达水平进行了进一步的分析, 所得结果与基因芯片结果基本吻合, 因此, 此基因为一多逆境响应基因。用RT-PCR方法扩增获得了包含其完整ORF (open reading frame)的cDNA克隆。根据其ORF序列进行预测, 此基因编码一个包含89个氨基酸残基的小分子蛋白, 分子量约为10 kD, pI约为5。搜索有关数据库, 在水稻、玉米、小麦与拟南芥中找到有高相似性的基因, 但功能未知, 也未发现相同与类似的已知功能的基因保守结构域。对其可能的启动子序列分析, 发现5个与逆境反应有关的顺式作用元件。因此, 我们认为该基因为一新的水稻耐逆候选基因, 进一步的研究正在进行。     

一个新的水稻逆境响应基因OsMsr1的表达与克隆

为深入了解植物的逆境反应机理和发现新的水稻耐逆基因, 采用Affymetrix水稻表达芯片(含51 279个转录本)分析了超级稻两优培九母本培矮64S不同生长发育时期、不同组织器官全基因组在低温、干旱、高温逆境胁迫下的表达水平, 筛选出众多表达水平显著升高与降低的基因。OsMsr1 (Oryza sativa L. multiple stresses responsive gene 1, GenBank登录号为EU284112) 是其中一个受高温、低温与干旱诱导、在各生长发育时期与组织器官均显著上调的基因, 用实时定量PCR方法对其表达水平进行了进一步的分析, 所得结果与基因芯片结果基本吻合, 因此, 此基因为一多逆境响应基因。用RT-PCR方法扩增获得了包含其完整ORF (open reading frame)的cDNA克隆。根据其ORF序列进行预测, 此基因编码一个包含89个氨基酸残基的小分子蛋白, 分子量约为10 kD, pI约为5。搜索有关数据库, 在水稻、玉米、小麦与拟南芥中找到有高相似性的基因, 但功能未知, 也未发现相同与类似的已知功能的基因保守结构域。对其可能的启动子序列分析, 发现5个与逆境反应有关的顺式作用元件。因此, 我们认为该基因为一新的水稻耐逆候选基因, 进一步的研究正在进行。     

小麦成熟胚脱分化过程中生长素相关基因的表达分析

利用Affymetrix小麦基因芯片研究了小麦成熟胚在MS+2,4-D (2 mg L^-1)培养基上脱分化过程种基因表达变化,用NCBI、DATF和DRTF等生物信息学相关网站对基因表达信息进行处理,并针对生长素相关基因的变化情况进行分析,结果表明,有80个生长素相关基因在小麦成熟胚脱分化过程中的2、6、12、24和72 h等不同时间点,至少发生了一次有意义的表达变化,其中41个在整个过程中上调,29个下调;10个在不同时点分别表现上调或下调。这些基因涉及到生长素的运输、响应、诱导、合成和降解等多个生物学过程。对BG906698、BQ281752、CD454626、CD864552、CD938626、BJ233383和AY543630基因的半定量RT-PCR验证结果表明,它们的表达变化与基因芯片的结果基本一致。质膜H⁺-ATPase基因(AY543630)在2 h时间点即有较高强度表达,然后下降,24 h降至最低水平,表明该基因在小麦成熟胚脱分化的启动中可能有重要作用。     

基于数字基因表达谱分析的茶树花不育基因挖掘

茶树每年都要开花结实,消耗大量的养分,导致茶树鲜叶产量减少和品质降低。了解茶树的不育机制有助于培育茶树不育品种。本研究以福鼎大白茶(父本)、佛香2号(母本)及其杂交后代(不育)茶树花为材料,利用数字基因表达谱技术对3个茶树花的c DNA文库进行差异基因表达谱分析。筛选出在父本花与子代不育花、母本花与子代不育花之间共有而在父本花与母本花之间没有的差异表达序列1219条,被认为是茶树不育性候选基因。GO功能显著性分析表明,这些基因功能中代谢过程、催化活性、水解酶活性表现为富集;KEGG代谢分析表明,差异表达基因涉及氨基酸、糖、次生代谢、植物信号传导途径以及能量代谢等过程。以植物激素信号转导通路分析发现,16个与生长素信号途径相关基因中,除5个ARF家族基因在子代不育花中上调表达外,其他的基因均下调,推测生长素信号转导是茶树花不育的重要因素。随机抽取5个基因进行实时荧光定量PCR验证,其结果与测序结果一致。本研究发现的不育候选基因可用于茶树花不育机制的深入研究和不育基因的筛选。     

含CBS结构域的小麦TaCDCP1基因的克隆及其表达分析

利用电子克隆和RT-PCR技术,在本实验室前期构建的非亲和互作的SSH文库基础上,从条锈菌侵染的小麦水原11叶片中首次分离出一个含CBS结构域蛋白的基因,暂命名为TaCDCP1(Triticum aestivum CBS domain containing protein 1)。TaCDCP1包含一个完整的654 bp的开放阅读框,编码217个氨基酸。推测该基因拟编码的蛋白具有2个CBS保守结构域,不含跨膜区且无信号肽,定位在叶绿体基质内;经过同源比对,小麦TaCDCP1氨基酸序列与大麦、水稻和玉米等的同源序列的相似性较高;该基因表达量在小麦叶中显著高于在根和茎中;在小麦与条锈菌的非亲和、亲和组合中,TaCDCP1基因均受到条锈菌诱导,分别在接种后18 h和96 h达到表达高峰,非亲和组合表达量在侵染前期(接种后18~48 h)高于亲和组合,而在侵染后期(接种后96~120 h)低于亲和组合;外源植物激素脱落酸诱导该基因上调表达,苄基腺嘌呤,乙烯,赤霉素,茉莉酸甲酯和水杨酸处理后其表达量在不同程度上受到抑制;TaCDCP1在低温和干旱条件下表达量上升,在机械伤害和高盐处理下表达量无明显差异。表明TaCDCP1可能通过脱落酸等信号途径参与小麦对条锈菌的防御反应,同时参与低温和干旱环境下的信号转导途径。这些结果对于明确CBS结构域的功能以及CBS结构域蛋白尤其是TaCDCP1在小麦与条锈菌互作中的作用奠定了基础。     

假禾谷镰孢侵染小麦后3种植物激素相关基因的差异表达分析

假禾谷镰孢(Fusarium pseudograminearum)是我国近年新发现的小麦病原真菌,本研究目的是揭示植物激素信号传导途径中相关基因表达对假禾谷镰孢侵染的响应。利用假禾谷镰孢野生菌株WZ2-8A侵染小麦品种周麦24,对接种后5 d和15 d样品进行转录组测序,分析差异表达基因,并对候选基因进行q RT-PCR验证。假禾谷镰孢侵染后,小麦幼苗生长受到明显抑制,根长、株高、根重和地上部分鲜重均显著降低。转录组分析结果表明,植物激素信号传导途径中有29个基因差异表达,涉及到生长素、细胞分裂素和脱落酸3种植物激素。在接种后5 d有11个差异表达基因,其中2个上调,9个下调;在接种后15 d共有25个差异表达基因,其中8个上调,17个下调。在生长素信号传导途径中,生长素输入载体AUX1差异表达,影响生长素的极性运输,从而影响小麦根部的细胞伸长。在细胞分裂素信号传导途径中,起正调控作用的B-ARR上调表达,推测其促进细胞分裂素的信号传导,从而抑制细胞分裂,与生长素协同作用,造成小麦的长势减弱。在脱落酸途径中,脱落酸受体PYR/PYL下调表达;起到负调控作用的PP2C相关基因均上调表达。脱落酸使植物对真菌和细菌的抗性起到负调控作用,其信号传导途径与茉莉酸/乙烯途径相互拮抗,脱落酸信号传导途径的阻遏可能会使茉莉酸/乙烯途径信号通路打开。q RT-PCR结果基本能够和转录组测序结果相拟合,说明在假禾谷镰孢侵染胁迫下,脱落酸的信号传导被抑制可能是中抗品种周麦24对假禾谷镰孢产生一定的抗性的生理基础。