拟南芥生态型Tor-1根系响应镉的转录组学与可变剪接分析

  【目的】  研究拟南芥生态型根系对镉 (Cd) 的适应性机制,挖掘耐Cd基因,为培育修复型植物提供生理基础和理论指导。  【方法】  本研究以高Cd积累同时高耐受性的拟南芥生态型Tor-1为试验材料,测定Cd处理后根系的生理变化、氧化应激反应、抗氧化酶活性,结合转录组学和可变剪接分析,以期从分子水平上解析Tor-1根系对Cd的适应性机制。  【结果】  Cd处理后,拟南芥生态型Tor-1的主根长度和根尖数没有明显差异,但根系总体积、总表面积显著降低,总根长极显著下降,表明根系受到损伤;根系丙二醛浓度较对照有所增加,但变化不显著;脯氨酸浓度显著下降;超氧化物歧化酶 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT) 活性显著增加。基因本位论 (GO) 富集分析显示,在生物过程中,差异表达基因 (DEGs) 在代谢过程和对化学物质的反应功能富集最为显著;在细胞组分中,DEGs在细胞外组分功能显著富集;在核酸功能中,DEGs在氧化应激活性和血红素结合功能显著富集。京都基因和基因组百科全书 (KEGG) 通路表明,高比例诱导的DEGs富集于7条KEGG途径,分别为苯丙素生物合成 (4.49%)、次生代谢物的生物合成 (14.45%)、代谢途径 (20.57%)、硫代葡萄糖苷 (GS) 生物合成 (0.89%)、谷胱甘肽 (GSH) 代谢 (2.04%)、苯丙氨酸和酪氨酸及色氨酸的生物合成 (1.39%)、苯丙氨酸代谢 (1.14%)。在Cd胁迫下,Tor-1根系苯丙素合成与代谢和GSH代谢相关基因表达大部分显著上调,而GS合成相关基因表达受到抑制,并发生可变剪接事件,其中内含子保留事件发生最多。  【结论】  Tor-1根系在应对Cd胁迫时虽然根系形态受到一定损伤,但可通过增加抗氧化酶 (SOD、CAT) 活性减轻镉胁迫产生的危害,并积极通过调节苯丙素合成与代谢、GSH代谢以及抑制GS合成对应的基因来减轻Cd对植物的伤害,还可通过可变剪接来积极适应Cd胁迫。     

番鸭攻击行为的转录组学研究

为从分子遗传学角度探讨番鸭(Cairna moschata)出现攻击行为的原因,本实验应用The Medial Recorder 2.0软件对选取的120只生长状况良好的番鸭进行为期1个月(每天24 h)的行为观察记录,并采用瞬时观察法和连续观察法筛选出表现攻击行为的番鸭(实验组)和未出现攻击行为且表现正常的番鸭(对照组)。对筛选出的对照和实验两组番鸭,本实验采用Illumina HiSeq 2000高通量转录组测序技术对实验和对照两组番鸭(每组3次重复)的下丘脑组织的差异表达基因进行筛选,利用基因本体(Gene Ontology,GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)数据库对筛选的差异表基因进行功能注释,并进行差异表达基因聚类分析。结果显示,在出现攻击行为番鸭的下丘脑组织中,被注释到GO数据库中的差异表达基因有626个,其中上调基因137个,下调基因489个,参与调控番鸭攻击行为的差异表达基因有26个,其中上调基因4个,下调基因22个,KEGG数据库注释结果显示,这些差异基因显著富集的信号通路为:吞噬体、溶酶体、沙门氏菌感染、MAPK信号通路、孕激素介导的卵母细胞成熟、mTOR信号通路等6个通路。结果还显示在监管行动的细胞骨架和神经活性配体-受体相互作用通路上差异表达基因富集不显著,但富集程度很大,并在该通路上筛选到了番鸭攻击行为差异表达相关基因。通过GO和KEGG数据库的注释,本实验初步筛选出了33个与番鸭攻击行为相关联的候选基因及其调控机制,并发现ERBB信号通路可能是参与番鸭攻击行为调节的关键通路。该实验结果为从分子遗传学角度探讨番鸭攻击行为的发生机制奠定基础。     

12个芒果品种抗氧化酶活性差异分析

以12个芒果品种为试材,通过检测不同芒果品种叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和多酚氧化酶(PPO)活性,采用Duncan比较对各抗氧化酶活性进行差异分析。结果表明:桂热芒10-2号的SOD活性最强,桂热芒10号的SOD活性最弱;桂热芒23号POD活性最强,桂热芒282号POD活性最弱,桂热芒780-17号的CAT活性最强,泰国芒14号的CAT活性最低;桂热芒282号的PPO活性最强,桂热芒30号的PPO活性最低。通过初步检测12个芒果品种的抗氧化酶活性,不同芒果品种的SOD活性在229.1467~463.8700 U/g·min;POD活性在0.5333~3.8667 U/g·min;CAT活性在16.4967~41.8100 U/g·min;PPO活性在0.0167~0.2067 U/g·min,为下一步探讨芒果对抗逆胁迫响应机理奠定理论依据。     

辐射诱发瓜叶菊雄性不育系及其利用研究

本研究用６０Ｃｏγ射线５０Ｇｙ辐照１、２年生瓜叶菊的于种子，获得了光枝叶、部分花粉败育的突变体，然后自交分离出花粉败育率１００％的雄性不育系。其突变率为２．４％，突变雄性不育是由隐性基因控制、基因突变产生的。１９８７年以来，先后诱发获得瓜叶菊雄性不育系蓝花１、２、３和玫瑰红花４、５号。其中１、２、３号与瓜叶菊自支系杂交，育成了Ｆ１代杂种，并具有一定的杂种优势。     

小麦矮秆突变体DC20的转录组分析

为探明小麦矮杆突变体DC20致矮的分子调控机制,以小麦D6-3(WT)及其经高能混合粒子场诱变处理得到的矮秆突变体DC20为试验材料,通过对突变体DC20和WT的转录组分析,挖掘与DC20致矮相关差异表达基因。结果表明,在株高差异起始的孕穗期茎秆中,DC20与WT之间存在2 153个差异表达基因(DEGs),除参与糖代谢、能量代谢、转录调控、转录后修饰和翻译及翻译后修饰途径外,其中有47个差异表达基因显著富集在植物激素GAs的生物合成和IAA的动态平衡调节及信号转导、细胞周期调控以及细胞伸长等相关途径。大部分差异表达基因表现为表达下调,少量抑制因子的表达量上调。内源植物激素检测结果显示,DC20孕穗期茎秆中的IAA、GA₁和GA₃含量均显著低于WT。表明辐射诱变处理产生的变异是通过植物激素GAs与IAA的协同作用,调控细胞周期以及细胞伸长等途径相关基因的下调表达,从而对DC20的株高产生影响,形成矮化表型。本研究结果为更好地运用辐射诱变育种手段进行作物育种以及阐明矮秆突变体形成的分子调控机理研究提供了一定的理论依据。     

小麦D型细胞质雄性不育系与保持系叶绿体DNA的RAPD分析

将外源λDNA导入普通小麦品系 81 45 2 7,选出 1稳定的细胞质雄性不育系 ,简称D型不育系。受体 81 45 2 7可以作该不育系的保持系。供体λDNA、受体81 45 2 7、D型不育系及其与鲁麦 1 4号的杂种一代叶绿体DNA的RAPD分析结果显示 ,D型不育系及杂种一代有 1条与供体相同而在受体中不存在的特异带 ,另外有两条特异带在受体和杂种一代中存在 ,而在不育系中消失 ,这两条带可能与育性有关。RAPD分析证明供体DNA片段可以整合插入到受体叶绿体基因组中 ,改变原有的基因表达和调控 ,导致性状变异     

基于转录组测序的文心兰花香形成分析

文心兰具有很高的观赏价值,但花香形成分子机制研究相对薄弱。本研究以香水文心、黄梦香和白梦香为材料,利用气相色谱-质谱分析其花香挥发物成分。结果表明,3个品种的花香挥发物均以萜类化合物为主,但种类差异较大。盛花期花香挥发物总量由高到低依次为黄梦香、香水文心、白梦香。从转录组数据中共获得459 756个单基因(unigenes),大约40.61%的unigenes被公共数据库注释。MEP和MVA途径中的多数基因在黄梦香中表达量最高,香水文心次之,白梦香最低,与花香挥发物释放总量相符。转录组数据中共筛选出5个显著差异表达的萜类合成酶基因(TPS)。其中,OnTPS4在3个品种中均高表达,说明OnTPS4在3个品种中对香气的形成起重要作用;OnTPS1、OnTPS2和OnTPS5在香水文心中表达偏高,是调控香水文心萜类挥发物形成的重要基因;OnTPS3在黄梦香中表达较高,是调控黄梦香萜类挥发物形成的重要基因。由上述结果可知,MEP和MVA途径的基因表达水平与花香挥发物释放总量相一致,TPS的表达与具体萜类挥发物释放密切相关。 本研究通过花香形成机理研究,为文心兰花香改良提供了依据。     

紫色黄秋葵转录组功能基因测序及分析

黄秋葵为药食兼用型植物,富含花青素、多糖、黄酮及萜类等活性成分。为探讨黄秋葵次级代谢过程中这些活性物质合成的遗传基础,以紫色黄秋葵嫩茎叶为材料,采用Illumina Hi Seq 2500高通量转录组测序技术获得23 026 500个短读序,经组装获得42 484个Unigene,平均长度877 bp。31 931个和21 926个Unigene分别在Nr和Swiss Prot数据库有同源比对信息;Unigene与COG、KOG数据库进行比对,根据其功能各分为24类和25类;通过Pfam数据库,所注释到的20 031个Unigene分属于7 277类蛋白结构域;GO注释到18 602个Unigene分为细胞组分、分子功能及生物学过程等三大类的51个功能组,其中大量Unigene与细胞部分、细胞、催化活性、结合活性、代谢进程及细胞进程相关;根据KEGG数据库,可将7 619个Unigene定位到119个代谢途径分支,其中有1、3、35、61、13和70个Unigene分属于花色素苷、黄酮、类黄酮、N-多糖、二萜类和萜类骨架生物合成路径,它们可能参与这些活性物质的生物合成。本研究结果为后续深入开展黄秋葵花青素、黄酮类等物质代谢合成途径及相关功能基因研究奠定了基础。     

紫楠转录组EST-SSR标记开发及通用性分析

紫楠(Phoebe sheareri)是商品材金丝楠木的原植物种之一,现存野生资源日益减少,为了进一步掌握其遗传多样性和遗传结构特征,大规模开发该种表达序列标签-简单重复序列(expressed sequence tag-simple sequence repeat,EST-SSR)标记迫在眉睫。本研究首次进行紫楠转录组高通量测序,挖掘SSR位点和开发EST-SSR标记,并进行引物的初步验证以及在楠属植物的通用性检测。结果显示,通过Illumina Hiseq 2500测序共获得43 781条Unigene,应用MISA软件鉴定了6 958个SSR位点,分布频率为15.89%,平均每5.31 kb出现1个SSR位点。紫楠SSR位点共包括340种重复基元,以二、三核苷酸为主,其优势重复基元分别为AG/CT(23.99%)和AAG/CCT(12.81%)。基于不同重复基元类型设计合成了94对SSR引物,以10份紫楠及同属4种楠木的基因组DNA为模板对其有效性及通用性进行初步验证,筛选出具有清晰扩增产物的引物41对,其中32对具有多态性,其平均等位基因数2.75个,观察杂合度(heterozygosity,Ho)、期望杂合度(heterozygosity,He)、多态信息含量(polymorphism information content,PIC)分别为0.369、0.563和0.541,且在同属材料中通用性较高。紫楠转录组测序获得的Unigene可作为SSR标记开发的有效来源,所获得的EST-SSR引物可为紫楠及楠属其他树种的遗传结构分析、种质资源利用及遗传图谱构建提供有效的分子标记。     

重离子辐射诱导玉米雄性不育突变系的遗传研究

利用30Gy7Li离子辐射玉米杂交种农大108的种子,从M3代材料中获得雄性不育突变材料39I3-2,并通过套袋杂交获得了不育材料的杂交组合。调查不育突变植株性状及其杂交组合和F2代雄花育性,结果表明,不育材料39I3-2花粉败育彻底,不育性状表现稳定,呈现出由隐性单基因控制的核不育的遗传特点。雄性不育突变体的出现与重离子辐射诱导有关,为基因突变的结果。     

小麦生理型雄性不育系中天冬氨酸蛋白酶与绒毡层代谢的相关性分析

为探讨化学杂交剂SQ-1诱导的小麦生理型雄性不育系花药绒毡层细胞凋亡过程与花粉粒败育的关系,以小麦生理型雄性不育系及其可育系花药为试验材料,结合前期绒毡层细胞凋亡研究的结果,采用透射电镜超微观察花药绒毡层细胞结构,定量检测与凋亡相关的天冬氨酸蛋白酶相关基因(APs1、APs2、APs3)的表达量,同时利用含明胶的十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳技术对天冬氨酸蛋白酶活性进行验证。结果表明,在小麦花药发育单核期,生理型雄性不育系花药绒毡层细胞较可育系绒毡层细胞提前降解;在四分体至三核时期,3个天冬氨酸蛋白酶基因在不育和可育系中均表现为先升高后降低的趋势,且单核期表达量最高;天冬氨酸蛋白酶相关基因(APs1、APs2、APs3)在花药发育单核时期以及四分体时期,不育系较可育系均明显上升;天冬氨酸蛋白酶活性研究表明,在花药发育各时期该酶活性在不育系与可育系中均表现出明显差异,且在不育及可育系花药中天冬氨酸蛋白酶活性都呈先升高后降低的趋势,在二核期活性达到最高。表明在SQ-1诱导的生理型不育系中,天冬氨酸蛋白酶的变化与绒毡层细胞凋亡、结构变化及雄性不育花粉粒败育密切相关。本研究初步揭示了生理型小麦败育的机理,为进一步深入研究小麦雄性不育机理,培育能广泛应用于生产实践的优良不育系提供了一定的理论依据。     

青梗花椰菜和白梗花椰菜转录组分析

为探讨花椰菜花梗颜色的遗传基础,采用高通量测序技术(Illumina Hi Seq 4000)对青梗和白梗花椰菜进行转录组测序,共获得52 253 822个序列读取片段(reads),对测序的结果从头组装获得66 450个单基因(Unigene),N50为1 285 bp,平均长度为717.40 bp。转录物注释结果显示,45 390个基因有同源比对信息;21 060个基因无匹配序列信息,可能为花椰菜特异的基因序列。对所得差异基因(DEGS)进行不同数据库注释,GO注释到2 540个DEGS,分为细胞组分、分子功能及生物学过程3大类54个功能组;COG注释到的753个Unigene功能系统分为24类;以KEGG数据库为参考,将946个DEGS定位到119个代谢途径分支,注释到6个差异基因与类胡萝卜合成途径有关,9个DEGS与类黄酮生物合成途径有关,1个DEGS与叶绿素代谢相关,且与花椰菜的花梗颜色形成密切相关。16个差异基因通过qRT-PCR验证,结果与RNA-Seq测序结果一致。本研究结果进一步揭示花椰菜花梗颜色的形成机理,为花椰菜品种遗传改良奠定了一定的理论基础。     

瓠瓜幼叶转录组功能基因测序及分析

为探讨瓠瓜转录组功能基因信息,对福州芋瓠瓠瓜叶片进行了Illumina Hiseqxten高通量无参转录组测序分析,共获得664 252 268个reads片段,经序列组装共计获得87 518个Unigene,总长度高达91 405 320 bp,76.03%的Unigene长度主要集中在1~1 000 bp。功能注释结果显示,有55 725个Unigene在Nr数据库获得注释,注释到葫芦科的Unigene数量最多,有26 354个,占总Unigene的47.29%。GO数据库注释到18 278个Unigene,可以分为分子功能、细胞组分和生物学过程共三大类的55个亚类。COG数据库中有41 635个Unigene获得注释,分布在信息存储与处理、细胞过程和信号传递、新陈代谢、无特征基因四大类的25个功能区域,其中参与氨基酸运输和代谢的Unigene数量最多。KEGG数据库中有24 770个Unigene获得注释,涉及到220个KEGG代谢途径。SSR位点检索结果显示,包含SSR序列的8 617条Unigene中存在11 029个SSR位点,发生频率为9.846%。本研究结果为进一步深入开展瓠瓜功能基因研究和SSR分子标记开发奠定了重要基础。     

大麦白化颖壳突变体的转录组学分析

为了探究大麦白化颖壳突变体形成机理,以白化颖壳突变体(AL)和野生型植株(WT)为试验材料,对2份材料抽穗期的颖壳进行转录组测序分析,通过Illumina Hi SeqTM2500高通量转录组测序技术分别从WT和AL中获得2.7 Gb和4.1 Gb有效数据,拼接组装后得到64 634条通用基因(unigenes),其中长度大于1 kb的有23 696条。通过对2份材料间差异基因的筛选,共得到672个差异表达基因(DEGs),其中139个上调表达,533个下调表达。GO功能富集分析发现,在分子功能类型中注释的差异基因主要与叶绿体相关;KEGG显著富集分析发现差异基因广泛涉及碳代谢、光合作用等调控途径。对其中6个相关基因进行了RT-qPCR验证,表达趋势与RNA-Seq测序结果一致。表明AL的形成可能是由于叶绿体形成和发育相关基因的表达受到抑制,进一步导致了光合作用的下降,该研究结果对深入探究大麦的白化形成机理具有重要的参考价值。     

小麦穗型突变体表型及其转录组分析

为了明确突变体小麦穗型变化的分子机制,对源自扬辐麦4号的穗型突变体sui1进行表型分析,并在不同的穗生长阶段（孕穗期T1、灌浆期T2）,对突变体sui1与野生型的穗轴节和穗下节进行转录组分析。结果发现,相较于野生型,突变体的穗轴节、穗下节长度变短,株高降低,赤霉病发病程度加重。转录组分析结果表明,相同时期穗下节差异表达基因多于穗轴节,相同组织孕穗期差异表达基因多于灌浆期,筛选出差异表达基因2 526个,其中上调基因890个,下调基因1 636个;对差异表达基因进行基因本体论（GO）分类发现,不同组织的分子功能注释基因在两个时期富集相同,大部分集中在三磷酸腺苷（ATP）结合上;差异表达基因京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析结果发现,植物-病原体互作通路富集基因最多,不同时期生物中的碳固定通路富集因子最高,不同组织光合作用-天线蛋白通路富集因子最高;对差异表达基因进行植物-病原体互作通路基因筛选,筛选出相关基因160个,其中防御反应基因63个（39%）,蛋白激酶活性基因21个（13%）,二磷酸腺苷（ADP）结合基因18个（11%）,推测这些基因可能对小麦突变体sui1穗轴节及穗型...     

花椒转录组SSR信息分析及其分子标记开发

匮乏的基因组信息是导致花椒(Zanthoxylum bungeanum)分子标记缺乏的根本原因。本研究通过高通量测序技术结合MISA软件分析花椒果皮转录组中SSR的分布类型及特点,以来源于中国6个省份的33份花椒种质对随机合成的80对引物进行多态性筛选,继而开发表达序列标签SSR(expressed sequence tags-SSR,EST-SSR)标记并分析不同花椒种质的遗传多样性。结果显示,在转录组测序获得的163 340条Unigenes中,共筛选到27 905个SSR位点,分布于23 422条Unigenes中,SSR发生频率和平均分布距离分别为14.34%和2.94 kb。其中,1 110个SSR位于编码区序列(coding sequence,CDS);4 358和3 856个SSR分别位于5'端非编码区(5-untranslated regions,5'-UTR)和3'端非编码区(3'-untranslated regions,3'-UTR)。单、二和三核苷酸为优势重复类型,分别占SSR总数的66.48%、17.37%和14.89%,且A/T、AG/TC和AAG/TTC分别是单、二和三核苷酸的优势重复基元。此外,本研究成功设计12 478对SSR特异位点引物。在随机选取的80对引物中,共有15对表现出多态性。多态性信息含量(polymorphism information content,PIC)、观测等位基因数(observed number of alleles,Na)、有效等位基因(effective number of alleles,Ne)、观测杂合度(observed heterozygosity,Ho)、期望杂合度(expected heterozygosity,He)、Shannon's指数(Shannon's information index,I)和Nei's基因多样性指数(Nei's gene diversity index,H)的平均值分别为0.50、3.27、2.43、0.69、0.58、0.97和0.57。利用UPGMA聚类,可将33份供试花椒种质分为4类,与供试种质地理位置划分基本保持一致。本研究为花椒种质资源鉴定、分子标记辅助选择育种及遗传多样性分析等提供标记资源。     

南方型紫花苜蓿叶片响应盐胁迫蛋白质组和转录组关联分析

为了从基因和蛋白质水平上揭示南方型紫花苜蓿适应盐胁迫环境的分子机制,以南方型紫花苜蓿Millennium为材料,对正常培养和盐胁迫条件下的2个样品叶片进行转录组和蛋白质组关联分析。结果表明,定量蛋白和基因关联系数为0.2485;变化趋势相反差异蛋白和基因表达的关联系数为-0.2440;变化趋势相同差异蛋白质和基因表达的关联系数为0.8122。鉴定出109个与差异基因表达趋势相同的差异蛋白,其中77个上调,32个下调,这些差异蛋白功能涉及光合作用、抗氧化物、信号传递、翻译后修饰、翻译和分子伴侣、胁迫防御、能量产生与转运、代谢和其它未知功能蛋白等。下调表达的蛋白主要与光合作用相关,而上调表达的蛋白主要参与了抗氧化物、信号传递和胁迫防御等。此外,关联发现了与紫花苜蓿盐胁迫响应相关的III类过氧化物酶、铁蛋白、谷胱甘肽S-转移酶、磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C、LRR类受体激酶、ABA反应蛋白、钙联接蛋白2、液泡H+-ATP酶C亚基和NADP-苹果酸酶等差异蛋白。本研究通过高通量多组学数据的关联分析,发现一些可能作为紫花苜蓿耐盐潜在靶标蛋白(基因),这为深入认识紫花苜蓿盐胁迫的应答分子调控机制奠定了坚实的基础。     

大猿叶甲转录组测序及生物学信息分析

大猿叶甲(Colaphellus bowringi)是一种常见的蔬菜害虫,由于目前其全基因组尚未公布,各种相关基因信息无法得知,导致大猿叶甲基因功能研究进展缓慢。本研究利用新一代高通量测序技术结合生物信息学分析,获得了大猿叶甲完整的转录组数据,并将获得的原始数据上传至NCBI获得ID号:SRP125298。共获得40 489条Unigenes,利用Blast X比对NCBI蛋白数据库(NCBI Non-redundant Protein Sequences,NR)、京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)、Swiss-Prot蛋白质序列数据库(Manually Annotated and Reviewed Protein Sequence Database,Swiss-Prot)、蛋白质家族的集合数据库(Protein Family,Pfam)、NCBI核酸序列数据库(NCBI Nucleotide Sequences,NT)、基因本体数据库(Gene Ontology,GO)、真核生物蛋白质同源簇数据库(eu Karyotic Ortholog Groups,KOG),对所有Unigenes进行注释,结果显示共计19 955个Unigenes得到注释。分别有17 437、4 158、6 817、12 129、15 890、8 641、11 416个Unigenes注释到上述公共数据库。对所有Unigenes进行SSR分析发现,共计2 992个SSR存在于2 692条Unigenes上,平均长度14.61 bp。其中单核苷酸和三核苷酸所占比例最大,分别为65.51%和21.76%,二者分别以A/T和TTA/TAA重复基元为主(分别占94.95%和8.45%)。研究发现共有115种重复基元,其中二、三、四核苷酸重复基元分别有12、60、38种;基序重复频率介于5~50次,基序长度主要分布于10~20 bp。本研究通过对大猿叶甲转录组原始数据的获得,为种属鉴定及遗传多样性的分析提供基础资料。