利用Insertion/Deletion(InDel)分子标记检测玉米互交种混杂的原理及应用

尽管分子标记广泛用于玉米品种纯度鉴定,但由于互交种基因组具有相同的基因,现有的分子标记技术尚不能对互交种的混杂进行有效判定。本研究基于玉米互交种胚乳等位基因二倍剂量关系,利用Insertion/Deletion(InDel)标记在PCR指数扩增期对等位基因扩增相对量的观察值与理论值进行统计分析,通过概率对互交种进行判定。经过筛选,亲本B73、Mo17间存在共显性差异的8个InDel标记中,5个标记的PCR扩增质量满足互交种样本(正交种:B73×Mo17,反交种:Mo17×B73)的鉴定要求。这些标记以不同的循环数进行PCR扩增,发现37个循环是处于指数扩增期的最佳鉴定时期。同一标记在每个样本中以37个循环数进行3次扩增重复,统计分析发现:不同标记在杂交种叶片DNA中等位基因扩增相对量与理论比1的统计概率值从6.50E-08到1.000不等,证实标记在等位基因间的扩增效率并不完全一致。对互交种胚乳等位基因扩增相对量进行卡方测验,4个InDel标记能够对互交种样本进行准确区分,所得概率符合判定标准。标记110仅能准确判定正交种,对反交种样本的统计概率不满足反交种判定的概率标准。结果显示,该分子标记方法可成功用于玉米互交种的判定。     

玉米氮素敏感性差异自交系的表达谱分析

玉米材料的氮肥敏感性存在显著差异,但基因表达模式尚不清楚。基于此,本研究以玉米氮敏感型自交系 B73和钝感型自交系Mo17为材料,对足氮(sufficient nitrogen,简称SN)和低氮(limiting nitrogen,简称LN)条件下苗期叶片组织的转录组进行分析。对于叶片总氮含量,敏感型B73在足氮和低氮条件下存在显著差异,而钝感型Mo17的差异小且不显著。基因表达差异分析显示Mo17在两种氮环境下差异基因的数目达13 867个,在低氮环境下基因上调比例高于下调比例1.9倍;B73差异基因的数目为10 028个,低氮环境基因上调比例低于下调比例。基因聚类分析也显示低氮环境下,钝感型Mo17基因表达上调或下调的幅度高于敏感型B73。差异基因双尾方差分析表明受氮环境和基因型共同影响的差异基因为342个,功能主要集中在与氨基酸代谢、光合作用、次级代谢及基因复制表达等相关途径。综上所述,在低氮条件下氮钝感型Mo17较敏感型B73激活更多的基因来提高植株对氮的吸收和同化能力,被激活的基因可能与玉米氮肥转运和利用有关。     

农杆菌介导Cry1 Ab/Ac抗虫转基因玉米植株的获得

转基因技术的迅速发展有效地打破了物种间的遗传壁垒,从而加快了优良基因定向聚合的进程,然而遗传转化率低及转基因安全问题成为制约其进一步发展的限制因素。基于此,本研究以玉米自交系H99为材料,将Ac/Ds双元表达载体(包含抗虫Cry1 Ab/Ac基因和gfp报告基因等)通过农杆菌介导法转入由110粒玉米幼胚诱导出的愈伤组织中,获得28株抗性转基因植株。经PCR及RT-PCR的验证结果显示,其中8株为含有Cry1 Ab/Ac目的基因且该基因有效表达的阳性植株,转化效率达7%。通过农杆菌介导法所获得的玉米转基因植株为今后剔除抗生素筛选标记,从而获得安全的玉米抗虫新种质提供了遗传材料。     

玉米功能性Insertｉon/Deｌetｉon(InDeｌ)分子标记的挖掘及其在杂交种纯度鉴定中的应用

InDel作为重要的遗传标记已被广泛用于作物连锁图谱的构建及多样性研究。通过生物信息学方法从玉米全基因组水平进行InDel标记的挖掘并对其在玉米杂交种纯度鉴定中的应用进行分析,根据B73全基因组序列(第二版)及Mo17的二代电子拼接序列发现了40 000多个InDel位点,其中约有11 400个含有InDel位点的序列可用于特异性引物的开发。新发展的143个代表基因(<1 kb)或基因内部的功能性InDel标记在B73及Mo17间得到了验证并用于玉米杂交种纯度的鉴定。经过分析,共有13个共显性InDel标记在6个杂交种亲本间表现出明显的长度多态(>50 bp)。结合玉米子粒DNA快速提取方法,利用这些共显性InDel标记对6个杂交种1 400多个样本纯度进行鉴定,结果显示该方法可以快速、准确、经济地鉴定玉米杂交种纯度。     

藜麦EST-SSR的开发及通用性分析

藜麦因营养均衡受到越来越多的关注,但尚未深入开展其基础研究。开发微卫星序列重复SSR分子标记将为藜麦的遗传分析提供重要资源。本研究利用NCBI数据库中藜麦RNA测序RNA-Seq及表达序列标签EST数据挖掘、验证及评价藜麦EST-SSR,共发现1862个藜麦非单核苷酸EST-SSR。其中,二核苷酸重复最多(38.3%),六核苷酸重复最少(11.7%)。不同重复类型SSR的数量随着核苷酸数目的增加呈下降趋势。在随机选取验证的119个EST-SSR标记中,66 (55.9%)个能够扩增出清晰条带,39个在4份藜麦资源中具有多态性,且其多态性与重复序列长度不具有显著相关性。t测验显示,多态性EST-SSR在藜麦与其他藜科种质间不存在显著差异,说明其具有良好的通用性,可用于藜科物种的遗传关系分析。     

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。     

玉米YABBY基因家族的全基因组鉴定与分析

YABBY基因家族作为植物特有的转录因子家族,在调控植物侧生器官发育中发挥重要作用。本研究利用玉米全基因组数据分析玉米YABBY基因家族,阐明该基因家族成员结构、系统进化发育关系以及基因家族成员在玉米不同组织及不同发育时期的表达谱。结果显示,玉米参考基因组中存在13个YABBY基因,命名为Zm YABBY1~Zm YABBY13,根据系统发育关系和序列相似性将该基因家族分为4亚类S1~S4。RNAseq数据显示玉米YABBY基因在籽粒、茎和茎端分生组织(Shoot apical meristem,SAM)、幼胚及叶片中有较高表达,预示玉米YABBY基因可能在上述器官发育中发挥调控作用。本研究结果为进一步解析该基因家族的功能奠定了研究基础。     

玉米Dof转录因子家族的全基因组鉴定与分析

【目的】全基因组水平鉴定并解析玉米Dof（DNA binding with one finger）基因家族。【方法】基于玉米V3基因组数据鉴定玉米Dof基因家族,并从基因的结构、系统发育关系、染色体的位置分布、玉米不同组织和不同生理发育阶段基因的表达谱以及在充足氮（sufficient nitrogen,SN）和低氮（limiting nitrogen,LN）条件下V3期叶组织基因的差异表达5个方面分析玉米Dof基因家族。【结果】玉米参考基因组中存在46个Dof结构域基因,命名为ZmV3Dof1-ZmV3Dof46。通过系统发育关系和序列相似性将该基因家族分为8个亚类（Subgroup）S1-S8,每个亚类有3-8个Dof基因。通过分析该家族染色体分布,发现玉米10条染色体,除Chr.9外,均有Dof基因的分布,其中,在Chr.1上分布最为密集,有12个ZmV3Dofs;在Chr.5和Chr.3上分布次之,分别为8和7个ZmV3Dofs;在其他染色体上则分布较少,此外,Dofs在Chr.1的底部、Chr.5的顶部和底部分布密度相对较高。表达谱分析结果表明,Dof基因家族成员在不同组织及不同发育阶段均有差异表达,预示不同Dof基因功能的多样性以及在植物发育过程中扮演着不同角色,且同一亚类Dof基因表达模式存在一定程度的相似性。此外,玉米Dof基因家族对氮响应较为敏感,充足氮（SN）和低氮（LN）条件下,V3期叶组织基因的RNAseq表达结果显示35个Dof基因在2种氮处理下表达量存在差异,其中13个基因表达量差异较大。值得注意的是21个Dof基因在低氮处理下表达量上调,其中8个基因只在低氮条件下表达。【结论】基于最新版基因组数据鉴定玉米在自交系B73基因组中存在46个Dof基因,Dof基因家族成员参与玉米不同生理发育过程中,部分基因可能在氮代谢调控中发挥积极作用。     

农杆菌介导玉米H99遗传转化体系的优化

遗传转化率低是转基因技术进一步发展的限制因素。优化玉米转化体系的研究大多以幼胚为受体材料、以GUS基因为报告基因,在一定程度上限制了取材的时间和数量。研究利用携带pCAMBIA1302（含绿色荧光蛋白基因-Green Fluorescent Protein）质粒的 EHA105菌株对玉米自交系H99的愈伤组织进行侵染,借助活体荧光检测技术对GFP基因的瞬时表达进行评价。结果表明,农杆菌侵染液浓度OD₆₀₀为 0.7～0.8、侵染时间20 min、共培养60 h时,GFP瞬时表达率最高,达到23.47%。     

藜麦的耐盐性评价及在滨海盐土的试种表现

为了评价不同藜麦种质资源的耐盐性差异,以123份藜麦种质资源为材料,设置4个盐浓度(100、150、250和350m M)进行苗期盐胁迫处理试验,并鉴定其盐胁迫表型。结果表明,分别有3、20和94份种质能够耐受350、250和150 m M浓度的盐胁迫,所有藜麦种质对100 m M盐处理均不敏感。之后选取可耐受350m M盐浓度的3份种质PI 614921、Ames 13726、Ames 13761和另外3个可耐受250 m M盐浓度的现代藜麦品种Pasto、Atlas和Riobamba进行全生育周期盐胁迫处理试验,盐浓度为100、150和250m M,检测盐处理后4周和收获期藜麦的株高、叶绿素含量、根系干重、地上部干重以及最终籽粒产量。结果表明,藜麦植株的各生理指标和盐处理浓度均呈显著负相关;藜麦根系干重受盐胁迫影响最大,籽粒产量所受影响最小。最后选取Pasto、Atlas和Riobamba在电导率为7.0 m S·cm-1的盐土耕地上进行株行距密度分别为5 cm×12.5 cm和5 cm×50 cm的小区试验,收获后检测各小区的产量。3个品种的折算产量最高分别可达2.18、2.48和2.26 t·hm-2,其中Atlas和Pasto适于高密度种植、Riobamba适于低密度种植。综上所述,藜麦是一种普遍耐盐的物种,但是不同种质的耐盐性之间存在较大差异;盐胁迫对于藜麦产量的影响较小,因此盐土环境下种植不会使其经济价值大幅度下降。藜麦良好的耐盐性和较高的经济价值对进一步科学合理地利用盐土资源具有重要意义。