植物bHLH基因家族研究进展及在药用植物中的应用前景

碱性/螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子是植物中第二大转录因子家族,该家族广泛存在于各种植物的基因组中,并在植物生长发育、次生代谢、非生物逆境胁迫响应等方面发挥着重要的调控作用。本文全面综述了植物bHLH基因家族成员的结构特征、分类规则及其生物学功能的研究进展,重点梳理总结了bHLH在植物生长发育和非生物胁迫(干旱、低温、盐、重金属)中的应答和调控,以及在次生代谢产物生物合成及动态积累过程中的重要作用,可为深入研究bHLH在生长发育、植物抗逆及品质形成等方面的分子调控机制及种质资源的开发提供指导。同时,因bHLH广泛参与调控植物次生代谢产物的合成和积累,已成为分子生药学和中药生态农业研究的热点。为此,本文进一步总结了近年来研究较为透彻的两种药用植物(丹参Salvia miltiorrhiza、黄花蒿Artemisia annua)中bHLH基因家族及其成员的研究进展,以期为药用植物bHLH基因家族的深入研究提供参考,并为药用植物的分子育种、拟境栽培等工作的开展以及中药生态农业的发展提供新思路。

基于开放染色质的全基因组水平转录调控元件的研究方法与进展

真核生物转录调控过程是大量的顺式调控元件与反式作用因子相互作用的结果.研究发现,这一调控过程与染色质核小体的动态定位相关,调控因子的结合需要裸露的无核小体的DNA区域,即开放的染色质位点.因此,高效精确地定位基因组上的开放染色质位点为成功地发掘基因组调控元件,乃至揭示基因表达调控机制提供了重要线索和有效手段.本文对开放染色质位点的定义、主要研究方法以及功能注释进行概述,希望对在基因组水平上调控元件的发掘,尤其是在植物中的应用提供借鉴.

利用流式细胞技术测定和评估金线莲基因组大小

利用流式细胞技术对金线莲基因组大小进行测定,选取金线莲新鲜嫩叶为待测材料,选用3种不同的缓冲液进行解离,制备细胞核悬浮液.以鸡红细胞核为内标,使用碘化丙啶(PI)染色,通过流式细胞仪对其荧光强度进行测定;通过比较换算,建立了以流式细胞技术测定金线莲基因组大小的参考方法.研究发现使用Galbraith′s解离液对金线莲样品的解离效果较好,测得金线莲基因组DNA的2C含量为6.83±0.067 pg.结果表明,基于流式细胞技术,优化解离和测定方法可准确测定金线莲的基因组大小.

专题导读:加强麻类作物基因组学研究,推动优异等位基因发掘及种质创新

麻类作物是指以收获茎秆韧皮纤维和叶纤维为主的作物,主要包括黄麻(Corchorus spp.)、红麻(Hibiscus cannabinus)、苎麻(Boehmeria spp.)、亚麻(Linum usitatissimum)、工业大麻(Cannabis sativa L.)与剑麻(Agave sisalana Perr.ex Engelm.),与粮、棉、油、菜并列为第五大作物群[1],其种植历史可追溯到远古新石器至尧舜时代。我国是麻类生产大国。2009年,作为50个农产品之一的麻产品被列入国家现代农业产业技术体系。2011—2020,以二代、三代测序技术为主体,以Hi-C等技术辅助,先后完成了主要麻类作物染色体级别的草图或参考基因组,这标志着麻类作物科学已经进入基因组时代。为加强主要麻类作物基因组学与遗传改良研究,《作物学报》以专栏形式集中刊发了8篇论文,方便相关研究工作者了解最新研究动态。

基于流式细胞技术两种兰属植物基因组大小的测定

基于流式细胞技术对兰属中莲瓣兰和墨兰的基因组大小进行测定,采用Galbraith′s缓冲液解离并制备莲瓣兰和墨兰嫩叶材料的细胞核悬浮液,利用鸡红细胞核(chicken erythocyte nuclei,CEN)作为内标,建立和优化了基于流式细胞技术的两种兰属植物基因组大小的测定方法。研究发现Galbraith’s解离液对莲瓣兰和墨兰样品解离效果最好,测得莲瓣兰的2 C值为(8.15±0.34)pg,墨兰基因组DNA的2 C值为(8.34±0.36)pg。研究结果表明,基于流式细胞技术,优化解离和测定方法可精确测定莲瓣兰和墨兰的基因组大小。本研究丰富了兰科植物的基因库,为揭示该属植物C值大小和物种进化关系提供重要依据,也为其基因组学、分子细胞遗传学等研究奠定基础。

福建省蛇菰科植物新记录种——多蕊蛇菰

2022年10月,在福建省华安县华丰镇发现福建省蛇菰科蛇菰属植物新记录种——多蕊蛇菰(Balanophora polyandra),凭证标本保存在福建师范大学生命科学学院植物标本馆(FNU)。该种植株形态与福建原产3种蛇菰科植物相似,但其聚药雄蕊近圆盘状、中央呈脐状突起、花药短裂、药室分成20~60小药室等特征可以明显与其他3种区分。详细描述该植物形态的主要特征及其民间主要药用价值等,并提供原植物的生境照片,进一步补充了福建省维管植物的本底资料,丰富了福建省的物种多样性。

黄麻全基因组SSR鉴定与特征分析

黄麻是世界上重要的天然韧皮部纤维作物之一。然而, SSR标记的缺乏限制了黄麻的遗传改良。本研究从圆果种黄麻测序品种CVL-1的基因组、基因、CDS和cDNA中挖掘SSR信息,利用SSR Primer软件查找SSR位点,并分析其分布特征。结果表明,基于基因组序列共开发了153,242个基因组SSR,平均密度为467.20个SSRMb^(–1);基于cDNA序列开发了10,747个SSR,平均密度为260.85 SSR Mb^(–1)。大部分重复基元为二至四核苷酸,占76.91%,其中cDNA序列SSR中三核苷酸重复基元数量较多而基因组SSR中二核苷酸重复基元数量较多。对于不同类型的SSR重复基元,随着重复单元数量的增加,其基因组和cDNA的SSR分布频率呈现逐步降低特征。黄麻全基因组SSR标记鉴定,不仅可以丰富黄麻分子标记的数量,而且为剖析黄麻重要农艺性状的遗传机制奠定基础。

主要麻类作物基因组学与遗传改良:现状与展望

随着测序技术的发展,主要麻类作物(黄麻、红麻、苎麻、亚麻和工业大麻)参考基因组从2011年至2020年陆续完成测序,这标志着麻类作物科学已经进入基因组时代。文章首先详细概述主要麻类作物基因组测序。其次,评述了基于基因组学的麻类作物重要应用价值基因挖掘。基于参考基因组和转录组测序,大量关于纤维发育、响应非生物胁迫的候选基因被挖掘,以促进麻类作物纤维的物种特性和“不与粮食争好地”的逆境农业。同时不同麻类作物特异性状候选基因陆续被报道,如红麻雄性不育、亚麻种子含油量和大麻大麻素相关候选基因等。再次,麻类作物基因组测序完成为基于组学的麻类作物遗传改良提供可能:有助于麻类作物种质资源形成和演化机制研究,系统解析纤维产量、纤维品质、抗病耐逆等农艺性状形成的分子基础;有助于建立高通量基因型-表型数据库,挖掘优异基因资源与创制新种质;有助于创新并集成分子标记辅助选择、基因组选择、转基因等技术,建立高效的快速育种技术体系。宜选育高产高效、抗逆抗病、适宜轻简化机械化、优质专用的多用途麻类作物新品种,以满足麻类作物相关产业的市场需求,适应麻类作物生产方式。尽管已经获得重要基因以及位点的信息,但如何高效率利用已有基因资源对麻类作物进行遗传改良仍需面临一系列挑战,如成熟稳定的遗传转化体系、麻类作物基因编辑体系构建及基因组选择育种等。

福建省4种药用植物地理分布新记录

在福建省开展第四次全国中药资源普查外业调查及安溪县云中山省级自然保护区本底植物调查过程中,通过标本鉴定和文献查阅,发现并报道4种福建省药用植物新记录种,分别为豆科的硬毛山黑豆Dumasia hirsuta Craib、野牡丹科的毛柄鸭脚茶Tashiroea oligotricha(Merr.)R.Zhou&Ying Liu、苦苣苔科的广东半蒴苣苔Hemiboea guangdongensis(Z.Yu Li)X.Q.Li&X.G.Xiang和兰科的泽泻虾脊兰Calanthe alismatifolia Lindl.,标本保存于福建中医药大学中药资源标本馆。这些新记录物种的发现丰富了福建省药用植物资源种类,对该省植物多样性及中药资源的研究具有一定参考价值。

福建省第四次全国中药资源普查期间发现的药用植物新资源分析

系统总结了近10年发布的福建省第四次全国中药资源普查中发现的新种及新分布资料,结合相关文献对其药用情况进行统计分析。在福建省9个市85个县中发现41个新种(含3变种),隶属于18科31属;新分布植物93科256属362种,其中药用植物有61科110属128种。新种及新分布植物主要分布在武夷山山脉。福建省药用植物资源丰富,近10年新种及新分布植物增加了403种,为该省生物多样性研究和中药资源利用提供了物质基础。

红毛丹基因组中MITEs转座子的鉴定与演化分析

【目的】对红毛丹基因组中的MITEs(miniature inverted-repeat transposable elements)转座子进行鉴定、分类和演化分析,为红毛丹基因组注释、演化及相关基因功能等方面的研究提供理论依据和数据基础。【方法】基于生物信息学方法和红毛丹全基因组数据,对MITEs转座子进行鉴定,并系统分析其在宿主基因组中的分类、含量、家族演化关系、扩增模式、分布模式、插入偏好模式及邻近基因的功能。【结果】红毛丹中共鉴定出MITEs转座子588个,包括PIF/Harbinger、Mutator、Ac-mMITE、hAT和Ginger共5种超家族;插入时间分析发现较大规模的MITEs转座“爆发”事件分别发生于1~2、4~5和17~18百万年前,PIF/Harbinger超家族几乎在于每个时期都占据主导地位,而Ac-mMITE在转座“爆发”事件中参与度最低;插入位置分析发现MITEs在基因侧翼区插入数量最多,分别有136和137个,插入基因内部数为35个,其中2个插入了外显子内;密度分布分析发现该转座子插入虽具有分散性,但整体偏好基因密集区;插入偏好分析发现MITEs在基因两侧呈现为5 kb以内某一位点插入数最高,随着与基因距离接近,插入数越低的偏好分布模式;MITEs邻近基因功能富集分析表明,MITEs插入内部基因主要富集在硫代葡萄糖苷、葡糖异硫氰酸盐和S-糖苷的代谢及生物合成过程,而被插入5’端侧翼区的基因主要富集在生殖和发育相关生物过程,且大多数基因与各种蛋白复合物的结合和某些酶的活性相关。【结论】研究结果有助于理解MITEs转座子在红毛丹基因组中的基本特征和演化模式,丰富了红毛丹基因组的注释信息,填补了红毛丹中MITEs转座子研究的空白并为其性状改良等方面的研究带来了新的视角。

黄麻组培再生体系的研究

研究以4份黄麻(圆果种和长果种各2份)为试验材料,采用黄麻组培苗的茎段为外植体,诱导胚性愈伤组织,建立植株再生体系。结果表明:利用均匀设计法进行培养基配制,圆果种黄麻愈伤组织诱导效果优于长果种黄麻,4个黄麻品种的排序为179>梅峰4号(M4)>尤溪长果(YC)>广巴矮(GBA)。4个黄麻品种的最佳培养基如下,179:MS+0.53mg/L2,4-D+2.0mg/L6-BA,愈伤组织诱导率100%;梅峰4号:MS+2.0mg/LTDZ+0.5mg/L2,4-D,诱导率100%;尤溪长果:MS+2.0mg/LTDZ+2.0mg/L6-BA,诱导率63%;广巴矮:MS+2.0mg/LTDZ+2.0mg/L2,4-D+2.0mg/L6-BA,诱导率52%。以生长良好的愈伤组织为材料,采用正交设计配制培养基进行不定芽和不定根诱导分化,结果表明,4个品种的诱导与再生能力差异显著,圆果种依然优于长果种,其诱导效果黄麻179>M4>YC>GBA。筛选出对4个品种都最佳的不定芽培养基9号,适合179的13号,适合M4和GBA的14号不定根培养基。黄麻179和M4获得再生植株,YC诱导出不定根,GBA只诱导出不定芽。

串珠石斛组培快繁技术

[目的]探讨串珠石斛再生体系及快繁技术,为其规模化生产提供技术支持。[方法]以成熟度为80%的未开裂串珠石斛蒴果种子为外植体,对诱导种子萌发、原球茎增殖和分化、生根壮苗及组培苗移栽等步骤进行优化。[结果]串珠石斛种子萌发及诱导原球茎最适培养基为:1/2MS+6.5 g·L^-1琼脂+25 g·L^-1蔗糖+1.0 g·L^-1活性炭+1.0 g·L^-1蛋白胨+1.5 mg·L^-16-BA+0.5 mg·L^-1 NAA;接种30~40 d对比发现,对原球茎增殖和分化有明显促进作用的继代培养基为:MS+6.5 g·L^-1琼脂+25 g·L^-1蔗糖+1.0 g·L^-1活性炭+2.0 mg·L^-16-BA+40 g·L^-1马铃薯;最佳生根壮苗培养基为:MS+6.5 g·L^-1琼脂+25 g·L^-1蔗糖+1.0 g·L^-1活性炭+45 g·L^-1香蕉,生根率可达93.2%。[结论]以蒴果种子为外植体,可以建立串珠石斛高效快繁技术体系。

番木瓜环斑病相关基因表达分析

番木瓜环斑病毒(PRSV)对全球的番木瓜产业造成了严重的损害,PRSV如何在基因层面影响番木瓜目前还不是十分清楚。本研究对未感染和感染PRSV的番木瓜叶片中与植物病毒相关基因进行Q-PCR分析与比较,以探究PRSV影响番木瓜的生长发育的原因。结果表明,PRSV通过抑制MYB、WRKY、ERF等转录因子和CA2、PDR等转运蛋白的表达,进而影响番木瓜的生长发育。

不同果肉颜色蜜柚番茄红素环化酶基因的表达分析

以福建平和县不同颜色果肉的蜜柚为材料,利用实时荧光定量PCR技术,测定红色、橙黄色和蜡白色成熟果果肉中番茄红素环化酶-b1基因(Cm LCY-b1),番茄红素环化酶-b2基因(Cm LCY-b2)和番茄红素环化酶-e基因(Cm LCY-e)的相对表达量。结果表明,Cm LCY-b1,Cm LCY-b2,Cm LCY-e在果肉中表达量不同;同1个基因在3种不同颜色的果肉中表达量有差异。在3种颜色果肉中,Cm LCY-b2表达平稳且表达量较高;而Cm LCY-b1和Cm LCY-e表达量在不同果肉中差异明显。推测Cm LCY基因可能是柚子果肉颜色差异的原因之一。

大晶帽石斛再生体系建立研究

本文以成熟度70%原生大晶帽石斛荚果内种子为外植体,探究采用不同消毒时间、培养基成分构成及浓度配比对大晶帽石斛无菌萌发的影响。结果表明,大晶帽石斛荚果用5%次氯酸钠消毒15 min,可有效降低污染率;将消毒后荚果种子接入MS+蛋白胨2 g/L+NAA 0.5 mg/L+花宝1号2 g/L+0.1%活性炭+0.58%琼脂+2%蔗糖培养基中,种子萌发率达88%,是适宜大晶帽石斛无菌萌发的培养基配方。

药用植物三萜类生物合成途径及关键酶基因研究进展

三萜类化合物种类多样,来源广泛,存在于许多药用植物中,它们以游离形式或者以与糖结合成苷或成酯的形式存在,多具有信号分子、逆境响应等生物活性,同时也是许多药用植物发挥药效的物质基础。在现代药理研究中,发现其具有抗炎、抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗生育和免疫调节等多方面作用。三萜类化合物在植物天然产物中数量、种类最多,主要以四环三萜和五环三萜形式存在,由2,3-氧化角鲨烯(2,3-oxidosqualene)通过氧化角鲨烯环化酶(oxidosqualene cyclase, OSC)催化环化生成100多种不同的三萜骨架,进而形成巨大的结构多样性。该文综述了药用植物三萜类化合物生物合成途径的研究进展,就植物三萜类生物合成途径的调控机制及关键酶的最新研究进展进行了综述和讨论,对参与合成途径的关键酶基因的表达调控、结构特征等进行解读,为进一步开展三萜类化合物的相关研究如代谢流的定向调控、异源生物合成等提供参考,为三萜类的合成调控及优质种质的筛选提供依据,为药用植物三萜类化合物的进一步研究开发提供基础材料。

黄麻纤维产量与主要农艺性状的相关分析

研究黄麻纤维产量与主要农艺性状的相关性,可为高产育种与生产利用提供科学依据。本文159份不同来源黄麻种质资源的12个农艺性状对纤维产量即单株干皮重的影响表明,各性状的变异系数变化在11.89%至38.50%之间,表现出丰富的遗传变异。黄麻纤维产量与各性状均呈极显著正相关,其中,与单株鲜皮重、株高、始花期的相关系数较大,分别为0.814、0.760和0.648。黄麻纤维产量和单株鲜皮重、株高、出麻率、鲜皮厚的回归方程达显著水平,其标准回归系数依次为0.443、0.437、0.291和0.113。通径分析显示,单株鲜皮重、株高在决定黄麻纤维产量时起主要作用。出麻率的相关系数(0.253)与直接通径系数(0.291)表现基本一致,说明出麻率直接对黄麻纤维产量起作用,具极显著正相关。因此,在黄麻高产育种中,应该以始花期、单株鲜皮重、株高、出麻率与鲜皮厚为主要筛选对象,兼顾综合性状的改良。

主要麻类作物的ITS序列分析与系统进化

比较主要麻类作物和测序植物间的ITS序列,可明确它们间系统位置和进化关系。本研究采用PCR扩增和搜索Gen Bank数据库,获得32份麻类作物和11份测序作物的核糖体内转录间隔区(internal transcribed spacers,ITS)序列,利用MEGE软件分析ITS长度、G+C含量与同源性百分比差异。结果表明,黄麻属、红麻属、苎麻属和亚麻属的ITS基本序列全长分别为963、939、658和686 bp;G+C含量分别为57.87%、58.03%、59.05%和53.75%。黄麻属变异区域集中在220~386 bp间,红麻属变异区域集中在2个区段(206~347 bp,599~713 bp),苎麻属ITS变异区域分布在4个区段(158~163 bp、193~199 bp、288~333 bp和681~688 bp),亚麻属ITS变异区域分布在5个区段(219~229bp、235~240 bp、427~432 bp、468~484 bp和588~594 bp)。系统位置分析表明,红麻属与棉花亲缘关系最近,黄麻与棉花亲缘关系较近;亚麻与苎麻各为一小支。系统位置分析与传统的植物分类结果较一致。研究主要麻类作物比较基因组学时,红麻、黄麻可参考棉花,苎麻可参考杨树或蓖麻。推测红麻属的进化时间约为33.7百万年前(million years ago,MYA),黄麻属约为65.3MYA,苎麻属约为67.5MYA,亚麻属约为90.5MYA。主要麻类作物进化时间越久,同属不同种之间ITS变异区段越多。

黄麻核心种质的遴选

遴选黄麻核心种质可为黄麻种质创新及新品种选育奠定基础。本研究以300份黄麻种质资源为基础,基于SSR分子标记和农艺性状考察,结合地理来源构建核心种质。结果表明,11个农艺性状变异系数变幅在13.06%~84.87%,表现出丰富的遗传多样性。按农艺性状聚类分析可划分为8个类群,按分子标记聚类可划分为10个类群。结合2个聚类分析、地理位置并按比例取样,建立一个由108份品种(系)组成的预选核心种质。采用44对SSR引物对其进行遗传差异分析,在遗传相似系数为0.65时,可把108份品种(系)分成圆果种和长果种两大类。根据遗传差异分析,剔除遗传相似系数大于或等于0.85的遗传冗余,获得84份品种(系)的核心种质,其中圆果种60份和长果种24份。比较84份核心种质与300份种质的农艺性状变异系数及Shannon-Wiener指数发现,两者之间相差不大,表明遴选的84份核心种质可以最大限度代表300份黄麻种质资源的遗传多样性加以利用和保存。