小麦(Triticum asetivum L.)杂交种下调表达的GTP结合蛋白基因TaRab的克隆与鉴定

杂种优势的形成与杂种一代中亲本基因的表达方式改变有关.为深入研究小麦杂种优势形成的分子机理,利用通过抑制性差减杂交(SSH)方法获得的小麦Rab类GTP结合蛋白基因片段为探针,筛选普通小麦品系3338三叶期叶片cDNA文库,获得了一个小麦Rab家族基因TsRab. 同源性比较和序列分析显示,该基因与拟南芥Rab类GTP结合蛋白基因具有90%氨基酸序列相似性.结构分析表明,它具有GTP结合蛋白4个典型结构以及Rab家族成员特有的YYRGA结构域.半定量RT-PCR表达检测结果显示,TaRab基因在叶片的表达水平要高于其他组织器官.研究还发现,该基因在三叶期、分蘖盛期的根系和叶片中为杂种下调表达.采用电子定位方法,将TaRab基因初步定位在7B染色体的着丝粒区域和C-7DS5-0.36两个区域.在此基础上,对Rab 蛋白基因差异表达与杂种优势表现的关系进行了讨论.

普通小麦、斯卑尔脱小麦、密穗小麦和轮回选择后代材料ISSR分子标记遗传差异研究

首次采用ISSR(Inter SimpleSequenceRepeat)分子标记 ,对我国北方冬麦区普通小麦 (14份 )、斯卑尔脱小麦 (10份 )、密穗小麦 (11份 )和一批以外源小麦为主要血缘的优良轮回选择后代 (12份 )共 4 7份材料进行了遗传差异研究 ,以探讨拓宽杂交小麦育种亲本遗传基础的途径 ,并分析利用ISSR分子标记构建小麦杂种优势群的可行性。所用 11个ISSR引物在 4 7份材料中共扩增出 2 38条带 ,其中 2 0 8条具有多态性 ,占总数的 87.4 %。每个引物可以扩增出 11～ 38条多态性带 ,平均为 18.8条。比较分析发现 ,不同类型材料群体内的ISSR多态性都很高 ,其中以普通小麦最高 (80 .3% ) ,轮回选择后代次之 (78.7% ) ,斯卑尔脱小麦 (75 .0 % )和密穗小麦 (74 .9% )相对较小。遗传距离(GD)计算结果表明 ,不同类型材料群体间的平均遗传距离在 0 .3115～ 0 .344 2之间 ,明显高于不同类型材料群体内的GD平均值 (0 .2 35 1～ 0 .2 74 3) ,特别是轮回选择后代材料与普通小麦、斯卑尔脱小麦和密穗小麦之间也具有较大的遗传差异 ,平均遗传距离分别为 0 .32 17、0 .32 5 6和 0 .3198。聚类结果显示 ,普通小麦、斯卑尔脱小麦、密穗小麦和轮回选择后代材料明显划分为 4大不同类群。斯卑尔脱小麦、密穗小麦及以外源小麦 (含国内 )

北方冬麦区与黄淮北片优良小麦品种(系)耐热性评价

为筛选小麦耐热种质资源,在开花后15d开始覆盖塑料大棚,模拟高温胁迫,对来自我国北方冬麦区和黄淮北片主推的53个小麦品种(系)的千粒重热感指数、容重热感指数、几何平均产量进行分析,并以耐热品种TAM107为对照,结合苗期细胞膜热稳定性对参试材料的耐热性进行评价。结果表明,在三年(2008-2011)试验中,千粒重热感指数均小于1的品种(系)有9个(05CA306、京冬8号、邯6228、衡6632、农大3492、农大3432、济麦19、农大212和衡4399),容重热感指数均小于1的品种(系)有8个(衡观216、农大3492、农大413、京冬8号、山农2149、农大212、衡6632和济麦19)。依据参试品种(系)在3年的几何平均产量及热感指数的结果,农大212、农大3492、京冬8号、济麦19、衡6632、农大413、山农2149和衡观216可作为耐热高产品种(系)在生产上推广应用。利用细胞膜热稳定性筛选出44个苗期耐热性好的品种(系)。综合细胞膜热稳定性法及田间评价结果,农大212、衡6632、农大3492、济麦19、农大413、山农2149和衡观216为耐热性较好的品种(系)。

小麦耐热性的生理遗传研究进展

小麦是中国第二大口粮作物,其产量直接关系人民的生活水平,所以高产和稳产一直是中国小麦的首要育种目标。小麦起源于温带,属喜凉作物,生长季节内的高温对生长发育会产生不利影响,使其产量下降,品质变劣。由于耐热性是复杂的数量遗传性状,其机制的解析一直是生物学研究难点,也是研究热点。为了解析小麦耐热的生理遗传学及分子生物学基础,国内外研究人员通过正向遗传学方法,构建遗传分离群体,以冠层温度、灌浆持续时间、细胞膜稳定性和叶绿素含量等生理学参数,以及穗粒数和千粒重热感指数为指标,在小麦不同染色体上定位了多个耐热相关的QTL位点。同时利用反向遗传学方法,特别是通过转录组、蛋白组和表观遗传组等组学方法鉴定了大量的高温胁迫响应的基因、mi RNA及长片段非编码RNA,并通过转基因等手段证明了部分候选基因在小麦抵御高温胁迫中的重要作用。另外,虽然植物中高温受体至今尚未发现,但是钙离子信号通道以及ABA和SA等激素在高温信号传导中的作用也逐渐引起人们的关注。文中主要综述了现阶段高温对小麦产量品质及生理性状的影响、小麦耐热相关QTL的定位,以及小麦响应高温胁迫的转录组、蛋白组和表观遗传组的研究进展;提出应针对小麦种质资源进行系统的耐热性评价,筛选优异等位基因、解析其分子遗传机理,通过创新再利用,为选育适合中国气候条件的耐热小麦品种提供新材料,实现品种耐热性与丰产性的统一。

15个普通小麦WRKY基因的克隆与表达分析

WRKY转录因子广泛参与了植物对生物与非生物胁迫应答反应、激素响应以及生长发育等一系列生理活动.但是,对小麦WRKY家族基因目前还缺少系统的克隆、表达和功能研究.文中采用EST的电子拼接方法,克隆了15个具有完整开放阅读框的小麦WRKY基因,分属于WRKY家族的3个大类.表达分析发现,除TaWRKY10基因在分蘖节中表达最强外,其他基因的表达水平都是在叶中最高;4个基因随着叶片的成熟和衰老表达量显著增强;8个基因对低温、高温、NaCl或PEG等逆境因子具有响应;另外,WRKY基因在小麦杂交种与亲本之间存在明显的表达差异,并且有些基因对PEG逆境因子的响应在杂种比在亲本中快.表明,小麦WRKY基因参与了叶片衰老和逆境胁迫的响应过程,所检测到WRKY基因在杂种和亲本中的表达差异可能会通过增强杂交种的抗逆性而促进小麦杂种优势的产生.

小麦磷饥饿前后根系蛋白质组差异表达谱建立及差异表达蛋白的鉴定

以耐低磷的小麦基因型洛夫林10号为材料,采用蛋白质双向电泳技术,结合质谱鉴定,分析了正常磷供应和无磷处理7d后根系中的蛋白质组表达谱差异,以期为深入探讨小麦响应磷胁迫的分子机理提供蛋白水平上的数据和资料。研究发现,在可重复检测到的1144个蛋白点中,有87个在磷胁迫处理前后发生了明显的表达改变,占总数的7.6%,包括磷胁迫前特异表达、磷胁迫后特异表达、磷胁迫后上调和磷胁迫后下调表达等4种差异表达模式。在87个差异表达蛋白点中,有39个通过质谱技术被成功鉴定,涉及到代谢、细胞生长和分裂、转录和翻译、抗病、信号转导、转座元件及未知功能蛋白等功能类别,说明小麦可能通过细胞的代谢状态和基因表达改变来适应磷胁迫,进而维持体内磷含量的平衡状态。最后,还对差异表达点与磷胁迫的关系进行了分析和讨论。

小麦杂交种与亲本之间穗下节间基因差异表达分析

以株高和穗下节间长度表现杂种优势的小麦杂交组合矮9×冀矮8号的杂种及其亲本为材料,应用cDNA-AFLP技术分析杂种、亲本的穗下节间基因差异表达情况。分离差异表达基因段后,对其克隆、测序并在GenBank进行Blast-x分析和功能推测,发现差异表达的基因包括分别受赤霉素和细胞分裂素诱导表达、与细胞分裂有关的基因cdc2和PAS1基因,它们在小麦杂种节间中分别特异表达和偏高亲表达。另有一个与细胞快速膨大有关的液泡质子泵H+-PPase基因在杂种中偏高亲表达。其他差异表达的基因包括蛋白激酶等与植物信号传递相关基因、与物质代谢相关的基因、参与基因转录调控的基因、与泛素参与的蛋白降解相关的基因等。小麦杂交种与亲本的穗下节间,大量基因涉及细胞分裂、膨大和物质代谢、转录调控等过程,初步推测它们的差异表达可能与穗下节间及株高杂种优势形成有关。

植物杂种优势形成的分子遗传机理研究进展

杂种优势是普遍存在的一种复杂生物学现象,在农业生产中获得了广泛应用,但对其形成机理迄今尚未阐述清楚,随着基因组学研究的深入和发展,植物杂种优势的分子遗传机理研究也取得了重要进展,证实显性、超显性和上位性对杂种优势都有所贡献,并克隆了水稻第2染色体上控制产量杂种优势的QTL位点qGY2-1.建立了水稻、玉米、小麦和拟南芥等植物重要杂种优势性状的转录和蛋白质组表达谱,发现杂交种与亲本之间存在明显的基因表达差异,表现为加性和非加性等差异表达模式,这可能与等位基因变异和表观遗传调控有关,基因表达调控网络解析是未来杂种优势机理研究的重要发展方向,最近在拟南芥生长杂种优势研究上已经取得了突破性的研究进展.

国审高产耐热小麦新品种—农大5181

农大5181是由中国农业大学小麦遗传育种研究中心于2005年以农大3097为母本、轮选987为父本,采用常规杂交育种,经系谱法连续选择育成的高产冬小麦品种,系谱号：2005BJ03-0-3-5-1-0。其组合配制目标为：针对＂轮选987＂成熟期晚、千粒重偏低的缺点,选择早熟、大粒品系＂农大3097＂与之配制组合,以期选育出保持＂轮选987＂产量高、适应性强、白粉病抗性好等优点并克服其缺点的新品种。

人工合成六倍体小麦(AABBDD)与亲本种之间基因组与基因区域的序列变异分析

为探讨六倍体小麦进化过程中基因组发生的变异,我们以两套不同世代(早代和高代)的人工合成六倍体及其母本(四倍体小麦,AABB)和父本(粗山羊草,DD)为材料,采用DNA—AFLP和SSCP方法分别对基因组与基因区域的序列变化进行了研究.结果发现,人工合成六倍体小麦基因组中来源于父本的条带发生丢失的数目更多,表明倍性较低的亲本(DD)基因组序列在多倍化过程中发生了更明显的变异,这与前人的研究结果一致.与DNA-AFLP结果相比较,采用SSCP方法检测到的变异比例明显较低,说明六倍体小麦进化过程中基因区域发生变异的频率较低,而DNA-AFLP检测到的丢失条带可能主要为非编码序列,特别是重复序列.分析还发现,有4个基因在杂交F1代就发生了变异,这说明这些基因变异是由于杂交引起的.生物信息学分析结果显示,在上述4个基因中,有3个位于2D染色体长臂上,并且位于相近的同一区域.本研究结果显示,在人工合成六倍体小麦进化过程中,基因区域的序列变异具有选择性,而不是随机的.

玉米杂交种与亲本苗期根系蛋白差异表达谱分析

尽管杂种优势已经在生产上得到了广泛应用,但是对其形成机理的认识仍然非常有限.为了进一步探讨玉米杂种优势形成的分子机理,以玉米杂交种豫玉22及其亲本综3和87-1苗期根系为材料,采用蛋白质双向电泳和质谱鉴定技术进行了杂交种与亲本之间苗期根系差异蛋白表达谱研究.结果表明,发芽后8d的杂交种在根长、根尖数目、表面积和生物量等根系性状上均具有明显的杂种优势.双向电泳分析结果显示,在所检测到的1118个蛋白点中,有172个(15.38%)在杂交种与亲本的根系中发生了明显的表达变化,包括单亲沉默、杂种特异、杂种偏低亲、杂种偏高亲和中亲表达等5种差异表达类型,其中以单亲沉默所占比例最高.另外,鉴定出了56个差异表达蛋白点,发现其功能涉及转录和翻译、代谢、能量、信号转导、细胞结构、胁迫响应和转座元件等.因此,玉米杂交种与亲本在蛋白丰度上存在明显的差异,并且差异表达蛋白涉及到各个生长发育过程,可能与玉米根系杂种优势表现有关.

利用变性高效液相色谱(dHPLC)进行小麦等位基因差异表达分析

等位基因变异是生物体基因组中普遍存在的现象,也是物种进化和育种的重要基础.等位基因可以通过编码区的改变或者表达来影响基因的功能,因此研究等位基因的表达具有重要的生物学意义.由于小麦基因组的复杂性,造成等位基因的鉴定比较困难,这极大地制约了小麦等位基因表达研究的开展.利用CAU36和CAU328两个EST-SSR标记,结合变性高效液相色谱(dHPLC)分析技术,在35个小麦基因型中分别检测到4种和3种等位变异类型,并且以抽穗期的穗下节节间为材料,对其在4×6的小麦双列杂交组合杂交F1代中进行了表达分析.结果表明,这两个EST-SSR引物扩增的等位基因在多个组合中均存在显著的差异表达,且CAU36标记检测到的等位基因表达变化值与部分杂交种的株高之间存在显著的相关性.

改革教学方法,培养创新人才——国家精品课程《作物育种学》教学方法改革经验浅谈

国家精品课程建设是提高高校教育质量的重要举措。自2003年以来教育部和北京市每年开展精品课程建设,旨在提高高校教育质量和教学水平。在精品课程建设过程中,教学方法的改革在培养创新人才实践中起着至关重要的作用。本文简单介绍了《作物育种学》国家精品课程建设过程中教学方法的改革实践,并用实例说明启发式、互动式、案例教学等教学方法在培养学生合作意识,自主学习能力,思考问题的能力和创新能力等方面的作用。

一个玉米(Zea.Mays L.)杂交种增强表达的GA20氧化酶新基因(ZMGA20)的克隆和鉴定

杂种优势的形成与杂种一代中亲本基因的表达方式改变有关.为了深入探讨赤霉素合成关键酶基因以及赤霉素与杂种优势形成的关系,利用电子克隆结合RT-PCR的方法获得了玉米赤霉素生物合成关键酶GA20-氧化酶基因的全长cDNA序列(ZMGA20),根据同源性比较和序列分析显示,该基因与小麦(CAA74330)、黑麦草(AAG43043)的氨基酸序列一致性最高,达到72%.它具有2-酮戊二酸双加氧酶典型的保守功能域,包括Fe2+结合域(His-229,Asp-231,His-287)和2-酮戊二酸结合域(NYYPPCEKP);前者是Fe2+的结合位点,后者结合共同的前体2-酮戊二酸.采用半定量RT-PCR检测ZMGA20在玉米杂种与亲本之间的差异表达,结果显示,在玉米的根、茎、未展开叶、20d的胚以及雌穗中,ZMGA20基因在杂交种和亲本间都表现为杂种增强的表达模式.在此基础上,对ZMGA20基因差异表达与杂种优势的关系进行了讨论.

利用大麦寡核苷酸芯片分析小麦种间杂交种与亲本之间根系基因表达谱

大量报道表明,杂种优势的形成与杂种一代中亲本基因的表达方式改变有关．为了深入研究小麦杂种优势形成机理,分析了小麦种间杂交种3338/2463在分蘖盛期地上部以及9个根系性状的杂种优势．结果表明总根长、根表面积、根体积、根干重和叶干重等5个性状表现明显的杂种优势．在测定小麦种问杂交种3338/2463根系性状杂种优势基础上,利用大麦寡聚核苷酸芯片,研究了上述杂交种与其亲本之间根系基因差异表达．结果发现,有1187个基因在杂种与亲本之间存在表达差异．差异表达模式可以分为8种类型,即杂种特异型、杂种沉默型、亲本特异型、亲本沉默型、杂种上调型、杂种下调型、杂种偏高亲和杂种偏低亲．利用半定量RT-PCR技术对 14个差异表达基因的表达模式进行验证,发现9(64．29％)个基因与芯片的表达类型完全一致．利用GeneOntology分析对差异表达的基因进行分类,表明差异表达基因涉及植物生长代谢的各个过程．将差异表达基因进行电子定位分析,发现差异表达基因散布在小麦的各条染色体的Bin上, 分布在第一到第七部分同源群上的差异表达ESTs分别为158,148,121,140,132,94,127个．

利用大麦寡核苷酸芯片进行小麦苗期叶片热胁迫基因表达谱分析

植物感受热胁迫时基因表达发生变化,而这些差异表达的基因对植物耐热性起着至关重要的作用．为揭示小麦热胁迫响应的分子机理,以38℃热胁迫的小麦幼苗为处理组(HS),同期未经处理的小麦幼苗为对照组(CK),分别提取叶片RNA与Affymetrix Barleyl基因芯片杂交．杂交结果显示,在总共22840个探针中,对照组(CK)和热胁迫组(HS)共检测到8486个阳性探针,占总探针数的37．15%．利用半定量RT-PCR技术对11个差异表达基因的表达模式进行验证,发现10个基因与芯片的表达类型完全一致．利用Gene Ontology的GO information对差异表达的基因进行了分类,表明差异表达的基因涉及逆境胁迫、信号转导、物质运输、光合作用、蛋白代谢、脂肪代谢、碳水化合物代谢等多个方面．其中有大量热激蛋白和分子伴侣相关基因上调表达．上调表达的热激蛋白包含热激蛋白各个家族,且上调表达的平均倍数明显高于其他基因的上调倍数．另外泛素—蛋白酶体通路中的多个关键酶的基因也发生了差异表达,预示着负责蛋白质选择性降解的泛素—蛋白酶体通路也参与了植物对热胁迫的应答机制．

小麦种质资源耐热性评价

【目的】利用热感指数作为耐热性鉴定指标,分别对冬、春小麦种质资源进行高通量耐热性鉴定,筛选耐热种质资源,为小麦耐热性育种提供材料基础。【方法】冬小麦材料采用延期播种、春小麦材料种植在温度有显著差异的地理环境下,人为致使小麦灌浆期遭遇高温胁迫。根据不同环境处理的千粒重值计算冬、春小麦各个材料的热感指数。依据热感指数,对来自中国不同小麦生态区和国外不同地区和组织的1325份小麦种质资源,包括688份冬小麦和637份春小麦,分别进行耐热性评价。热感指数小于0.5为极耐热材料、大于等于0.5小于1为中等耐热材料、大于等于1小于1.5为中等热敏感材料、大于等于1.5为极敏感材料。【结果】冬小麦和春小麦热胁迫处理组灌浆期平均最高温度分别高于对照组1.91℃和7.09℃,且热胁迫处理组千粒重与对照组相比均有显著降低。根据热感指数分级评价结果,极耐热冬、春小麦材料31和48份,占供试材料的4.51%和7.54%;极敏感冬、春小麦材料19和58份,占供试材料的2.76%和9.11%;其余大多数材料为中间类型(中等耐热材料和中等热敏感材料)。从中国小麦生态区域的地理分布来看,来自南部麦区(西南冬麦区、青藏春冬麦区、长江中下游冬麦区)的冬小麦材料耐热性整体高于来自北部麦区(北部冬麦区、黄淮冬麦区)的冬小麦材料。对于春小麦,来自新疆春冬麦区的材料耐热性最强,平均热感指数为0.70,且其中88.00%的材料属于耐热材料(极耐热材料或中等耐热材料);此外,来自国际干旱地区农业研究中心的春小麦平均热感指数为0.88,也表现出较强的耐热性。来自CIMMYT的人工合成六倍体材料耐热性最弱,平均HSI为1.18,其中69.58%的材料为热敏感材料(中等热敏感材料和极敏感材料)。【结论】采用延期播种或在高温的地理环境下种植能使小麦在灌浆期遭遇高温胁迫。以千粒重热感指数作为评价指标,对1325份小麦种质资源进行高通量耐热性鉴定,综合考虑正常条件下的产量潜力和高温条件下的耐热性,筛选出优异耐热资源103份,可用于相应生态区小麦的耐热性遗传改良。

小麦主栽品种济麦22与良星99的基因组序列多态性比较分析

济麦22和良星99是我国黄淮冬麦区和北部冬麦区大面积推广的高产小麦品种,也是目前小麦杂交育种的重要亲本。虽然济麦22和良星99的来源和系谱不同,但在重要农艺、产量等性状上存在较高的相似性。为了从全基因组水平研究其遗传组成的异同,本研究采用IlluminaHiSeq2500测序平台对上述两个品种进行了全基因组测序(平均测序深度为5.8×),并系统地比较了两个品种拷贝数变异(CNV)、单核苷酸多态性(SNP)和插入/缺失(InDel)的序列差异。与中国春参考基因组序列相比,两个品种除了具有总长466 Mb的共有CNV变异区间外,济麦22和良星99的特有CNV变异区间的总长分别为91Mb和45Mb,这些特有CNV区间主要集中在2B和4B染色体上;济麦22和良星99间存在1,547,371个SNP差异位点和137,817个InDel差异位点。以差异SNP分布规律为依据,在全基因组水平鉴定出济麦22和良星99间存在14.2%的差异多态性热点区间,这些区间集中分布在1D、2B和4B染色体上。通过对5个控制小麦株高和穗长基因的序列分析,发现有2个位于多态性热点区间的基因在品种间存在移码突变。本研究为利用重测序数据在基因组水平上比较小麦品种间遗传差异提供了重要参考,同时揭示了济麦22和良星99在全基因组的遗传相似区间和差异区间,为今后小麦育种改良中更好利用济麦22与良星99提供了重要遗传信息。

国审高产稳产小麦新品种—农大3486

农大3486是中国农业大学小麦研究中心由组合农大211/新麦9号//良星99选育的小麦新品种,于2017年6月和2018年5月先后通过了北京市审定(京审麦20170001)和北部冬麦区国家审定(国审麦20180068)。

赤霉素代谢及其调控相关基因的差异表达与小麦株高杂种优势的关系研究

植物杂交F1的株高一般都表现出明显的杂种优势,但其形成的分子机理迄今尚未阐述清楚.本研究以按照NCⅡ遗传交配设计配制的16个杂交组合为材料,在田间株高性状杂种优势测定的基础上,采用实时定量PCR技术检测了赤霉素代谢及其调控相关基因在杂交种与亲本抽穗期穗下第1节中的表达情况,并且与株高杂种优势进行了相关分析.结果表明,所有杂交组合的株高和第1节均表现出明显的杂种优势,但因杂交组合和株高性状不同而存在很大的差异.分析发现,第1节与株高的中亲杂种优势之间的相关性达到了显著水平(r=0.56,P<0.05),说明该节对小麦株高杂种优势的形成有重要的贡献.实时定量PCR表达分析结果显示,赤霉素代谢及调控相关基因的表达优势因杂交组合不同而存在明显的差异,但第1节杂种优势与KS,GA3ox2-1,GA20ox2,GA20ox1D,GA-MYB和GID1-1基因的表达优势呈显著或极显著正相关,而与GAI和GA2ox-1基因的表达优势呈极显著负相关,这与我们最近提出的小麦株高杂种优势形成的赤霉素分子调控模型相吻合,说明赤霉素代谢及调控相关基因的表达改变与株高杂种优势的形成有重要关系.