小麦新种质“普冰3228”穗下节长度QTL定位与候选基因分析

【目的】挖掘小麦新种质“普冰3228”穗下节的有效位点/基因,探讨其穗下节分子遗传机制。【方法】以“普冰3228”ד京4839”杂交产生的210个小麦重组自交系群体为材料,利用55K SNP芯片构建该群体高密度分子遗传连锁图谱,采用完备区间作图法(ICIM⁃ADD)对穗下节长度进行QTL定位分析,并基于QTL定位结果对穗下节长度候选基因进行预测分析。【结果】研究发现210个小麦重组自交系遗传群体穗下节长度存在丰富的遗传差异,分布于16.00~117.50 cm。共检测到6个与小麦穗下节相关的QTL,该QTL主要分布于2B、4B、4D、5B和6D染色体上,其LOD值介于2.55~7.88,解释变异率分布于3.43%~15.84%,且绝大多数QTL均来自母本“普冰3228”。定位于4B染色体上AX⁃109373490~AX⁃111540511区间的QUIL⁃4B.e1和定位于4D染色体上AX⁃110984743~AX⁃109230716区间的QUIL⁃4D.e1为穗下节长度主效QTL,可在2种环境下均被检测到的QUIL⁃4D为穗下节长度稳定QTL。进一步分析发现15个与穗下节长度相关的候选基因。该候选基因主要编码一些相关蛋白及功能酶,通过调节或影响植物代谢活动进而对小麦穗下节长度产生影响。例如TraesCS4D01G039200可能编码一种原纤维家族蛋白,直接影响小麦穗下节长度,TraesCS4D01G040300可能编码代谢产物转运蛋白,通过调节代谢产物在穗下节区域的分配影响穗下节的长度。【结论】研究共检测到与小麦穗下节长度相关QTL 6个,预测到与穗下节相关候选基因15个,研究结果有助于小麦穗下节遗传机制解析,并为穗下节遗传改良提供新种质。

水稻明恢826光身基因GL826的精细定位与候选基因分析

光身稻是一种重要的种质资源,在杂交水稻育种中具有重要的利用价值,其中明恢826(MH826)是自主选育的优良光身稻恢复系。为探究MH826光身基因功能和分子机制,本研究对MH826光身表型进行鉴定、对光身基因进行精细定位和候选基因分析。扫描电镜分析结果发现,其叶片和籽粒颖壳表现为表面光滑,未观察到明显的尖刺状表皮毛特征。利用MH826分别与具有明显表皮毛特性的水稻品种华占、明恢2155和9311杂交构建的F1和F2代分离群体对MH826光身基因进行遗传学分析,结果表明,MH826的光身性状由单个细胞核隐性基因控制,并将其命名为GL826(Glabrous Leaf 826)。进一步应用MH826与华占杂交获得的F2分离群体,结合分离群体分析法(BSA)和隐性群体分析法(RCA),并通过Mapmaker/Exp3.0和MapDraw v2.1软件分析,将光身基因GL826精细定位在水稻第5号染色体短臂端,且位于分子标记InDel-70和InDel-11之间,相对遗传距离均为0.2 cM。区间物理距离为141.03 kb,共预测有23个开放阅读框,其中LOC_Os05g02730功能注释为已报道的和水稻表皮毛发育相关基因。测序分析结果发现,MH826中候选基因LOC_Os05g02730在编码区和启动子区均未存在DNA水平上的碱基变异。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析结果表明,LOC_Os05g02730在MH826不同生长发育阶段的叶片、茎和幼穗中的表达受到了严重抑制,表现为不同程度的下调。推测候选基因LOC_Os05g02730即为GL826。本研究结果为光身稻恢复系MH826及其光身基因GL826在杂交水稻育种上的进一步应用提供了理论基础。

菜薹抽薹时间、开花时间QTL定位及候选基因分析

菜薹的抽薹天数和开花天数是数量性状,受多基因控制,同时该性状还受到多种环境因素(光照、温度、土壤、激素等)的影响,阐明菜心抽薹开花的分子遗传机制较为复杂。试验选用抽薹时间、开花时间天数差异大的2个高代自交系材料作为亲本进行杂交获得F2群体,取150株用于高密度遗传图谱的构建,结合田间性状调查并通过混合线性复合区间作图法分析,得出如下结果:利用北京百迈客生物科技有限公司简化基因组测序技术构建了包含4253个位点、10940个SNP标记、图谱总长1030.04 cM的高密度分子遗传图谱,获得抽薹时间、开花时间的QTL共4个,用生物信息学筛选到了一些候选基因。在主效QTL区域内筛选到3个相关候选基因(Bra004125、Bra004162、Bra004165),其控制花器官的形成,并且与诱导植物早期开花的不同信号传导途径相互作用。

水稻507ys黄绿叶突变体的遗传鉴定与候选基因分析

【目的】对水稻507ys黄绿叶突变体进行遗传鉴定与候选基因分析。【方法】用化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)处理粳稻品种日本晴(Nipponbare),从突变体库中获得一份黄绿叶突变体507ys。对该突变体进行表型观察以及主要农艺性状调查分析。将507ys与正常绿色品种进行杂交,调查F1代的叶色表型和F2群体的叶色分离情况,分析该突变表型的遗传行为。利用(507ys/明恢63)的F2作为定位群体,对507ys突变基因进行精细定位且遴选候选基因,对候选基因进行DNA测序验证及编码蛋白序列同源性分析。同时,测定507ys突变体和野生型亲本的光合色素含量,并利用高效液相色谱(HPLC)精确分析它们的叶绿素组成成分,以进一步揭示507ys黄绿叶突变基因的候选基因。【结果】507ys黄绿叶突变体整个生育期呈黄绿色。与野生型亲本日本晴相比,507ys突变体在分蘖期叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量分别下降52.1%和58.1%,成熟期株高、每株有效穗数、每穗着粒数和结实率分别减少8.3%、51.0%、7.4%和11.6%。507ys与正常绿色品种日本晴和明恢63杂交的F1表现正常的绿色,F2群体绿色正常植株与黄绿叶突变植株分离比符合3﹕1,表明507ys的黄绿叶突变性状由1对隐性核基因控制。该突变基因定位在第10染色体长臂近端部SSR标记RM333和InDel标记L3之间,遗传距离分别为0.56 cM和0.14 cM,两标记之间的物理距离约为60.2 kb,此区间内包含13个有注释的预测基因。基因组序列分析发现,507ys突变体中编码叶绿素酸酯a加氧酶的OsCAO1(LOC_Os10g41780)在编码区第2 198位碱基(CDS第1 057位碱基)处,碱基G突变为碱基A,造成编码蛋白的氨基酸序列第353位的谷氨酸(E)突变成赖氨酸(K)。对叶绿素组成成分分析表明,507ys突变体叶片中只有叶绿素a,没有叶绿素b。【结论】507ys突变体基因是已报道的叶绿素酸酯a加氧酶基因OsCAO1的等位基因。507ys突变体在OsCAO1外显子上发生的一个点突变使得其体内叶绿素酸酯a加氧酶失活,造成叶绿素b合成受阻。

水稻黄绿叶突变体ygl13的鉴定及候选基因分析

[目的]对水稻黄绿叶突变体ygl13(yellow-green leaf 13)进行表型鉴定和候选基因检测,以便了解水稻叶色形成和调控的分子机制。[方法]经甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻恢复系缙恢10号(Jinhui 10),从中筛选出1份遗传稳定的黄绿叶突变体命名为ygl13,对突变体的表型进行系统观察,调查其成熟期的主要农艺性状,分别测定野生型和突变体苗期和孕穗期的叶片光合色素含量,同时利用透射电镜观察野生型和突变体ygl13的叶肉细胞及叶绿体结构。将表型正常的不育系西农1A与突变体ygl13杂交,根据F1和F2群体的性状表现与分离情况,分析该突变性状的遗传行为,并以F2作为基因定位群体,对突变体ygl13进行候选基因遴选和突变位点测序验证。[结果]突变体ygl13的植株叶片在整个生育期均呈现黄绿色,与野生型缙恢10号相比,突变体ygl13苗期和孕穗期叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均极显著降低。透射电镜观察结果显示,与野生型相比,突变体ygl13叶绿体结构异常,基质片层减少退化,类囊体片层减少,不规则的散乱分布。农艺性状调查结果表明,突变体ygl13穗总粒数增加了26.06%,株高和结实率分别降低了12.33%和18.82%,但穗长、有效穗、穗实粒数和千粒重无显著差异。F2群体正常叶色的植株数与黄绿叶植株数分离比经χ2测验符合3﹕1分离比例(χ2=2.35<χ20.05=3.84),表明ygl13的黄绿叶性状由1对隐性核基因控制。YGL13被定位于第8染色体短臂In Del标记ID43和ID69之间,遗传距离分别为4.0和0.5 c M,区间物理距离约为318 kb,共有52个基因。经测序比对分析发现,ygl13突变体在Os SIG1编码区的第1 005个碱基G突变为碱基A(位于第三外显子),造成编码色氨酸(Trp或W)的密码子突变为终止密码子,导致蛋白翻译提前终止,则该基因编码520个氨基酸的蛋白质突变为334个氨基酸的截短蛋白。q RT-PCR结果表明,突变体ygl13部分光合色素代谢途径和光系统相关基因表达紊乱。[结论]水稻突变体ygl13的黄绿叶性状由1对隐性核基因控制,该基因与已报道的水稻质体σ因子Os SIG1为等位基因。

谷子条纹叶突变体wsl2的鉴定及候选基因分析

谷子叶色突变体是探究叶绿体发育机制和C4光能利用率的理想材料之一。为了研究谷子叶色突变的分子机制,从谷子主推品种长农35号的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变库中筛选鉴定到一个苗期条纹叶突变体wsl2,通过表型鉴定、遗传背景检测和遗传分析,同时利用MutMap方法快速精细定位突变基因,并根据突变位点开发共分离分子标记等方面对该突变体进行研究。结果表明,wsl2在苗期表现为条纹叶表型,但从拔节期开始恢复为正常叶片表型;wsl2与野生型遗传背景相同且wsl2受一个隐性核基因控制;MutMap精细定位的关联区间内包含9个非同义突变基因,其中,Seita.9G561800是一个编码与叶绿体相关的PsbP蛋白基因,含有6个外显子和5个内含子,在第1外显子77 bp处发生G/T碱基突变,导致一个精氨酸(R)突变成亮氨酸(L)。根据突变碱基设计了dCAPS标记MRI498-1(Cac8Ⅰ)和共分离标记MRI501-3,进一步验证了wsl2突变体的候选基因突变位点。研究鉴定了一个新的条纹叶突变体wsl2,对PsbP基因光合作用反应机制的进一步研究奠定了理论基础,丰富了谷子叶色突变体资源,同时验证了MutMap方法克隆谷子突变基因的有效性。

玉米花丝颜色基因qSC10精细定位及候选基因分析

为解析玉米花丝颜色性状的遗传机理,挖掘其候选基因及等位变异,本研究以郑58和昌7-2为亲本构建的重组自交系(RIL)群体为材料,对控制玉米花丝颜色QTL进行定位。利用郑58与控制玉米粉色花丝主效位点qSC10的近等基因系qSC10-NIL杂交构建F3作图群体,对主效位点qSC10进行精细定位,根据qSC10定位区间和NCBI数据库中B73RefGen-v4玉米参考基因组序列预测候选基因。结果表明,利用郑58和昌7-2构建的RIL群体共鉴定出4个控制玉米花色的主效QTL,分别位于第1、8、9、10染色体上,可解释3.34%~12.28%的表型变异。位于第10染色体上的主效显性位点qSC10精细定位在374.2 kb区间之内。参考B73基因组序列,在定位区间内包含13个预测基因,其中包括1个影响玉米种皮颜色基因R-S(GRMZM5G822829)。基因表达分析结果表明R-S基因在花丝、根、茎、叶和雄穗中均有表达,qSC10-NIL花丝中表达量极显著高于郑58,推测该基因可以正向调控花色素合成相关基因表达,影响花色素在玉米花丝中的积累。

小麦茎部镉积累性状全基因组关联分析及优异位点挖掘

小麦镉(Cd)污染日益加重,严重威胁食品安全和人类健康,培育和应用低镉积累品种是降低镉污染小麦风险的最有效途径之一,通过分子标记辅助手段可加快低镉积累特性小麦的筛选和培育。本研究选用175份小麦种质材料,种植于陕西省镉中度污染农田,对灌浆初期小麦茎部镉含量、镉富集系数和转运系数进行聚类分析,筛选出10个低镉积累特性种质。同时利用小麦660K单核苷酸多态性(SNP)芯片,通过3种模型对茎部镉含量、生物富集系数和转运系数进行全基因组关联分析,共鉴定到33个相关遗传位点,其中28个是新的SNP位点。针对茎部镉含量和转运系数3A上的2个主效QTL,开发了KASP标记,并在验证群体中明确了其准确性和实用性。基于基因注释和同源基因比对,预测了10个基因可能直接参与小麦镉积累转运相关生物过程;其中TraesCS3A02G289200基因是一个热休克转录因子,它在水稻中的同源基因(OsHsfA4a)被验证能够提高水稻对镉的耐受性。10个低镉积累特性种质及相关基因可用于小麦耐镉污染育种及有效分子标记开发。

玉米ZmC2s基因家族鉴定及ZmC2-15耐热功能分析

鉴定玉米ZmC2s基因家族成员,分析其遗传变异与玉米耐热性的关联性,为明确其在玉米耐热方面的功能和分子机制奠定基础。使用C2蛋白结构域PF00168,利用hmmsearch从玉米全基因组中搜索ZmC2s基因家族成员,分析其编码蛋白质等电点和分子量、系统进化和基因家族复制。使用候选基因关联分析的方法,对ZmC2s基因自然变异位点与玉米苗期耐热性进行关联分析,发现玉米ZmC2s基因家族重要的耐热候选基因。使用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)的方法鉴定与玉米苗期耐热性最显著相关的ZmC2候选基因ZmC2-15在胁迫和激素处理下的基因相对表达水平,在玉米原生质体瞬时表达系统中鉴定ZmC2-15-GFP的亚细胞表达部位,以及获得过表达ZmC2-15的转基因拟南芥并分析其耐热性。从玉米参考基因组B73中共鉴定出95个玉米ZmC2s基因,根据其物理坐标的先后顺序,将95个玉米ZmC2s基因命名为ZmC2-1~ZmC2-95。其蛋白长度为130~2141,等电点为4.1~10.8,分子量为14.1~230.1。通过构建玉米、水稻和高粱基因组C2基因的进化树,发现C2基因可以分为3个大的聚类分支,每个聚类分支又可以细分为2个小的聚类分支。分析玉米、水稻和玉米、高粱的全基因组共线性数据,发现了59个ZmC2s基因在水稻和高粱基因组均有一一对应的复制基因。ZmC2s基因家族关联分析表明ZmC2-15/60/91是重要的玉米耐热候选基因(P≤0.001,MLM),其中ZmC2-15与玉米苗期耐热性最显著相关(P≤0.000,01,MLM),且该基因的表达量在多种逆境胁迫处理下上调表达。亚细胞定位分析表明ZmC2-15表达定位于细胞质、核膜和内质网。过表达ZmC2-15的转基因拟南芥提高了植物耐热性。ZmC2-15可作为调控玉米耐热性的重要候选基因。

水稻黄叶突变体yl的遗传分析与基因定位

[目的]水稻叶片作为重要的光合器官,是作物产量的形成基础。叶色突变体不仅可以作为育种标记,还是研究叶绿体发育和培育高光效水稻品种的先决条件之一。[方法]从籼稻品种‘9311’的^(60)Co-γ射线辐射诱变突变体库中筛选获得了1个水稻黄叶突变体yl。利用yl/‘宁粳4号’杂交的F2群体进行基因定位。[结果]与野生型相比,yl突变体的幼叶表现出明显的黄化,叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的含量下降。突变体叶绿体中类囊体片层结构排列松散。与野生型相比,yl突变体的每穗粒数、结实率和千粒质量下降。该性状受1对隐性核基因控制。该基因初步定位于第9染色体长臂上,进一步开发分子标记把定位区间缩小在14.5 kb内,该区域包含3个候选基因。经测序比对分析发现,yl突变体的第3个ORF的第5外显子发生碱基突变(2131CTA→G),从而造成蛋白第233位氨基酸发生改变并导致翻译提前终止,形成了1个包含原有232个氨基酸和16个新形成氨基酸残基的蛋白,该基因与已报道的水稻黄叶基因YLC1是等位基因。[结论]本研究明确了YLC1参与叶绿素的合成,为叶绿体色素合成和叶绿体发育的研究提供了基础。

小麦苗期铅耐受性的全基因组关联分析

【目的】随着工业化的推进,重金属尤其是铅对耕地的污染已成为世界性问题。小麦作为主要粮食作物,其健康生产对保障粮食安全意义重大,筛选铅耐受性强和铅低积累小麦品种、挖掘相关调控基因或 QTL 区间,为耐铅种质创新和揭示小麦铅耐受性遗传机制奠定基础。【方法】采用 140 mg·kg^(-1)的硝酸铅溶液对 102 份小麦品种(系)进行苗期胁迫试验,以 3 个重复下的最大根长、根生物量和生长速率的耐铅系数的加权隶属函数值(D 值)来评价小麦对铅的耐受性。结合小麦 660K SNP芯片的 335 438 个高质量 SNP 标记对小麦铅耐受性进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),挖掘铅耐受性候选基因。【结果】小麦品种(系)之间的铅耐受性表现出丰富的变异,变异系数为 44.8%-46.2%,相关系数介于0.87-0.97(P<0.001);铅耐受性强的品种呈现出铅低积累特性。基因分型结果显示 SNP 多态性信息含量(polymorphic information content,PIC)为 0.28-0.32,群体结构分析将供试材料分为 7 个亚群;2 种 GWAS 分析方法共检测到 20 个与小麦铅耐受性显著关联的 SNP(P≤0.001)和 8 个候选区间,分别分布在 1B、2A、2D、3A、3B、5A 和 7A 染色体上,单个位点可解释 15.33%-19.75%的表型变异,其中 10 个位点和 8 个候选区间在 2 个及以上环境被检测到。分析稳定检测的显著关联位点及区间的候选基因,发现其功能主要与跨膜运输、蛋白修饰以及氧化应激反应有关,包括 7 个与转运蛋白相关基因(TraesCS1B02G433800、TraesCS7A02G118800、TraesCS7A02G117900 等)、2 个与泛素化与去泛素化相关的候选基因(TraesCS2A02G550900 和 TraesCS7A02G477300)、3 个跨膜蛋白基因(TraesCS2D02G570500、TraesCS3B02G039900 和TraesCS3B02G466000)和 1 个过氧化物酶相关的候选基因(TraesCS7A02G474200)。【结论】筛选出铅耐受性强的种质材料 7份,检测到与小麦铅耐受性显著关联的 20 个 SNP 位点及 8 个候选区间,筛选出 13 个与小麦铅耐受性相关的候选基因。

心血管疾病易感基因分子预警

心血管疾病(CVD)是由遗传和环境因素共同作用所致的一种多基因疾病。近年来,基于候选基因分析和全基因组关联研究已发现了一系列与CVD相关的易感基因,这些易感基因能否成为CVD早期诊断的指标和预防的靶点已成为研究者关注的焦点。了解CVD相关的易感基因研究现状和问题,对更好地解释其遗传变异,进一步应用于临床尤为重要。

与儿童哮喘相关的易感基因的研究进展

支气管哮喘(bronchial asthma,简称哮喘)是一种遗传和环境因素相互作用导致的多基因遗传病。前基因时代,定位克隆法与候选基因法发现的重率高且有价值的易感基因共25个。伴随人类基因组技术的发展,全基因组关联研究广泛应用,众多哮喘易感基因位点相继被发现,且基因位点共同作用能增加易感风险。尽管基因对哮喘及其相关性状有重要作用,但多种环境暴露也同样影响哮喘的发生。该文就儿童哮喘易感基因研究方法、近年来发现的主要易感基因、基因位点间交互作用及环境因素等作一综述。

中国晚发型阿尔茨海默病的遗传分析研究进展

自2010年以来,中国已成为世界上老龄化最严重的国家之一。2018年认知障碍患者数量在全球范围内已达到5000万,而阿尔茨海默病(AD)是最常见的认知障碍,具有一定的遗传性。然而,在过去的20年里大多数公认的AD遗传风险基因都是基于高加索人群的研究,有关中国人群AD遗传学的数据非常有限。本文综述了中国近年来大量的遗传分析,从候选基因研究,到全基因组关联研究和下一代测序研究,及已被验证的AD易感基因或致病基因在中国人群中的遗传差异,并重点介绍了中国人群基因组水平的研究。