甘蔗割手密种转录因子NAP亚家族的鉴定及SsNAP2a参与叶片衰老的功能分析

NAP(NAC-like,activated by apetala3/pistillata)是转录因子NAC基因家族中一类参与调控植物生长发育、叶片衰老及响应激素和非生物胁迫应答的亚家族。本研究利用甘蔗割手密种基因组数据和生物信息学方法,首先,基于比较基因组学对NAP亚家族成员进行鉴定、系统进化分析、保守结构域及顺式调控元件预测;其次,克隆获得割手密种SsNAP2的等位基因SsNAP2a,分析该基因在不同生长发育阶段的表达及其在激素和非生物胁迫下的表达特征;最后,利用瞬时表达和亚细胞定位分析SsNAP2a基因的功能。结果表明,在割手密种基因组中共鉴定5个NAP亚家族成员,亚细胞定位预测所有成员编码蛋白均定位于细胞核上,这些基因的Ka/Ks比值均小于1,表明纯化选择在演化中起到关键作用。系统聚类分析表明,5个代表性的被子植物(拟南芥、菠萝、水稻、玉米和高粱)与已报道的12个物种及甘蔗的NAP亚家族成员,共计46个,分为4个Clade,其演化的顺序Clade I>Clade II>Clade III>Clade IV。此外,在SsNAP亚家族成员的启动子区域预测到较多响应脱落酸和茉莉酸、低温等逆境胁迫的顺式作用元件,推测其参与多种激素和非生物胁迫相关应答通路。进一步,从割手密种SES208中克隆到SsNAP2a基因,该cDNA全长序列1173 bp(GenBank登录号为OQ335094),编码390个氨基酸残基,其与等位基因SsNAP2编码蛋白的序列相似性为97.70%,有10个氨基酸残基的差异,表明同源8倍体的割手密种等位基因序列差异较大。qRT-PCR分析表明,SsNAP2a基因在割手密种不同生长发育阶段中组成型表达,尤其在衰老的蔗皮和根中的表达量最高;在乙烯利(ethylene,ET)、脱落酸(abscisic acid,ABA)、4℃低温和40℃高温处理下,其表达量呈现显著诱导表达;而在8%聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG)胁迫下显著下调表达。亚细胞定位表明,SsNAP2a融合蛋白定位在细胞核上。瞬时过表达SsNAP2a基因7 d后,本氏烟(Nicotianabenthamiana)叶片有明显的卷曲、皱缩等衰老现象,ET合成相关基因(NtEFE26,NtAccdeaminase)显著上调表达,而水杨酸、茉莉酸和ABA合成相关基因(NtPR-1a/c、NtPR3和NtAREB1)显著下调表达,表明SsNAP2a基因参与多种激素信号传导途径诱发叶片衰老。以上研究结果为挖掘甘蔗NAP亚家族基因成员参与叶片衰老的生物学功能奠定了研究基础,也为培育甘蔗抗衰老分子育种提供候选的基因资源。

甘蔗割手密种糖转运蛋白基因SsSWEET11的克隆与功能分析

SWEET蛋白通过调控植物体内糖分的运输、分配、转化和贮藏,广泛参与植物生长发育及响应病原菌胁迫的生理生化过程。为揭示SWEET基因在甘蔗生长发育及其与赤条病菌互作中的生物学功能,本研究基于甘蔗割手密种全长转录组文库和比较基因组学,根据注释SsSWEET11基因序列设计特异引物,利用RT-PCR技术从甘蔗割手密种cDNA文库中扩增该基因的全长序列,运用多种生物信息工具分析其特征,构建系统进化树;采用不同组织和抗、感赤条病的甘蔗品种分析SsSWEET11的表达模式;利用瞬时表达和亚细胞定位分析SsSWEET11的功能。结果表明,从甘蔗割手密种克隆获得SsSWEET11基因(登录号为OP554214),该基因全长927bp,编码308个氨基酸残基,具有2个MtN3_saliva结构域和7次跨膜结构域。系统进化树分析显示,SsSWEET11属于SWEET蛋白家族第Ⅲ亚家族成员,与高粱SbSWEET11相似性高达97.41%。qRT-PCR分析表明, ShSWEET11基因在不同组织中组成型表达,在蔗叶和根中表达量显著高于其他组织;赤条病菌胁迫下,ScSWEET11基因在抗病品种ROC22和感病品种MT11-610中呈现完全不同的表达趋势,与对照相比,抗病品种中该基因的表达量显著下调,而感病品种中,在胁迫48h和72h后该基因的表达量显著上调,分别为对照的5.90倍和5.43倍。亚细胞定位表明, SsSWEET11-GFP融合蛋白定位在质膜上。瞬时过表达SsSWEET11基因1 d后,二氨基联苯胺(Diaminobenzidine, DAB)对本氏烟叶片进行染色,叶片颜色没有变化,再接种烟草青枯菌、茄病镰刀菌蓝色变种7 d后,过表达植株叶片发病比对照组严重,且过敏反应相关基因、茉莉酸和水杨酸代谢途径相关基因呈现上调表达,而乙烯通路相关基因则没有响应,表明SsSWEET11基因参与茉莉酸和水杨酸信号传导通路,且病原菌侵染本氏烟草叶片能够诱发过敏反应。研究结果不仅为开发与甘蔗抗赤条病菌性状关联的分子标记提供积累,也为深入解析赤条病侵染甘蔗的分子机制奠定一定的基础。

甘蔗割手密种LRRII-RLK基因家族演化和表达分析

LRRII-RLK是一种类受体激酶(receptor-likekinase,RLK),该基因家族在植物中广泛存在,在植物的生长发育和生物胁迫中发挥着重要的作用,但目前在甘蔗中未见对该基因家族的系统鉴定和分析。本研究对甘蔗的LRRII-RLK基因进行分类,并研究了其结构和功能。结合割手密种基因组和发育组织、叶片发育梯度、昼夜节律和生物胁迫反应转录组数据,在甘蔗割手密种中共鉴定到27个LRRII-RLK基因,分布在17条染色体上。系统进化分析发现,它们分别属NIK、SERK和LRRII-C分支,其中处于LRRII-C分支的SsLRRII-RLK基因出现了显著扩增。顺式元件分析显示,它们的启动子共包含32类顺式元件,其主要参与植物光反应、响应胁迫反应、调控植物激素和植物生长发育。这些基因共有35对共线性基因对,具有多个保守基序,主要通过片段复制的方式进行扩增,且根据Ka/Ks比率发现,它们在演化过程中经历了严格的纯化选择作用。此外,SsLRRII-RLK基因表达分析显示,它们在甘蔗不同组织中表达量不同,其中部分基因在昼夜不同时期表达量呈现差异,这表明它们参与了植物生长和光合作用的调节。值得注意的是,SsLRRII-RLK基因的表达模式在不同病害(甘蔗梢腐病和花叶病)胁迫下呈现差异,因此,我们认为这些基因在病毒复制和发病机制过程中发挥作用。本研究结果有助于深入了解甘蔗LRRII-RLK基因的演化过程,且为LRRII-RLK基因在甘蔗生长发育、光合作用以及在病害胁迫中的功能研究提供初步的理论基础。

甘蔗属割手密种云南82-114 F_1代灰色关联度综合评价及分类

【目的】对64份甘蔗属割手密种(Saccharum spontaneum)云南割手密82-114(云南82-114)的F1代进行综合评价和分类,为进一步筛选和利用优良种质提供依据。【方法】采用灰色育种理论的灰色关联度对云南82-114血缘F1代的9个性状进行综合评价与分类。【结果】在64份材料的灰色关联度排名中,排名居前10位的分别为云瑞08-155、云瑞08-52-1、云瑞08-147、云瑞08-157、云瑞08-197、云瑞08-105、云瑞08-111、云瑞08-96、云瑞08-52-2、云瑞08-83,超过对照ROC22的材料有5份,超过对照粤糖93-159的材料有10份,其余的54份材料均未超过两对照。依据材料间灰色关联度建立三角矩阵,取等价截距λ=0.890时,可将材料分为22个类型,大部分材料可单独聚为一类。灰色关联度评价和聚类分析结果表明,云瑞08-155、云瑞08-52-1、云瑞08-147、云瑞08-157、云瑞08-197、云瑞08-105、云瑞08-96等7份材料可作为杂交利用的重点材料。【结论】灰色关联度综合评价结合聚类分析对材料的高效筛选和杂交利用具有较明确的指导作用,是一种方便、简捷的评判方法。

甘蔗属割手密种(Saccharum spontaneum)‘云南82-114’的F_2(BC_1)代同异法综合评价及同一度分类

为综合评价甘蔗属割手密种(Saccharum spontaneum)‘云南82-114’的F2(BC1)代亲本材料,采用基于集对论的同异分析法,对65份亲本材料进行了分析。结果表明,同异联系度排名前10位的材料是:云瑞09-23、云瑞09-44、云瑞09-36、云瑞09-74、云瑞09-65、云瑞09-35、云瑞09-14、云瑞09-58、云瑞09-51、云瑞09-67。超过对照新台糖22号(ROC22)的材料有33份,超过对照粤糖93-159(YT93-159)的材料有36份。在等价矩阵中取截距λ=0.910,65份‘云南82-114’的F2(BC1)代亲本材料可分为26个类型。同异联系度排名靠前、又聚为不同类型的亲本材料,通常是某些优良性状表现突出的亲本材料,这为亲本材料的进一步筛选和利用提供了依据。

云南割手密种、斑茅种、滇蔗茅种后代黑穗病抗性研究初报

通过对云南野生甘蔗血缘后代45个材料的黑穗病抗性鉴定,一是了解云南"YN"系列新血缘亲本抗黑穗病性状遗传效应;二是验证"异质复合分离理论"假说指导抗病育种的科学性。结果显示:(1)有27个材料为1级高抗,3个材料为2级抗病,共30个,占67%;而对照种ROC10和桂糖11号分别为6级、7级感病。表明在传统感病种质基础上导入云南野生种质血缘,能够获得野生血缘高抗黑穗病遗传基础,从中选育的"YN"系列优良亲本能够产生高抗黑穗病杂种优势。(2)在27个1级高抗材料中,有11个属于自交系后代,表明"异质复合分离理论"假说的"自交超亲分离"技术,能够有效地选育出高抗黑穗病的超亲遗传变异亲本,其后代抗病性杂种优势突出。