‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组特征及密码子使用偏好性分析

【目的】分析‘怀玉山’高山马铃薯Solanum tuberosum var.cormosus‘Huaiyushan’叶绿体基因组特征及密码子使用偏好性,为开展‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子优化、叶绿体基因组改造,探索物种进化和增加外源基因表达等研究提供参考依据和理论基础。【方法】采用高通量测序技术对‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组进行测序,并利用生物信息学分析软件对组装和注释后的叶绿体基因组进行结构、基因组成及密码子偏好性分析。【结果】‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组大小为155296 bp,为经典的4段式结构。大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和反向重复区(IR)长度分别为85737、18373、25593 bp,总鸟嘌呤和胞嘧啶所占的比例(GC比例)为37.88%,共注释出133个基因,包含87个编码区(CDS)基因、37个tRNA基因、8个rRNA基因和1个假基因。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组中共检测到38个简单重复序列位点(SSR位点,36个单碱基重复和2个双碱基重复)和32个长重复序列(16个正向重复和16个回文重复)。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组核苷酸多样性为0-0.13927,高变区主要分布在大单拷贝区和小单拷贝区,大单拷贝区trnL-UAA-trnF-GAA、cemA、rps12-exon1-clpP1、clpP1基因变异率最高,小单拷贝区rpl32-trnL-UAG、ycf1基因变异率最高。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组87个CDS基因的平均有效密码子数(ENC)为47.29,ENC>45的基因有60个,密码子偏性较弱。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子偏好以A、U结尾,使用偏性很大程度上受自然选择的影响,而受突变压力的影响小。CGU、AAA、CUU、GUU、GGA、GUA、GGU、UCA、GCU、CCU为‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组的10个最优密码子。【结论】‘怀玉山’高山马铃薯与马铃薯栽培种S.tuberosum‘Desiree’亲缘关系较近。

主粮化背景下高山马铃薯产业化困境研究——以恩施市为例

主粮化背景下,马铃薯产业化是必然选择。对恩施市高山马铃薯的产业化必要性和优势进行了探析。通过深入分析新形势下高山马铃薯产业化的发展困境,有针对性地提出了恩施市高山马铃薯产业化发展对策。

怀玉山高山马铃薯茎尖再生苗6种病毒的DAS-ELISA检测与分析

对怀玉山高山马铃薯茎尖再生苗6种病毒(马铃薯卷叶病毒、马铃薯Y病毒、马铃薯X病毒、马铃薯S病毒、马铃薯M病毒和马铃薯A病毒)进行了DAS-ELISA检测与分析,并比较不同茎尖脱毒方法的效率,旨在确定怀玉山高山马铃薯的病毒种类,并筛选出怀玉山高山马铃薯脱毒苗。结果表明,怀玉山高山马铃薯感染的病毒包括马铃薯卷叶病毒、马铃薯Y病毒、马铃薯X病毒、马铃薯S病毒、马铃薯M病毒和马铃薯A病毒6种。"单纯的茎尖培养"以及"茎尖培养→热处理→茎尖培养"只能脱除部分病毒,而"茎尖培养→热处理→茎尖培养→热处理→茎尖培养"可脱除全部6种病毒。本试验成功获得了脱毒效果较好的编号为5-1-2和6-4-1以及脱毒效果最好的编号为5-3-2和6-2-2的怀玉山高山马铃薯茎尖再生脱毒苗。本试验结果为怀玉山高山马铃薯脱毒苗的工业化生产及其主粮化背景下高山马铃薯的产业化发展提供了技术支撑和理论依据。

高海拔生境下怀玉山高山马铃薯和怀玉山本土农家薯块茎的转录组分析

为探究高海拔生境下怀玉山高山马铃薯的适应机制,本研究以怀玉山高山马铃薯(麻籽洋芋)和怀玉山本土农家薯的采后块茎为试验材料进行转录组分析。结果表明,怀玉山高山马铃薯上调的差异基因956个,下调的差异基因2 262个,总数为3 218个;怀玉山高山马铃薯和怀玉山本土农家薯与叶绿素结合、光系统Ⅰ、光合作用和光捕获、光系统Ⅱ、血红素结合、氧化还原酶活性等光合系统相关的GO term富集显著;怀玉山高山马铃薯和怀玉山本土农家薯与光合作用-天线蛋白、丙烷合成、光合作用、苯丙氨酸代谢等Pathway也富集显著,说明怀玉山高山马铃薯和怀玉山本土农家薯在怀玉山高海拔生境下主要是涉及到光合作用基因的差异表达。本研究结果为怀玉山高山马铃薯适应高海拔生境相关基因的挖掘与应用提供了一定的理论参考。

高山马铃薯种质资源遗传多样性的同工酶分析

对中国云南德宏和曲靖、湖北恩施、江西怀玉山高山马铃薯种质资源的过氧化物酶(POD)、酯酶(EST)和多酚氧化酶(PPO)同工酶进行了分析研究,以期揭示其遗传多样性。结果表明,云南德宏高山马铃薯、云南曲靖高山马铃薯和湖北恩施高山马铃薯均属于同一类,遗传分化程度较低,而怀玉山高山马铃薯单独成一类;用块茎和叶片做同工酶检测,会造成结果的差异,因而应保证取材的一致性。该实验结果可为进一步开展高山马铃薯品种遗传改良、杂交亲本选配以及高山马铃薯种质资源的利用提供依据。

高山马铃薯脱毒苗DNA甲基化的MSAP分析

为了解脱毒对高山马铃薯试管苗DNA甲基化水平的影响,探究DNA甲基化在高山马铃薯脱毒后的作用,结合毛细管电泳检测技术对怀玉山高山马铃薯脱毒苗的基因组DNA甲基化进行MSAP分析。结果表明,怀玉山高山马铃薯常温继代带毒苗甲基化水平较高,经过玻璃化法超低温保存处理但未能脱毒时其甲基化水平有所下降,但甲基化仍处于较高水平,而常规茎尖培养脱毒和玻璃化法超低温疗法脱毒可明显降低试管苗的甲基化水平,且玻璃化法超低温疗法脱毒苗的甲基化水平更低。在怀玉山高山马铃薯超低温保存(未能脱毒)、茎尖常规培养脱毒和超低温疗法脱毒3个处理方式中,去甲基化模式和甲基化模式并存,但均以去甲基化模式为主要趋势,且在去甲基化模式的强弱依次为超低温疗法脱毒>茎尖常规培养脱毒>超低温保存(未脱毒)。本研究结果为怀玉山高山马铃薯脱毒苗的种质保存和规模化生产提供了一定的理论依据。

怀玉山高山马铃薯脱落酸和环境胁迫诱导蛋白基因的克隆和序列分析

【目的】对怀玉山高山马铃薯脱落酸和环境胁迫诱导蛋白基因进行克隆和序列分析,为揭示怀玉山马铃薯脱落酸和环境胁迫诱导蛋白的生物学功能提供理论依据。【方法】通过怀玉山高山马铃薯试管苗转录组数据库筛选到脱落酸与环境胁迫诱导蛋白基因的核心片段,利用RT-PCR技术克隆怀玉山高山马铃薯脱落酸与环境胁迫诱导蛋白基因,并采用生物信息学方法进行序列分析。【结果】怀玉山高山马铃薯脱落酸与环境胁迫诱导蛋白基因cDNA总长度为423 bp, G+C含量为52.25%;怀玉山高山马铃薯脱落酸与环境胁迫诱导蛋白由140个氨基酸组成,分子量14 534.01Da,等电点7.07,为亲水性蛋白;二级结构由α-螺旋(21.43%)、β-片层(24.29%)、无规则卷曲(54.29%)构成;三级结构为单聚体,主要存在细胞核中。怀玉山高山马铃薯脱落酸与环境胁迫诱导蛋白在进化上与马铃薯(Solanum ltuberosum)和副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)的亲缘关系较近,尤其是与马铃薯(S.ltuberosum)TAS14-like在进化上具有最高的亲缘关系。【结论】怀玉山高山马铃薯脱落酸与环境胁迫诱导蛋白基因具有典型脱落酸与环境胁迫诱导蛋白基因的结构特征,氨基酸序列及核酸序列与同源物种相似度高,在进化上高度保守,对进一步揭示该酶生物学功能具有重要意义。

怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶基因的克隆和分析

【目的】蔗糖合酶是植物蔗糖代谢途径中的关键酶,在植物的生长发育过程中具有重要作用。分析蔗糖合酶的核酸序列信息,预测其蛋白结构与功能,以期揭示该酶生物学功能。【方法】通过怀玉山高山马铃薯(Solanum tuberosum L.cv.Huaiyushan,缩写S.tuberosum L.cv.Huaiyushan)试管苗转录组数据库筛选到蔗糖合酶基因的核心片段(PGSC0003DMG400002895,SuSy 4),利用RT-PCR技术克隆怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶基因,并采用生物信息学方法进行序列分析。【结果】怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶基因cDNA总长度为2418 bp,G+C含量为45.08%;怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶由805个氨基酸组成,分子量92471.33 Da,等电点5.87,为亲水性蛋白;怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶的二级结构包括α-螺旋(45.84%)、β-片层(15.16%)、无规则卷曲(39.01%),C端和N端含β-片层和α-螺旋,而无规则卷曲、延伸链、β-片层和α-螺旋则散布于整个蛋白质中;怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶的三级结构为四聚体;怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶主要存在细胞质、线粒体和叶绿体中;怀玉山高山马铃薯与番茄(Solanum lycopersicum)、潘那利番茄(Solanum pennellii)、智利番茄(Solanum chilense)、马铃薯(Solanum tuberosum)、辣椒(Capsicum annuum)、风铃辣椒(Capsicum baccatum)等6种植物在一个大分支下,这说明怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶基因在进化上与这6种植物的亲缘关系较近,尤其是与马铃薯的进化上具有最高的亲缘关系。【结论】怀玉山高山马铃薯蔗糖合酶基因具有典型蔗糖合酶的结构特征,氨基酸序列及核酸序列与同源物种相似度高,在进化上高度保守,对进一步揭示该酶生物学功能具有重要意义。

怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白基因的克隆和序列分析

【目的】对怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白基因进行克隆和序列分析,为揭示怀玉山马铃薯抗TMV蛋白的生物学功能提供理论依据。【方法】通过怀玉山高山马铃薯试管苗转录组数据库筛选到抗TMV蛋白基因的核心片段,利用RT-PCR技术克隆怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白基因,并采用生物信息学方法进行序列分析。【结果】怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白基因cDNA总长度为4335 bp,G+C含量为38.22%;怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白由1444个氨基酸组成,分子量165229.13 Da,等电点5.78,为亲水性蛋白;二级结构由α-螺旋(43.77%)、β-片层(12.47%)、无规则卷曲(43.77%)构成;高山马铃薯抗TMV蛋白主要存在细胞核中;怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白在进化上与马铃薯、番茄和野生种潘那利番茄的亲缘关系较近,尤其是与Solanum tuberosum(马铃薯)TMV resistance protein N-like isoform X1(类TMV抗性蛋白N亚型X1)和S.tuberosum(马铃薯)TMV resistance protein N-like isoform X2(类TMV抗性蛋白N亚型X2)在进化上具有最高的亲缘关系。【结论】怀玉山高山马铃薯抗TMV蛋白具有典型抗TMV蛋白的结构特征,氨基酸序列及核酸序列与同源物种相似度高,在进化上高度保守,对进一步揭示该蛋白生物学功能具有重要意义。

怀玉山高山马铃薯胁迫相关蛋白基因的克隆和序列分析

为了揭示怀玉山高山马铃薯胁迫相关蛋白的生物学功能,从试管苗转录组数据库中筛选到胁迫相关基因的核心片段,利用RT-PCR技术克隆出怀玉山高山马铃薯的胁迫相关蛋白基因,并采用生物信息学方法进行序列分析.结果表明,怀玉山高山马铃薯胁迫相关蛋白基因的cDNA总长度为681 bp,G+C含量为47.58%;该蛋白由226个氨基酸组成,相对分子质量为24781.71,等电点为9.16,是亲水性蛋白.怀玉山高山马铃薯胁迫相关蛋白的二级结构由α-螺旋(42.48%)、β-片层(15.93%)以及无规则卷曲(41.59%)构成,C端含有无规则卷曲,N端含有β-片层和无规则卷曲,且无规则卷曲、β-片层和α-螺旋散布于整个蛋白质中;三级结构为二聚体.胁迫相关蛋白主要存在于细胞核、叶绿体、细胞质、线粒体和细胞外.怀玉山高山马铃薯胁迫相关蛋白在进化上与Solanum tuberosum(马铃薯)胁迫相关蛋白亲缘关系最近.

怀玉山高山马铃薯及其平原种植退化块茎的转录组分析

为探究怀玉山高山马铃薯平原生境种植出现种性退化导致形态和品质变异的机制,本研究以怀玉山高山马铃薯(麻籽洋芋)正常种及其平原种植退化种的采后块茎为试验材料进行转录组分析.结果表明:怀玉山高山马铃薯正常种及其平原种植退化种块茎差异表达基因数目为3604个,其中上调基因的数目为1331个,下调基因的数目2273个.GO富集分析显示,差异基因主要注释到镉离子响应、根毛伸长、对缺水的反应、病原菌防御反应、盐胁迫反应、脱落酸反应、细胞组分、质膜、细胞内包膜细胞器、叶绿体、高尔基体、光系统Ⅱ、光系统I、蛋白质结合、电子载体活性、血红素结合、叶绿素结合、谷胱甘肽结合等功能.KEGG富集分析显示,差异基因主要注释到苯丙氨酸代谢、植物病原菌相互作用、苯丙素生物合成、谷胱甘肽代谢、半乳糖代谢、光合作用、氮代谢等生物功能.qRT-PCR检测了10个差异基因在怀玉山高山马铃薯正常种及其平原种植退化种块茎的表达量,其变化趋势均与RNA-seq一致.研究结果将为进行怀玉山高山马铃薯平原生境种植出现形态变大、品质下降等现象的基因表达分析提供参考.

高海拔生境下怀玉山高山马铃薯和本土农家薯的全基因组重测序分析

为了探究怀玉山高山马铃薯只限于高海拔生境下的适应机制,本研究以高海拔生境下怀玉山高山马铃薯和怀玉山本土农家薯采后块茎萌发的芽为材料,进行了全基因组重测序分析。结果表明:HAP的总SNP数量为2 835 211,SNP的密度为3.925 212,编码区nsSNP总数为104 456;LAP的总SNP数量为3 968 618,SNP的密度为5.427 855,编码区nsSNP总数为141 060。经CV分析后,LAP和HAP共有319个nsSNP关联了315个基因,其中76个基因具有超过1个的nsSNP。nsSNP的防御反应、蛋白氨基酸磷酸化、蛋白激酶等GOterms显著富集。HAP的总Indel数量为159 797,编码区的Indel数量为1 850;LAP的总Indel数量为154 291,编码区的Indel数量为1 714;两组的总Indel数量远远小于两组的总SNP数。经差异分析后,共有1 629个Indel关联到了726个基因。Indel的防御反应、胁迫应答、细胞凋亡等GOterms显著富集。nsSNP和Indel的GOterms大多与高海拔生境和光合作用相关。nsSNP和Indel分布在端粒附近相对于中心粒具有更高密度的变异。LAP和HAP共获得了1 490个CNV,其中缺失(Deletion)为610个,中性(Neutral)为548个,扩增(Amplification)为332个。本研究结果可为高海拔生境下怀玉山高山马铃薯的SNP和Indel相关标记的开发、优异基因的挖掘提供重要理论依据。

怀玉山高山马铃薯不同脱毒方法效果比较

为了找出怀玉山高山马铃薯一种较好的脱毒方法,本研究对怀玉山高山马铃薯茎尖再生苗(常规茎尖培养,热处理+茎尖培养,茎尖玻璃化法超低温疗法,茎尖包埋玻璃化法超低温疗法以及茎尖小滴玻璃化法超低温疗法)的脱毒效果进行RT-PCR检测和比较。结果表明,对于PVA来说,常规茎尖脱毒效果较差,而包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒效果最好;对于PVM来说,热处理+茎尖脱毒、玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒、包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒以及小滴玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒均可达到较好的效果;对于PVS来说,常规茎尖脱毒、热处理+茎尖脱毒和包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒的效果较好;对于PLRV来说,常规茎尖脱毒和包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒的效果较好;对于PVX来说,热处理+茎尖脱毒、玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒、包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒和小滴玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒均可获得较好的脱毒效果;对于PVY来说,包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒的效果最佳。包埋玻璃化法超低温疗法茎尖脱毒是怀玉山高山马铃薯脱毒较为适宜的脱毒方法。本实验结果可为怀玉山高山马铃薯脱毒苗的培育提供一些技术参考。

怀玉山高山马铃薯正常种及其变种试管苗的转录组分析

为探究怀玉山高山马铃薯平原生境变种的机制,本研究以怀玉山高山马铃薯(麻籽洋芋)正常种(CK组)及其变种(BZ组)的试管苗为试验材料进行转录组分析。结果表明,CK组和BZ组共产生差异表达基因6 917个。GO富集分析显示,差异基因主要注释到光合作用光系统Ⅰ光捕获、光合作用光捕获、蛋白质发色团连锁、酰胺生物合成过程、肽生物合成过程、光系统Ⅰ、细胞质小核糖体亚单位、光系统、大核糖体亚单位、核糖体小亚基、色素结合、叶绿素结合、结构分子活性、核糖体的结构组成、作用于糖基键的水解酶活性等功能。KEGG富集分析显示,差异基因主要注释到光合作用-天线蛋白、核糖体、糖酵解、类固醇生物合成、生物素代谢、果糖和甘露糖代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、苯丙酸生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、光合作用、谷胱甘肽代谢等代谢途径。RT-qPCR检测了10个差异基因在怀玉山高山马铃薯正常种及其变种试管苗的表达量,结果均与RNA-seq一致。本研究结果将为进行怀玉山高山马铃薯平原生境变种过程中基因表达分析提供参考。

高山马铃薯优质高产栽培技术

在各种高新技术不断发展的今天,中国的农业种植技术也迎来了一次又一次的进步与发展,特别是高山地区的相关高产种植技术近几年更是得到了广泛的关注和重视,改变了过去高山地区作物产量低、成活率低等一系列问题。而利用高产栽培技术对高山地区马铃薯进行种植,是一种行之有效的尝试,栽培人员可从科学合理地选择马铃薯品种、合理选择播种栽培的时间、合理施加底肥、田间管理工作等方面分别入手,提升高山马铃薯产量。