作物抗病基因工程研究进展

控制植物病害的关键,取决于对植物与病原菌相互作用的分子机理的了解。将抗病基因、信号传导/调控基因、抗菌蛋白基因等导入拟改良的作物、选育抗病新品系,是当前作物抗病基因工程研究的主要策略。本文介绍利用植物抗病反应中系列重要基因进行作物抗病基因工程的研究进展,讨论了目前作物抗病基因工程中存在的问题及其解决的方法。

水稻种质资源全基因组DNA指纹鉴定方法研究

开展水稻种质资源DNA指纹鉴定可以赋予每份种质统一的身份信息,对于查清我国资源家底、评估资源遗传基础、提高资源利用效率和保护种业知识产权等具有重要意义。本研究利用已完成全基因组DNA重测序的5374份水稻种质资源为材料,通过参考样本资源的选择、高质量SNP位点分析以及最优SNP数量和SNP组合的挑选,建立了2套水稻种质资源全基因组DNA指纹标准。通过主成分分析和系统进化树分析,指纹标准1和2选择的SNP可以代表94,197个高质量群体共有SNP进行群体遗传多样性检测;群体遗传相似度分析验证了指纹标准1和2对于开展水稻种质资源遗传相似性鉴定的有效性。本研究有望为水稻种质资源保护与利用以及种业知识产权保护等提供技术支撑,并为其他作物制定全基因组DNA指纹鉴定标准提供参考。

大豆种子硬实突变体M_(zp661)的鉴定和基因定位

【目的】硬实是种子物理休眠的表现特征,也是大豆驯化的一个重要性状。硬实性虽然有利于种子在不良环境中生存,但是在生产实践中会严重降低大豆出苗率,同时影响产量和加工品质。采用混合群体分离测序(bulked segregant analysis sequencing,BSA-Seq)解析大豆种子硬实性状的遗传基础及候选基因,为大豆硬实的分子机理研究提供理论依据。【方法】经甲基磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate,EMS)诱变大豆中品661种子获得硬实突变体M_(zp661),将其与栽培大豆中黄13(父本)杂交构建重组自交系(recombinant inbred line,RIL)群体,对不同株系的种子进行硬实性、吸水率和种皮解剖结构鉴定。选取RIL群体中硬实型和正常吸胀型2种极端材料分别构建混池,利用BSA-Seq技术检测不同极端材料及亲本基因型,结合欧式距离(euclidean distance,ED)和delta SNP-index、delta InDel-index关联分析方法,开展大豆种子硬实遗传位点的挖掘,进一步利用生物信息学分析、大豆不同组织的转录组数据和基因注释信息挖掘显著关联区域的候选基因。【结果】突变体M_(zp661)后代中,吸胀型种子各部位均具有吸水能力,种子体积随浸水时间延长不断增大,然而,硬实型种子浸水36 h内体积未发生变化,随着浸水时间的持续延长,种皮开始局部出现皱缩,并逐渐向其他部位扩散,子叶恢复吸胀能力。硬实型种子种皮表面光滑且结构紧密、角质层呈规则的网状结构、栅栏层较厚,而吸胀型种子表皮有气孔且结构松散、角质层有微小的裂缝、栅栏层较薄,表明突变体M_(zp661)种子硬实与种皮不透水/气相关;ED和delta SNP-index、delta InDel-index关联分析方法不仅鉴定到已报道种子物理休眠遗传位点qHS1,而且检测到1个一致性关联区域Chr.06:45897227—47746047,该区间共含有189个基因,转录组数据及基因注释挖掘到种子中特异高表达的Glyma.06G275300可能为该关联区域调控大豆种子硬实的关键候选基因。【结论】大豆突变体M_(zp661)种子硬实由种皮不透水/气所致,利用BSA-Seq法鉴定到Glyma.06G275300可能为影响种皮结构的候选基因。

水稻糯性突变体r162的鉴定与基因定位

直链淀粉是影响稻米食味品质和外观品质的重要因素,主要由Waxy(Wx)基因编码的颗粒结合淀粉合酶Ⅰ(granule-bound starch synthaseⅠ, GBSSⅠ)介导合成。本研究从宁粳2号的甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate,EMS)诱变材料中筛选到了一个糯性突变体r162,与野生型相比,其籽粒外观呈不透明的云雾状,种子和糙米的粒长、粒宽以及千粒重显著下降。通过扫描电镜对淀粉形态进行观察,发现突变体的淀粉颗粒上存在孔洞。半薄切片碘染结果表明,突变体r162发育时期胚乳的造粉体排列结构与野生型相似,但碘染后颜色更浅。理化性质分析发现,突变体r162的总淀粉、总蛋白质和总脂肪含量与野生型相比无显著差异,但是表观直链淀粉含量极显著下降、胶稠度极显著增加,糊化特性发生明显改变,并且淀粉的崩解值、回生值、回复值以及米粉在尿素中的膨胀体积均小于野生型。通过基因定位和测序发现,突变基因Wx位于第6号染色体短臂上,Wx基因第7个内含子的第1个碱基(Int7-1)由鸟嘌呤(G)替换为腺嘌呤(A),造成Wx基因的编码区存在10个碱基的缺失,导致其编码的GBSSⅠ蛋白自第256位氨基酸起出现错误翻译,使蛋白质翻译提前终止,因此将该等位变异命名为Wx-r162。进一步通过蛋白质印迹法检测发现,突变体中的GBSSⅠ蛋白水平极显著下降。酶活性测定也证实,突变体r162中GBSSⅠ活性明显降低。综上所述,Wx-r162基因被视为一个新的等位变异,这种突变导致GBSSⅠ活性下降,进而造成突变体r162表观直链淀粉含量降低和籽粒表现出不透明的表型。

小麦抗病基因工程的研究进展

小麦是世界上重要的粮食作物,但是各种病害严重威胁着小麦的产量和品质。分子生物学和植物分子病理学的发展与应用推进了植物抗病基因工程的发展。抗病基因工程与传统育种方法有机结合,是培育小麦高产、稳产、优质新品种的有效途径。本文从植物抗病反应网络上不同基因的作用方式与利用情况等角度,如抗病基因、防卫基因、信号传导基因、病程相关蛋白基因和病毒依赖性修饰基因等方面,介绍了小麦抗病基因工程的研究进展,并指出存在的问题及可能的解决策略。

中国小麦品种对白粉病的抗性反应与抗病基因检测

利用来自不同生态区的8个白粉菌菌株对20世纪80年代以来国家审定(认定)品种、近期参加国家区域试验的品系和核心种质等小麦材料进行抗病性评价,同时利用与Pm4a、Pm8和Pm21基因连锁的分子标记检测了相关抗病基因的存在。在148个国家审定品种中有16.9%的品种能够抗多个菌株,其中大多是近10年选育的品种。不同年代审定的品种中感病品种的频率均超过50%。各个小麦生产区抗病品种的频率高低与该地区白粉病的严重性和育种的关注程度有一定关系。在1160份小麦核心种质中抗E09菌株的地方品种和育成品种的比例只有3.4%和4.2%。西南冬麦区和新疆冬麦区入选的品种抗病频率较高,华南冬麦区、东北春麦区和北方春麦区没有发现抗E09菌株的品种。多菌株鉴定结果表明,263份微核心种质中33.7%的品种表现抗病性,其中大多数品种能够抗1～2个菌株,因此在核心种质的利用中应注意选用抗性强的品种作为轮回亲本,同时有必要构建抗白粉病的应用核心种质,以提高核心种质的利用效果。根据抗病基因分子标记检测结果,我国小麦品种有43.2%含有Pm8基因,该基因在区域试验参试品种中的频率也很高,特别是在黄淮麦区培育的品种中频率仍高达50%;Pm4a和Pm21基因主要出现在长江流域培育的品种中。有些抗性突出的品种可能含有其他抗病基因。

中国作物分子设计育种

分子设计育种通过多种技术的集成与整合,对育种程序中的诸多因素进行模拟、筛选和优化,提出最佳的符合育种目标的基因型以及实现目标基因型的亲本选配和后代选择策略,以提高作物育种中的预见性和育种效率,实现从传统的"经验育种"到定向、高效的"精确育种"的转化。分子设计育种主要包含以下3个步骤:(1)研究目标性状基因以及基因间的相互关系,即找基因(或生产品种的原材料),这一步骤包括构建遗传群体、筛选多态性标记、构建遗传连锁图谱、数量性状表型鉴定和遗传分析等内容;(2)根据不同生态环境条件下的育种目标设计目标基因型,即找目标(或设计品种原型),这一步骤利用已经鉴定出的各种重要育种性状的基因信息,包括基因在染色体上的位置、遗传效应、基因到性状的生化网络和表达途径、基因之间的互作、基因与遗传背景和环境之间的互作等,模拟预测各种可能基因型的表现型,从中选择符合特定育种目标的基因型;(3)选育目标基因型的途径分析,即找途径(或制定生产品种的育种方案)。本文评述近几年来我国在遗传研究材料创新、重要性状遗传分析、育种模拟工具开发和应用、设计育种实践、分子设计育种技术体系建设等方面取得的重要进展,结合国内外研究现状对分子设计育种的未来进行展望,最后指出我国近期应加强育种预测方法和工具、基因和环境互作、遗传交配设计、作物功能基因组学、生物信息学方法和工具、设计育种技术体系和决策支持平台等领域的研究,同时重视人才培养和团队建设。

植物组织培养再生相关基因鉴定、克隆和应用研究进展

离体植物组织体细胞胚胎发生是一个复杂的无性繁殖过程,依次经历外源植物激素信号应答、已分化细胞的脱分化、静止细胞的再分裂以及特定组织、器官原基或分生组织的形成等,是多个基因在外界因素刺激下协调、有序表达和互作的结果,不但受培养基中植物激素和营养成分的影响,也与外植体的生理状态关系密切。本文综述了外源激素和内源激素在植物组织培养中的作用,以及外源激素对内源激素的调节功能;重点介绍了5类与植物体细胞胚胎发生有关的候选基因,包括体细胞胚胎发生相关类受体蛋白激酶、阿拉伯葡聚糖酶、亚硝酸还原酶、生长素结合蛋白和抗氧化酶。再生相关基因的利用不但有助于提高植物组织培养植株再生率和遗传转化率,而且有助于获得安全型转基因植物,在基因工程育种中具有潜在应用前景。不同植物和同种植物不同外植体组织培养中调控体细胞胚胎发生的主效基因可能不同,关键再生相关基因的克隆和功能鉴定是今后需要加强的方向。

数量性状基因定位研究中若干常见问题的分析与解答

QTL作图是基因精细定位、克隆以及有效开展分子育种的基础,在利用QTL作图开展数量性状基因定位研究的过程中经常会碰到一些问题,与统计方法有关的一些问题包括LOD的统计学意义是什么?检测QTL的可信度和LOD临界值的关系是什么?如何评价不同的QTL作图方法?提高QTL检测效率的途径有哪些?与遗传参数估计有关的一些问题包括QTL的贡献率是如何计算出来的?如何确定QTL有利等位基因的来源?选择基因型分析的有效性如何?复合性状是否适宜于QTL作图?与作图群体及遗传图谱有关的一些问题包括QTL作图群体中表型数据是否要求服从正态分布?加密标记是否可以显著提高QTL检测功效?缺失分子标记对QTL作图有什么影响?奇异分离标记对QTL作图有什么影响?文章试图结合笔者多年研究工作对这12个有共性的常见问题做出分析和解答,以供科研工作者参考。

植物基因启动子的克隆及其功能研究进展

启动子在植物基因表达调控过程中起着重要作用。对于植物基因启动子的克隆及其功能研究有助于了解信号传递途径和基因表达调控模式,为植物转基因工程研究提供理论依据。本文综述了植物基因启动子的基本结构、类型、克隆方法及功能研究进展,着重介绍了广泛应用于转基因工程的诱导型启动子及启动子功能分析,展望了今后植物启动子的研究方向。

水稻粒型基因克隆和调控机制研究进展

水稻粒型是影响其产量和品质的重要性状,阐明其遗传调控机理,有助于提高水稻单产和改良品质。水稻粒型性状主要包括粒长、粒宽、粒厚、长/宽比,属于数量性状,受胚、胚乳及母体植株等不同遗传体系的控制。随着水稻功能基因组学和重测序技术的快速发展,目前已经定位超过400个与水稻粒型相关的数量性状位点(QTL),并已克隆了60个水稻粒型基因,涉及植物激素、泛素-蛋白酶体通路、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路、G蛋白信号通路及表观修饰等多个调控通路。本文对水稻粒型基因克隆及其调控机制的研究进展进行了系统总结和梳理,并对这些基因在育种上的利用价值进行了评价。

植物WRKY转录因子家族基因抗病相关功能的研究进展

植物基因组中,数目众多的转录因子参与植物的生长发育、物质代谢、响应生物和/或非生物胁迫等多种生物进程。WRKY基因家族是植物重要的转录因子家族,在抗病信号转导途径中起重要调控作用,因而成为分子植物病理研究领域中的热点。本文综述了WRKY转录因子基因在植物抗病反应中的作用和调节机制的最新研究进展,以期为深入研究WRKY基因家族在植物抗病反应中的作用,阐明植物抗病信号转导途径提供帮助。

水稻抗稻瘟病基因资源与分子育种策略

稻瘟病是水稻主要病害之一,利用抗病品种是防治稻瘟病最经济、有效和安全的措施。近年来,随着植物先天免疫机制、抗病分子生物学以及水稻和稻瘟菌基因组学研究的不断深入,一系列参与病原菌识别和防卫信号传导与应答,以及外源抗菌蛋白、病原菌激发子等抗病相关基因陆续被鉴定和克隆,为提高水稻抗稻瘟病能力提供了一些新的基因资源、育种策略和技术。本文概述了国内外近年来克隆的主要抗稻瘟病基因资源及其在分子育种研究中应用的进展,提出了通过转基因手段整合不同防卫反应关键调控基因的抗稻瘟病聚合育种策略。

贵州少数民族对作物种质资源的利用和保护

"贵州农业生物资源调查"项目属于国家科技基础工作重大专项。贵州属于云贵高原区,地形地貌复杂,气候多样,加之多民族聚集,有"十里不同天,一山不同族"的说法。正因为如此,贵州产生了丰富多样的农业生物资源。然而,世上的事物没有一成不变的,随着社会经济的发展,外来文化的渗透,贵州少数民族传统文化和生活习俗及与之相关的农业生物资源亦逐渐消失。国家为了保护少数民族传统文化和农业生物资源,特设立本调查项目,对贵州省42个县(市)进行了普查,并对其中21个县(市)进行了系统调查。本文仅介绍贵州少数民族对其相关的主要作物种质资源的利用和保护情况,旨在为国家保护少数民族传统文化、制定农业生物资源保护策略和科学研究提供基础数据和依据。

玉米细菌性条斑病非寄主抗性基因Rxo1转化水稻的研究

水稻细菌性条斑病是我国重要的水稻病害之一,但是在水稻种质资源中尚未发现抗细菌性条斑病单个主效基因。利用农杆菌介导的转化系统将从玉米中克隆的细菌性条斑病非寄主抗性基因Rxo1转入我国2个杂交稻恢复系和2个常规水稻品种。转基因植株的PCR和Southern分析结果表明Rxo1基因已整合到受体基因组中,Rxo1基因单拷贝整合的转化体在自交T1代呈现抗感3∶1分离。人工接种实验和病菌的生长曲线表明携带Rxo1的转基因植株对水稻细条病菌可以产生过敏性抗病反应。上述结果为利用非寄主抗性基因防治该病害提供了有用的信息。

植物多基因转化研究进展

随着植物基因工程和分子生物学研究的深入,植物遗传改良手段不断创新。在植物转基因方面,单个目的基因的转化已经不足以满足植物改良的需要,尤其是对一些代谢途径或数量性状的遗传修饰,多基因转化研究应运而生,并迅速发展。以烟草、水稻、玉米等几种高等植物为例,概述了利用农杆菌介导法和基因枪介导法开展多基因转化的进展,以及存在的问题,展望了今后的发展方向,可为小麦等主要农作物多基因转化提供参考,促进转基因作物新品种培育。

TaPIMP1过量表达提高转基因小麦纹枯病抗性的研究

小麦纹枯病是由禾谷丝核菌和立枯丝核菌引起的世界性土传真菌病害,培育并推广小麦纹枯病抗病品种是控制该病害最经济和最有效的途径。本研究采用基因枪法将由Ubiquitin启动子驱动的TaPIMP1基因导入常规小麦品种扬麦158、扬麦12号和Alondra,获得转TaPIMP1基因小麦阳性植株17株;对上述转基因小麦T1和T2代植株进行PCR检测,结果表明转入的TaPIMP1基因能稳定遗传;对15株转基因T2代植株叶片中TaPIMP1的半定量RT-PCR结果显示,14个植株中的表达量均比相应的对照有不同程度的提高,表明转入的TaPIMP1基因能够在转基因小麦植株中表达;对PCR检测阳性的T2代转基因植株纹枯病抗性鉴定结果显示,大部分转基因植株由于TaPIMP1基因的导入和表达,植株的纹枯病抗性得到提高。

防御素的生物学特性及其抗病基因工程

防御素是一种富含半胱氨酸的小分子多肽,对细菌等微生物具有广谱抗性,且作用机制特殊。迄今为止,国内外在防御素方面进行了大量的研究,已经从各类生物体中分离出不同种类的防御素,并在基因工程和医药领域呈现广泛的应用前景。文章对防御素的分类、生物学特性,包括哺乳动物α-、β-、θ-防御素、昆虫以及植物防御素的分子结构及抗菌活性进行了综述,阐述了防御素的膜作用及与细胞内复合物结合的作用机制。总结和归纳了防御素基因的分离、表达研究进展及动、植物防御素基因在抗病基因工程领域的应用,并对防御素在未来的生物制药和植物抗病基因工程方面的应用前景进行了展望。

对早熟、矮杆、小粒大豆基因型MiniMax作为大豆研究模式材料的探讨

MiniMax是从美国引进的一个生育期短、植株矮、籽粒小的大豆遗传资源,具有成为大豆基础研究模式材料的潜力。本文从3个方面对MiniMax的形态特征和生长发育特性进行了系统研究:(1)参照DUS测试指南,观察、记载了该品系的植物学特性;(2)设置短日照(12h)和长日照(16h)两种光周期处理,结合不同播期试验(春播模拟低温、夏播模拟高温),观察不同光、温条件对其生育期、株高、籽粒大小的影响;(3)利用与生育期、株高、籽粒大小等性状相关SSR标记,解析该品系在这些位点的等位变异特点。结果表明,MiniMax在北京夏播自然光照条件下,生育期63.1d,株高39.0cm,百粒重4.6g。不同光、温处理对其籽粒大小影响较小,而对株高和生育期影响较大。MiniMax的光周期敏感度和光温综合敏感度接近于中国北方春大豆早熟品种,而温度敏感度与黄淮夏大豆品种相当。在短日+高温条件下,MiniMax的营养生长期及全生育期短、植株矮、籽粒小,可作为生长周期短、占地面积小的研究材料;而在长日+高温条件下,其生育期长、植株高、占用空间大。在MiniMax中检测到与生育期相关的QTL5个(FT2-1、Podmat13-3、R72-2、R31-3和R71-3),与株高相关的QTL5个(Plht13-3、Plht17-2、Plht13-2、Plht7-2和Plht11-3),与籽粒大小相关的QTL5个(Sdwt6-4、Sdwt7-3、Sdwt10-1、Sdwt12-3和Sdwt13-8)。作者认为,MiniMax籽粒小,在适宜的光温条件下具有生育期较短、株高矮、占用空间小等特点,可作为大豆研究模式材料使用。

安全型转基因植物培育技术研究进展

由于关系到转基因植物的产业化前景,安全型转基因植物培育越来越受到公众的关注。在植物遗传转化体系中,绝大多数选择标记基因来源于细菌,对人类健康和环境安全存在潜在风险,因此无选择标记转基因植物培育受到科研工作者的高度重视。本文综述了安全型转基因植物的培育途径,包括共转化系统、位点特异性重组系统、转座子系统、同源重组系统、不依赖于组织培养的简易转化技术及再生相关基因利用等技术,探讨了各种途径的优缺点,以期推动安全型转基因植物培育和转基因植物产业化进程。