玉蜀黍属植物叶绿体基因组进化及变异研究

玉蜀黍属(Zea)又名玉米属,包含玉蜀黍(俗称玉米,Z. mays)及其野生种,是全球重要谷物之一,也是基础研究的模式植物。为深入解析该属物种系统发育关系和遗传变异规律,研究利用NCBI已发表的201个玉蜀黍属植物Illumina二代测序数据,通过组装、注释和分析,全面探究玉蜀黍属植物叶绿体基因组。结果表明,玉蜀黍属叶绿体基因组呈典型的环状四分体结构,全长为140 443~141 050 bp,GC含量为38.4%,共有128个基因被注释;密码子偏好性分析发现,玉米与其他物种差异明显,尤其对UUA密码子偏好性最明显;玉米与其他物种重复序列总体上无明显差异,但在简单重复序列类型中,玉米与其他物种区别较大;所有样本在系统发育分析中被分为四组,共鉴定出79个单倍型,同一组样本聚集,主成分分析结果支持不同组的样本可清晰分开;核苷酸多态性分析准确定位了10个高变位点,可作为潜在的DNA条形码。综上,研究揭示了201个玉蜀黍属植物叶绿体基因组之间的遗传变异和系统进化关系,为加速玉米育种进程提供了细胞器遗传基因组的新视角。

基于转录组测序研究绿光影响鹅胚心脏早期发育的候选基因

旨在通过分析鹅胚心脏在绿光光照刺激下的基因表达差异,挖掘心脏发育的候选基因。本研究将512枚鹅种蛋,随机均分在正常黑暗孵化以及补充绿光的两台孵化机中,每台孵化机内放置4层(64枚·层^(-1)),绿光孵化机提供15 min开灯和15 min关灯的间歇光照。在孵化第13、16、20、24、28和30天时,每组随机挑选种蛋8枚,称取胚胎重量,分离胚胎心脏组织并称重;采集孵化第13天的胚胎心脏组织(每组各3),进行转录组测序(RNA-Seq),筛选差异表达基因(DEGs)并进行功能富集分析,鉴定与绿光促进心脏发育相关的候选基因。并通过荧光定量PCR(qRT-PCR方法)验证测序结果的可靠性。结果表明:绿光显著提高16和30胚龄胚重比例(胚胎重/入孵蛋重×100)(P<0.05),以及13和16胚龄心脏指数(心脏重/胚胎重×100)(P<0.05)。心脏转录组测序分析共筛选出1 643个DEGs。随机选择7个DEGs进行RT-qPCR验证,表达趋势与测序结果一致。功能富集分析表明,DEGs主要涉及PI3K-Akt信号通路、AMPK信号通路等通路,最终筛选出GATA4、GATA5、Smad4和GHR这4个候选基因。对它们在不同胚龄阶段心脏组织中的mRNA表达量进行分析,其表达模式进一步表明了其在绿光调控心脏发育过程中的作用。本研究发现,鹅蛋孵化期绿光处理促进了胚胎和心脏发育,进一步通过心脏组织转录组数据分析,鉴定到了4个鹅胚心脏发育候选基因GATA4、GATA5、Smad4和GHR,为鹅胚心脏组织发育的分子调控机制提供了线索,并为绿光应用于鹅种蛋孵化提供了理论基础。

表面增强拉曼散射技术应用于基因分析的研究进展

基因是生物体中传递遗传信息的基本单位,对从分子水平上理解生命现象具有重要意义。近年来针对基因的高效检测及基因相关领域的研究备受关注,基因检测的常用方法是分子生物学方法,主要集中在实验室内开展。相对而言表面增强拉曼散射(SERS)实时表征技术在基因分析中具有很好的应用前景,在基因的检测与鉴别的一些领域逐渐发挥出明显的优势。SERS是一种重要的光谱分析技术,是基于光化学技术的生物活性分子传感器。20世纪70年代,SERS现象的发现给光谱技术的研究注入了新的活力。由于SERS技术不受水分子干扰,因此具有灵敏度高、选择性高、信息量大以及适合水溶液物质研究等优点,能够快速、准确地为生物提供丰富的结构信息,即分子的“指纹”信息。在生命科学领域,SERS技术越来越多地应用于目标样本的原位无损探测。通过对拉曼光谱技术的特点,结合基因的结构特征进行分析,简要介绍了拉曼光谱的原理,围绕SERS散射的原理综述了拉曼光谱信号放大的增强模式和增强介质材料,解决了其含量低检测难、灵敏度低、信号复杂、选择性和特异性差以及信号重现性和稳定性不佳等难点,因此在基因分析领域中得到迅速发展,成为国内外研究的热点,显示出独特的价值和作用;重点阐述了SERS在DNA分子结构、DNA作用机制等方面的探索;并且针对SERS技术结合最新生物技术用于基因分析进行分类综述,讨论了SERS基因分析技术在疾病诊断、病原检测、药物分析、转基因鉴定等方面的最新进展,总结了SERS技术在实际应用中面临的机遇与挑战,简要分析其存在的问题以及在生命科学领域发展的方向和潜力,并对SERS技术广阔的应用前景进行了展望。

畜牧兽医基因组学领域技术空白中外对比研究

[目的 /意义]为了挖掘中国在农业重点领域的技术空白,并预测空白点的未来发展趋势,为科技管理决策者提供有效的科技发展技术机会咨询建议。[方法 /过程]首先,使用关键句嵌入方法和句向量聚类方法,对论文和专利的摘要信息进行挖掘;然后进行主题聚类对比分析,发现技术空白;其次,构建语义相似性网络和分类相似性网络,发现容易与空白点形成交叉融合的主题方向。[结果 /结论]在畜牧兽医领域对基因组学技术进行了实证分析。结果表明,该方法能够发现技术空白,并结合专家分析,可以对畜牧兽医领域基因组学技术进行发展现状解读和未来趋势预测,并为中国畜牧兽医领域基因组学技术智库咨询提供方法和数据支撑。

昆虫水平基因转移及其研究进展

水平基因转移(horizontal gene transfer,HGT)是生物体获得遗传信息的方式之一,对生物体进化起重要作用。近年来,越来越多昆虫中的水平基因转移现象被报道,如在鳞翅目(如家蚕、甜菜夜蛾、小菜蛾、斜纹夜蛾)、半翅目(如柑橘粉蚧、烟粉虱)、鞘翅目(如咖啡果小蠹、米象、光肩星天牛)、膜翅目(如金小蜂)、双翅目(如果蝇、白纹伊蚊)等昆虫中广泛存在水平转移基因,且不同的水平转移基因对昆虫的营养合成与共生、吸收与消化、毒素产生与解毒、生长和发育、体色改变等方面有着重要作用。本文结合国内外专家学者的相关报道,就HGT的研究步骤与技术方法、评判HGT发生的方法、昆虫HGT的供体与功能几个方面进行了总结和讨论,以期更加深入地了解水平基因转移现象,为探究水平基因转移的作用机制、理解昆虫的进化、遗传和行为、并将水平基因转移应用到农业生产中为农业害虫的绿色防治提供更多思路。

二代基因组测序鉴别狮头鹅拷贝数变异及其与体重体尺关联

【背景】许多研究报道拷贝数变异(copy number variation,CNV)是一种长度在50 bp至5 Mb之间的缺失或插入,可以影响基因的表达,从而影响动物的生长发育特征,与畜禽重要经济性状有紧密的关联,是一种重要分子遗传标记之一。狮头鹅是世界体型最大鹅种之一,原产地为广东饶平,为广东卤鹅的原材料。但是,至今还没有关于狮头鹅CNV与体重体尺的全基因组关联研究报道。【目的】通过二代基因组测序数据鉴别狮头鹅的CNV和拷贝数变异区域(copy number variation region,CNVR)在基因组上分布情况,通过CNV与体重体尺性状的关联分析,挖掘显著影响体重体尺的CNV及候选基因,为狮头鹅后续的分子育种研究提供参考。【方法】试验共收集了来自汕头市白沙禽畜原种研究所的111只狮头鹅,其中公鹅20只,母鹅91只。所有鹅均采用统一标准饲养管理。对111只鹅进行体重体尺测定,体尺性状包括体斜长、胸深、胸宽等9个指标。本试验对111只鹅进行体重体尺测定和二代基因组测序(5×)。测序数据利用SOAPnuke进行质控,软件Speedseq中的BWA模块进行序列比对,采用Speedseq中的LUMPY和CNVnator模块检测结构变异(structure variation,SV),从SV中筛选CNV。本试验用软件SVtools对CNV进行基因分型,然后采用单标记混合模型开展分型CNV与体重体尺的关联分析。采用染色体显著性水平(即0.05/染色体CNV数目)作为定义与性状显著关联CNV的阈值,对显著CNV位点及上下游50 kb进行基因注释,找到影响狮头鹅体重体尺关联的候选基因。用R包CNVrd2对物理距离小于1 Mb的染色体水平显著CNV和染色体水平显著SNP做连锁不平衡(linkage disequilibrium,LD)分析。【结果】对于111只狮头鹅,共检测出99158个CNV,其中缺失型94560个,重复型4598个,CNV平均长度11858 bp,大部分(74.06%)CNV长度位于50—1000 bp区间。CNVR共5225个,包括缺失型5029个,重复型110个和混合型86个,CNVR平均长度为7136 bp,大部分(81.03%)CNVR长度位于50—1000 bp区间。功能注释发现46.92%CNVR位于基因间区域,10.30%位于基因上游,9.35%位于基因下游。准确进行基因分型的CNV有6217个,通过10个体重体尺性状与这些CNV关联分析,共检测55个染色体显著性水平的CNV位点,注释到45个候选基因。在45个候选基因中,发现SETD2、UBR7、G2E3等10个基因同时影响两个及两个以上性状。染色体水平显著CNV独立于染色体水平显著SNP影响体重体尺性状(r^(2)<0.02)。【结论】通过二代基因组测序首次报道狮头鹅基因组CNV和CNVR分布及CNV和体重体尺关联的情况。本试验共发现影响体重体尺的45个候选基因,其中11个已被报道与畜禽生长信号通路有关,分别是SETD2、UBR7、ASB1和HDAC4参与肌肉的增殖、分化和代谢;G2E3、P3C2B、NOVA1和PDE1B参与脂肪生成和肥胖;ILKAP与调节生长因子有关;KIF1B参与骨代谢;ZFP37参与糖原代谢。这些为后续狮头鹅生长性能的分子遗传机制解析和分子标记挖掘奠定基础。

氢气在现代农业应用中的研究进展

绿色健康是现代农业的新要求,因此在现代农业生产中需要探索更多绿色健康生产的新技术、新工艺,氢农业便是其中一个重要的发展方向。氢气是一种具有生物学效应的信号分子,在动植物机体内已被证明具有选择性抗氧化、抗炎、抗凋亡等生理作用,其分子作用机制研究已取得一些重要进展。氢生物学作为新兴的交叉学科,前期研究主要集中在氢医学的基础与临床医学领域。而随着基础理论与制氢技术、方法及设备的成熟与普及,氢生物学延伸至农业生产领域并逐步形成氢农学与氢农业,助力农业产业绿色健康发展。在介绍氢气生物学理论假说的基础上,归纳氢气在种子萌发、作物根系发育、作物茎叶花等器官发育等作物生长发育方面和农产品品质与贮藏保鲜方面的研究及应用。总结氢气对作物干旱胁迫、盐胁迫、高低温胁迫、光照胁迫、重金属胁迫等作物适应性方面的研究成果,以及综述富氢水在养鸡生产、养猪生产和水产养殖等畜禽养殖中的研究进展。进一步指出目前氢气在现代农业应用中存在的一些问题和挑战,并结合国家部委发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,对下一步氢气在未来农业中的发展趋势及研究重点进行科学展望,旨在为进一步的氢农业发展理清思路与方向。

我国农业入侵生物科学管控体系形成与发展

生物安全是国家安全的重要组成部分,生物安全研究技术是当前最活跃的技术领域,是推动世界新一轮科技革命和产业变革的重要力量之一,日益成为全球科技竞争的热点领域和各国争相布局的战略制高点。进入21世纪以来,我国农业外来生物入侵等生物安全问题不断凸显,直接影响粮食安全、生态安全乃至社会与国家安全。本文总结了近年来我国在生物入侵防控领域研究的现状和所取得的成就,并结合国际生物入侵研究的发展态势及聚焦我国生物入侵领域技术发展的重大需求,明确我国农业生物入侵防控研究领域的重大科学问题及科技发展方向和重点任务,进而定位我国在全球生物入侵科技创新坐标系中的位置,做好我国在该领域的重大科学工程和战略性科学计划,为我国中长期生物安全科技发展规划和重大任务部署提供重要决策和依据。

茶树基因组与测序技术的研究进展

茶树具有高度杂合、基因组庞大及高度重复等特点,这导致茶树基因组的前期研究进展缓慢。基因组测序技术的迅速发展有力推动茶树基因组的解析与完善。综述了基因组测序技术的发展,将近年来茶树基因组的组装与研究进展按照草图水平、染色体水平和单体型水平进行分类,探讨茶树基因组未来的应用与发展方向,为茶树功能基因组学研究和精确分子育种提供参考。

水稻锌稳态调控基因和分子机制的研究进展

锌(Zn)是动物植物所必需的微量营养素,缺锌或锌过量会严重影响水稻的生长发育。水稻锌含量维持在一定范围有助于提高其产量和品质,并且可以提高籽粒的锌含量,一定程度上可以解决目前人体缺锌的问题。因此研究水稻锌的吸收、转运和分配,和其他调控锌稳态分子机制至关重要。基于近年来国内外研究报道,简要概述了锌在植物体内的重要性,重点介绍了水稻中的离子转运体和目前已经报道的分子机制。总结了这些离子转运体参与了锌从土壤的吸收,从根部向地上部的转运,以及分配到水稻各部位,还总结了一些和离子转运体相关的分子机制。以期为水稻锌稳态调控基因的挖掘、分子机制的研究和富锌水稻种质的创制提供参考。

基于卷积神经网络的入侵昆虫识别研究

现有昆虫相关识别算法识别种类较少,缺少针对数量庞大种类众多的入侵昆虫分类识别算法,难以为入侵昆虫综合系统的识别功能提供稳定高效的技术支持。该研究对31类入侵昆虫图像进行数据采集,并对图像数据进行处理与数据集划分,基于四种卷积神经网络模型DenseNet121、MobileNetV3、ResNet101和ShuffleNet对其进行训练测试分析讨论。结果表明,在入侵昆虫综合识别系统识别功能后台算法应用上,MobileNetV3表现出更好的综合性能。根据MobileNetV3模型现有缺陷和模型特性,对MobileNetV3模型指定瓶颈层的注意力机制和激活函数进行改进,改进后模型的准确率为92.8%,单张测试集图像的平均识别时间0.012 s,相较于原MobileNetV3模型分别提高0.5%、缩短15.2%,可以很好满足多昆虫识别分类需求。

水稻已克隆中胚轴伸长基因效应解析及优异单倍型鉴定

旱直播是未来水稻生产的重要发展方向,在南亚和东南亚籼稻种植区已有较大面积,然而热带和亚热带地区粳稻种植多采用传统育苗移栽。中胚轴长度(Mesocotyl length,ML)是影响水稻旱直播出苗和幼苗活力的重要因素。基于分子标记辅助选择(Molecular marker assisted selection,MAS)育种,培育长中胚轴种质是促进水稻旱直播推广最为经济、高效的方式。迄今,已有4个水稻中胚轴伸长基因报道,即OsGSK2、GY1、OsPAO5和OsSMAX1。笔者选择3K重测序项目中TROP和TEMP粳稻亚群开展分析,测定中胚轴长度并鉴定OsGSK2、GY1、OsPAO5和OsSMAX1基因的优异单倍型。结果表明,TROP和TEMP亚群中胚轴长度呈典型的连续正态分布。OsGSK2、GY1、OsPAO5和OsSMAX1分别包括3、3、3和6种单倍型;同一基因在TROP和TEMP亚群中单倍型分布频率也存在差异。TROP亚群中OsGSK2-Hap1、GY1-Hap2、OsPAO5-Hap3、OsSMAX1-Hap2和OsSMAX1-Hap3为优异单倍型;TEMP亚群优异单倍型为OsGSK2-Hap1、OsPAO5-Hap2和OsSMAX1-Hap2。另外,TROP和TEMP亚群中多数中胚轴优异单倍型材料所对应的苗高要高于非优异单倍型,在破土出苗时易形成生长优势。鉴定到的优异单倍型在TROP和TEMP亚群中均呈现较显著的加性效应,可用于MAS育种。本研究为不同地区直播粳稻的选育提供参考,促进旱直播技术的快速推广。

入侵昆虫基因组研究进展

随着全球贸易的加速发展,入侵物种对农林业、生态环境及人类健康的威胁日益严重。基因组学研究为阐明外来有害生物入侵的分子机制与生态适应性过程以及研发新型防控技术提供了新手段、新平台与大数据。本文综述了入侵昆虫基因组学研究的发展现状,系统总结了基因/基因家族、转座子/重复序列等基因组信息在决定昆虫入侵性中的重要作用,着力探讨了基因组学研究在助力害虫RNAi、昆虫不育技术(SIT)、化学生态防治和物理防治等防控新技术/新产品开发方面的潜力,并展望了基因组学研究应用于入侵昆虫综合防控的前景。

家禽基因编辑相关技术研究进展及应用

家禽产业作为我国农业经济的重要支柱之一,其持续稳定的发展对保障我国经济稳定和满足日益增长的肉类需求具有重要意义。基因编辑技术自首次出现以来就备受关注,被广泛应用到了生命科学研究和畜禽育种中,是推动畜禽种业发展转型的重要生物育种技术之一。该文就基因编辑技术自身的发展及其在家禽中应用与发展作出综述,深入讨论基因编辑技术在家禽抗病育种中的应用前景,为后续相关研究与行业发展提供参考。

发酵构树的营养价值及其在动物生产中的应用研究进展

构树是雌雄异株的落叶乔木,是优质的非常规饲料原料,发酵后营养价值提高,对于动物养殖生产有重要意义。文章综述了构树营养价值、发酵方式、发酵微生物菌种的选择及营养成分的变化、发酵添加剂的使用及发酵构树在动物生产中的应用,旨在为构树作为非常规饲料资源的推广示范提供一定的理论支持。

马铃薯StSuSy4基因转录调控因子的筛选及互作验证

【目的】探究马铃薯块茎高表达基因StSuSy4的转录调控机制。【方法】克隆StSuSy4的启动子,构建pAbAi-StSuSy4pro诱饵载体,并将其转化至酵母细胞Y1HGold中,获得诱饵酵母菌株;利用诱饵载体筛选马铃薯幼嫩块茎组织酵母文库,并对转录因子进行组织表达模式分析。【结果】经酵母单杂交筛选,获得1个候选转录因子StBBX25,该基因的开放阅读框为774 bp,编码258个氨基酸。生物信息分析显示:StBBX25的N端含有B-box蛋白的特征结构域B-box1。候选转录因子与启动子点对点的酵母单杂交验证结果显示:在200 ng/mL金担子素条件下,pGADT7-AD空载对照组酵母不能正常生长,而pGADT7-StBBX25试验组能正常生长,表明StBBX25与StSuSy4基因启动子存在互作。组织表达模式分析显示:StBBX25和StSuSy4均为在马铃薯块茎中表达较高的基因。【结论】StBBX25与StSuSy4启动子互作,暗示StBBX25可能在马铃薯叶片和块茎淀粉合成以及产量形成中发挥作用。研究结果为深入理解马铃薯淀粉合成调控网络提供了重要的理论依据。

黄颡鱼硒蛋白基因的克隆与分析

为探讨黄颡鱼硒蛋白selenow2a、selenop2和selenot2基因之间的关系,采用3′/5′RACE PCR克隆得到3个基因的cDNA全长,分别为891、1998和1432bp,其中ORF长度分别为288、828和600bp,编码95、275和219个氨基酸。在线工具SECISerach3对3个基因的cDNA序列分析结果显示,它们都含有可以编码硒代半胱氨酸的终止密码子,以及在3′非编码区存在SECIS元件。通过氨基酸序列比对和系统发育树分析,发现sele-now2a、selenop2和selenot2基因预测得到的氨基酸序列与斑马鱼(Danio rerio)氨基酸相似性分别为82.24%、66.19%和79.45%,而与斑点叉尾鮰(Ictalurus punetaus)的氨基酸相似性分别为94.74%、68.50%和90.95%,在发育树上则显示为树杈相接近。采用实时荧光定量PCR检测3个硒蛋白基因的mRNA在黄颡鱼心脏、肝脏、肌肉、脑、肠、脾脏、精巢和卵巢组织中的表达,结果显示其mRNA表达水平呈现组织特异性。表明3个基因拥有硒蛋白家族的特征,但在组织表达上具有特异性。

水稻耐盐生理及分子机制研究进展

随着全球气候变化和土地盐碱化问题的加剧,提高水稻(Oryza sativa L.)在盐碱地环境下的生长能力成为了农业生产的一个关键挑战。“以种适地”策略的实现需要深入理解水稻的耐盐机制,并在此基础上进行育种改良。本研究总结了近年来关于水稻耐盐调控基因的研究成果,并依据其参与的生物学过程进行了功能性分类。详细分析了水稻对盐胁迫的感知、以及随后激活的多种生理调节机制,包括渗透调节、离子稳态、抗氧化防御系统和养分平衡等。重点讨论了水稻中几个关键的盐胁迫信号途径,包括SOS(Salt Overly Sensitive)途径、MAPK(Mitogen-Activated Protein Kinase)级联途径以及激素调节途径,这些途径在水稻适应盐胁迫环境中起着至关重要的作用。通过综述现有文献资料,本文旨在提供一个全面的水稻耐盐性调控基因及其功能的概览,为水稻耐盐育种工作提供科学依据,同时为提高水稻在盐碱地环境下的产量和质量提供参考。

植物基因组组装技术研究进展

获得包含基因组全序列的参考基因组是对物种进行基因组学研究和利用的前提。大多数被子植物经历过全基因组复制或多倍化以及随后的染色体重排、丢失,很多植物还经历过重复序列大规模扩张,导致了基因组大小的剧烈膨胀,这些事件塑造了植物基因组复杂的特征和广泛的多样性,也在一定程度上导致了植物基因组组装的诸多难题。本文将植物基因组按照简单、高杂合、高重复、高倍性基因组和泛基因组进行分类,介绍不同类型的基因组适用的组装策略及应用效果,并对新测序技术在组装中的应用趋势进行展望。

基于Faster R-CNN的蔗田杂草检测算法研究

为提高自然环境下蔗田杂草检测准确率,提出一种基于改进的Faster R-CNN的蔗田杂草检测算法。在特征提取阶段使用BFP模块均衡各级语义特征来加强对杂草图像深层特征的提取;采用DLA策略动态调整网络的标签预测阈值,解决训练前期正样本稀缺问题;使用Soft-NMS对模型进行优化,通过改进原模型的NMS减少单类目标漏检并提高目标定位精度。试验结果表明,优化后算法的mAP值达81.3%,与原Faster R-CNN算法相比,精度提升6.2%,平均每幅图像测试耗时0.132 s,且在AP 50、AP s、AP l指标上分别有6.5%、4.7%、5.1%的提高。改进后的算法具有较高的检测精度和稳定性,可以满足复杂自然环境下的蔗田杂草检测需求。