青海省小麦种质材料醇溶蛋白的遗传多样性分析

为了解当前青海省普通小麦种质材料醇溶蛋白的遗传多样性,利用酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)技术对青海省77份普通小麦种质材料进行了醇溶蛋白遗传多样性分析。结果表明,供试材料中共分离出蛋白谱带1 237条,迁移率不同的谱带类型37种,其中迁移率编号为2、19和3号的谱带出现频率最高,分别为98.7%、98.7%和97.4%;3条谱带(15、16和17号)出现频率低于10.5%;其余31条谱带出现频率为19.5%～84.4%。供试材料醇溶蛋白谱带多态性较高,每个材料可电泳分离出11～21条谱带,其中具有14～18条谱带的材料居多。不同材料间的遗传相似系数变化范围为0.55～0.94,说明供试材料具有丰富的遗传多样性。聚类分析将供试材料分成6大类,聚类结果在一定程度上反映了供试材料间的亲缘关系。

蚕豆SSR标记遗传多样性及与淀粉含量的关联分析

淀粉是蚕豆籽粒碳水化合物中含量最丰富的一类。淀粉含量会影响其物理和化学性质,从而影响蚕豆的品质和用途。了解蚕豆品种的遗传多样性,寻找与蚕豆淀粉含量紧密连锁的分子标记,对蚕豆分子标记辅助育种具有重要意义。本研究以260份蚕豆种质为供试材料,测定了2019和2020两年的总淀粉含量、直链淀粉含量和支链淀粉含量。利用具有显著多态性的132对SSR标记对260份蚕豆材料进行遗传多样性分析与群体遗传结构分析,并采用Tassel2.1软件的GLM和MLM两种模型进行标记与淀粉含量的关联分析。结果显示,表型性状的变异系数变幅为13.21%~20.52%,平均值为14.85%,表明供试群体具有一定的表型多样性。132个标记在260份蚕豆材料中共检测到629个多态性位点,各位点的平均等位基因数为4.77个,变异范围为2~11个。多态性信息量(PIC)值在0.0385~0.7772之间,平均为0.4935,PIC值大于平均数的约占50%,表明本研究选用标记基因多样性较高。聚类分析将260份材料划分为3个类群,第Ⅰ类群包括42份材料,第Ⅱ类群包括59份材料,第Ⅲ类群包括159份材料,划分结果体现了蚕豆品种间的亲缘关系。群体遗传结构分析将260份材料划分为2个亚群,表明供试群体结构相对单一,有利于关联分析。基于GLM和MLM模型, 2年均分别检测到8个与总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量极显著(P<0.01)的关联标记,单个标记对表型变异的解释率分别为4.54%~9.04%和2.69%~10.39%。SSR-10927标记与支链淀粉含量在2年和2种模型中均显著(P<0.05)关联,且与总淀粉含量在2019年中的2种模型及2020年的MLM模型中显著(P<0.05)关联,检出率最高。此研究结果为蚕豆分子标记辅助选择育种以及亲本材料选配奠定了理论基础。

青海育成小麦5个主效矮秆基因的分子检测

为系统了解青海小麦矮秆基因的分布特点,并进一步为青海高原小麦的株高育种提供优异种质资源。本研究利用5个矮秆基因的特异性分子标记对82份青海小麦品种资源中的矮秆基因进行了检测,并对不同矮秆基因的降秆效应进行了分析。结果表明:82份青海育成小麦品种中有49份材料至少含有一个矮秆基因,其中Rht-B1b的分布频率最高,约占参试材料的28.0%,其次是分布频率为23.2%的Rht8基因,而矮秆基因Rht-D1b、Rht5以及Rht12的分布频率分别为9.8%、13.4%、9.8%。在49份含有不同种类矮秆基因的材料中,其中16份材料同时含有2种及以上的矮秆基因,即RhtB1b和Rht8、Rht-D1b和Rht8、Rht-B1b和Rht5、Rht-D1b和Rht5、Rht8和Rht5、Rht-B1b和Rht12、Rht5和Rht12,并未发现同时含有矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的品种;2份材料分别含有3种矮秆基因,即Rht-B1b、Rht8、Rht12和Rht-B1b、Rht5、Rht8;其余31份材料仅含有1种矮秆基因。82份青海育成小麦材料中仅含有Rht-B1b的材料11份,平均株高为86.2 cm,其降秆效应为5.7%;只含有Rht-D1b的材料有5份,平均株高为84.9 cm,其降秆效应为7.1%;仅含有Rht8的材料有9份,平均株高为88.6 cm,其降秆效应为3.1%。因此,在青海育成小麦品种中,矮秆基因的降秆效应为Rht-D1b>Rht-B1b>Rht8。

蚕豆农艺性状的SSR标记关联分析

【目的】寻找与蚕豆主要农艺性状紧密连锁的分子标记,挖掘农艺性状的优异等位变异与种质。【方法】以321份蚕豆种质为供试材料,调查其初荚高度、初荚节位、成荚节数、生殖节数、有效籽粒数、有效分枝、有效荚数、单荚粒数、荚长、荚宽、籽粒面积、籽粒厚、籽粒周长、籽粒长、籽粒宽、株高及百粒重。利用具有显著多态性的76对SSR标记进行基因分型,在分析群体结构的基础上,采用Tassel 2.1软件的GLM和MLM两种模型对上述17种农艺性状进行关联分析。【结果】表型性状的变异系数变幅为10.06%~51.64%,平均值为25.07%,表明供试群体具有较为丰富的表型多样性。76个标记在321份蚕豆中共检测到389个多态性位点,各位点的平均等位基因数为5.12个,变异范围为2~11个;多态性信息量(PIC)值为0.1903~0.7766,平均为0.5156,表明所选用的标记多态性较高。利用Structure 2.3.4进行群体遗传结构分析,可将321份供试材料划分为2个亚群,表明该群体结构相对单一,有利于关联分析。基于GLM模型,共检测到11个与12种农艺性状极显著(P<0.01)关联的标记,单个标记对表型变异的解释率为0.0393~0.1101;基于MLM模型,共检测到8个与8种农艺性状极显著(P<0.01)关联的标记,单个标记对表型变异的解释率为0.0291~0.0897。最后,基于MLM模型分析结果中极显著(P<0.01)关联位点各等位变异的表型效应,共发掘出7个分别对成荚节数、单荚粒数、有效荚数、有效籽粒数、株高、籽粒厚、籽粒长和籽粒周长增效潜力最大的优异等位变异,并由此筛选出7份优良种质。【结论】通过关联分析挖掘了多个与蚕豆农艺性状关联的分子标记位以及优异种质,为蚕豆分子标记辅助选择育种以及亲本材料的选配奠定了理论基础。

青海省育成小麦品种Ppo基因的分子检测

为全面了解青海省历年育成小麦品种籽粒中多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase,PPO)活性的高低,本研究以82份青海省育成小麦品种为研究对象,利用PPO18,PPO16和PPO29这三个功能标记检测Ppo基因在Ppo-A1和Ppo-D1位点的等位变异和基因组成。结果表明:在Ppo-A1位点,有44份小麦含Ppo-A1a(高PPO活性)型等位基因,38份小麦含Ppo-A1b(低PPO活性)型等位基因。在Ppo-D1位点,42.7%的小麦含Ppo-D1a(低PPO活性)型等位基因,57.3%的小麦含Ppo-D1b(高PPO活性)型等位基因。在Ppo-A1和Ppo-D1 2个位点共检测到4种类型的组合:Ppo-A1a/Ppo-D1a,Ppo-A1a/Ppo-D1b(双高PPO活性),Ppo-A1b/Ppo-D1b,Ppo-A1b/Ppo-D1a(双低PPO活性),分布频率分别为24.4%,29.3%,28.0%和18.3%。两个基因组合类型中分布频率最低的是Ppo-A1b/Ppo-D1a(双低PPO活性),分布频率最高的是Ppo-A1a/Ppo-D1b(双高PPO活性)。

基于转录组测序数据的青稞WRKY基因家族的生物信息学分析

WRKY是植物中一类重要的转录因子,广泛调控了植物的生长发育和逆境胁迫应答。基于青稞白粉病侵染幼苗的转录组测序数据,本研究鉴定得到41个青稞WRKY转录因子,被划分为3个大组:Ⅰ组(6个)、Ⅱ组(21个)和Ⅲ组(12个)。另外,Hv WRKY40和Hv WRKY41没有分组。青稞WRKY基因进化分析的聚类结果和分组结果一致,进一步支持了我们分组的正确性。包括HvWRKY2、HvWRKY8、HvWRKY13、HvWRKY34和HvWRKY41,以及HvWRKY4、HvWRKY7、HvWRKY20、HvWRKY26和HvWRKY30在内的两组WRKY基因,表现出明显的先升高(36 h和72 h),后降低(168 h)的基因表达趋势。这些WRKY基因很可能参与了调控青稞抗白粉病的分子应答机制。青稞WRKY家族的蛋白相互作用网络中,Hv WRKY3、Hv WRKY8、Hv WRKY9属于网络中的主要中心节点。此外,Hv WRKY3、Hv WRKY8、Hv WRKY9、Hv WRKY30、HvWRKY34、Hv WRKY38、Hv WRKY39彼此之间相互作用,是蛋白互作网络的核心网络。本研究挖掘了青稞的WRKY家族成员,系统分析了家族成员的分组、家族成员的WRKY保守域特点、家族成员之间的进化关系、白粉菌侵染下的基因表达水平和家族成员的蛋白互作网络。本研究可为今后青稞的抗逆研究提供优良的候选WRKY基因。

藜属植物叶绿体基因组结构与系统进化

高等植物的叶绿体基因组主要遗传自母本,具有基因组小、结构简单、序列高度保守等特点.利用系统的生物信息学方法,对4种藜属植物的叶绿体基因组进行编码基因组成、基因组结构、重复序列、变异位点在内的比较基因组学研究,以及基于叶绿体基因组序列的藜亚科植物的系统进化研究.结果表明,4种藜属植物叶绿体基因组平均大小为151936bp,平均GC含量为37.16%,具体基因的拷贝数和总的基因数目差异很小,非常保守.除灰绿藜以外,其余3种藜属植物叶绿体基因组的LSC、SSC和IR区域的边界几乎完全一致,没有表现出明显的扩张与收缩.基因组的重复序列中,相较于SSR,长重复序列片段的比例更高.相比较IR区域,4种藜属植物的LSC和SSC区域之间存在更大的核苷酸位点差异;52-59 kb的基因组区域为4种藜属植物间核苷酸位点变异最大的区段.基于全基因组和LSC+SSC序列,分别构建了包括4种藜属植物在内的藜亚科植物的系统进化树,进化关系完全一致.本研究结果揭示了藜属植物叶绿体基因组的进化特征,可为藜属植物系统进化研究提供优良的候选分子标记.

藜麦Hsf家族的进化与多胁迫条件下的转录应答

Hsf转录因子参与调控植物在生物和非生物胁迫下的防御应答机制.基于系统的生物信息学分析方法,对藜麦Hsf家族成员进行序列特征、进化和多种生物和非生物逆境胁迫下的基因表达水平分析.在藜麦基因组中共鉴定得到31个Hsf转录因子,主要分布在7号染色体.系统进化树将藜麦31个Hsf成员划分到A1-A9、B1-B5和C组中;但藜麦Hsf成员在A6、A8、B5亚组中出现了缺失.藜麦Hsf成员的HR-A/B区域蛋白序列比对结果进一步支持了进化树中藜麦Hsf成员的聚类结果.藜麦Hsf成员蛋白序列中保守区域的分布呈现出组别特异性.A组Hsf成员的蛋白序列包括HSF domain、HR-A/B、NLS、NES和CTAD在内的保守区域;B组和C组的Hsf成员则缺失了CTAD.在干旱、高温、盐、低磷胁迫和GCFSV病毒侵染下,31个藜麦Hsf基因的表达模式被阐明;其中大量Hsf基因的表达水平被显著地诱导表达,推测其参与了藜麦在生物和非生物胁迫下的防御应答反应.本研究结果可为藜麦抗逆品种的遗传育种提供大量优良候选Hsf基因.(图6表1参28)

中华猕猴桃bZIP家族成员的比较基因组学分析

bZIP转录因子调控着植物的生长发育和逆境胁迫应答,是植物中一类重要的转录因子.基于系统的生物信息学方法,鉴定得到79个中华猕猴桃bZIP转录因子,进化分析结果揭示中华猕猴桃bZIP家族成员在J、K、L三个分组中出现了成员的缺失.中华猕猴桃bZIP家族成员的bZIP保守域主要由碱性结构域和亮氨酸拉链结构域组成,其亮氨酸拉链结构域的第4、5肽段的第7位的亮氨酸残基存在一定程度的变异.bZIP保守域之外,在中华猕猴桃的18个bZIP家族成员中,还发现包括bZIP_C保守域在内的8种其他类型的保守域,集中分布在A、C、D和G组bZIP成员中.通过与葡萄和番茄bZIP同源基因的比较,阐明中华猕猴桃基因组的两次三倍倍增是其bZIP基因数目增加的主要原因.中华猕猴桃不同发育时期果实的转录组揭示了参与调控果实成熟的57个bZIP基因的表达水平.本研究阐明了中华猕猴桃bZIP家族成员的进化特征、保守域组成、家族成员数目扩增的主要原因,提供了涉及果实发育的优良候选基因.(图6表2参28)

藜麦及其祖先二倍体NAC基因的进化与胁迫应答

NAC是一类广泛参与调控植物在生物和非生物胁迫下防御应答的转录因子.基于系统的比较基因组学研究方法,对藜麦Chenopodium quinoa的NAC基因进行进化与多个生物和非生物逆境下的应答研究.在藜麦C.quinoa、祖先二倍体Chenopodium pallidicaule和Chenopodium suecicum基因组中分别共鉴定得到106、54和54个NAC基因.染色体定位数据表明藜麦基因组中18个NAC基因涉及串联倍增事件.3个物种NAC基因的系统进化树证明藜麦基因组中存在NAC基因的倍增与丢失.藜麦分别和C.pallidicaule和C.suecicum之间同源基因组模块的对应数目关系进一步证明藜麦保留了相当数量的祖先二倍体NAC基因,是其NAC基因倍增的主要动力.此外,藜麦NAC基因在干旱、高温、盐、低磷胁迫和GCFSV侵染下的表达模式被阐明;大量NAC基因被显著地诱导表达,推测其参与了藜麦在生物和非生物胁迫下的防御应答反应.本研究结果为藜麦的遗传育种提供了优良的候选NAC基因.(图7参26)

低温和常温下萌发的青霉菌孢子比较转录组研究

扩展青霉菌是一种自然界中分布广泛的常见植物病原真菌,其侵染采后果实,造成腐烂和霉变.为了发掘低温和常温下孢子萌发过程中差异的分子机制和参与孢子萌发的重要基因,分别对4℃和25℃下培养的扩展青霉菌孢子进行转录组测序;利用比较转录组分析方法进行基因表达数据的挖掘和比较分析.形态学观察表明,25℃培养8 h后,孢子呈现凸起,开始萌发;12 h后,大部分孢子萌发形成细长菌丝,完成萌发过程.而4℃培养12 h后,孢子的萌发仍然被抑制.对4℃和25℃下分别培养8、12 h的孢子取样,进行转录组测序.差异表达基因的分析表明:4℃和25℃下,不同的细胞生长和分裂相关基因在孢子萌发过程中差异表达;同时挖掘得到608个温度调控孢子萌发的核心基因.此外,萌发过程中,与扩展青霉菌毒力相关的部分过氧化物酶编码基因、效应因子基因和棒曲霉素合成途径基因的表达水平明显响应了温度的变化;参与了不同温度下孢子萌发的调控.效应因子基因PeHsp70_1被鉴定为是一个参与低温调控孢子萌发且涉及多个通路的重要基因;其在4℃下培养的孢子中明显被下调表达,与其他效应因子的蛋白互作网络分析表明其处于网络的核心中央节点.本研究结果可为扩展青霉菌的防治研究提供优良的候选基因.(图9表3参39)