小麦HP基因家族鉴定和分析

组氨酸磷酸转运蛋白HP(histidine phosphotransfer proteins)在植物的生长发育调控及逆境胁迫应答中发挥重要作用。为理解HP基因在小麦基因组中的进化特征和功能,研究通过生物信息学分析鉴定普通小麦的HP基因家族成员,对其理化性质、进化特征、基因结构、顺式作用元件以及在逆境胁迫条件下的表达模式进行了分析。结果表明,在小麦基因组鉴定到31个HP基因,编码蛋白质序列包括116~200个氨基酸。通过和其他植物的HP蛋白比较以及对蛋白结构、基因结构和基序的分析,显示小麦HP家族基因序列具有保守性。顺式作用元件预测表明,HP基因具有光、植物激素、干旱、低温等非生物胁迫响应相关的启动子调控元件。热图分析表明,HP基因在应答非生物胁迫中表达模式存在多样性;qRT-PCR分析表明,TaHP5-6B基因在低磷胁迫下受到强烈的诱导表达。综上所述,小麦全基因组鉴定的HP家族基因是非生物胁迫响应的重要基因资源。

玉米南方锈病菌的超微结构研究

认识玉米南方锈菌的超微结构特征和侵染过程的细胞学特征,可为南方锈菌致病机理和玉米抗锈机制研究提供重要依据。本研究采集玉米品种‘郑丹958’和‘先玉335’自然发病的南方锈病病叶,4%戊二醛固定液抽气固定,采用扫描电镜和透射电镜技术进行观察。结果表明,玉米南方锈病菌的胞间菌丝呈丝状,胞间菌丝和胞内菌丝细胞核在不同感病玉米品种之间具有单核或者双核的差异;胞间菌丝与寄主细胞接触诱导吸器母细胞的分化,吸器母细胞穿透寄主细胞壁在细胞内形成吸器;寄主细胞质膜在吸器的侵入部位内陷,随着吸器的发育,在吸器颈部周围形成胼胝质并将吸器颈部完全包围起来;夏孢子表面具密致、交错排列的刺突,刺突基部外围存在圆形凹陷的脊。本研究揭示了玉米南方锈菌基本超微结构特征和侵染机构(吸器)细胞学特征,并对其在不同品种细胞内的核相进行了分析,为玉米南方锈菌组织病理学研究奠定重要基础。

根际微生物群落介导植物磷胁迫应答与免疫调控的整合机制

植物与土壤微生物的长期互作过程中,逐渐演化形成了植物-微生物相互适应的协同调控机制。植物种类和根系分泌物可以影响根际微生物的群落结构,而根际微生物群落反过来也可以影响植物对土壤环境中生物和非生物胁迫的响应。植物磷饥饿(耐低磷)响应机制和抗病(免疫)机制研究在农业生产上都具有十分重要的意义。近年来的研究表明,植物根际微生物可以介导植物对营养物质识别(饥饿响应)和病原防御系统(免疫)分子机制的整合调控。本文综述了本领域研究的最新进展,详细解析了植物体内磷胁迫调控与免疫调控两个重要网络在根际微生物群落影响下发生的整合调控,探讨了植物体内分子应答与根际生态的互作机制,对开展作物耐低磷及抗病机制的研究和应用都具有重要意义。

利用HMW-GS全缺失突变体快速构建Glu-1位点近等渗入系

小麦高分子量麦谷蛋白亚基(high molecular weight glutenin subunit,HMW-GS)由Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位点中含有的复等位基因编码,评价和优化Glu-1位点组合是认识与改良HMW-GS表达与功能的重要途径。本研究创制了以小偃81为背景的HMW-GS基因完全缺失突变体DLGlu1。将DLGlu1与加拿大优质强筋小麦品种Glenlea杂交,结合后代幼胚培养与分子标记辅助选择技术,在BC3F3种子中快速鉴定出来自Glenlea的Glu-A1a、Glu-B1al和Glu-D1d位点不同组合的7种渗入系材料,可进一步发展成一套完整的Glu-1位点有差异的近等渗入系。本研究表明,DLGlu1可用于Glu-1位点近等渗入系的快速创制,对Glu-1位点功能研究和改良具有重要价值。

转录因子TaMADS2在小麦-叶锈菌互作中的功能研究

为探究转录因子TaMADS2在小麦抗叶锈病中的功能,以TaMADS2基因在亲和/非亲和小麦与叶锈菌互作过程中上调表达,且在非亲和组合中上调表达时期较亲和组合更早为依据,利用BSMV-VIGS技术沉默‘中国春’‘郑麦9023’中TaMADS2基因表达,观察TaMADS2沉默植株的表型以及病程相关基因的转录水平变化。结果表明:在接种叶锈菌后,TaMADS2基因沉默植株较对照相比叶锈菌感染加重,单侵染点处活性氧积累面积减小,菌丝长度增加,发病面积增大,促进了病原菌的生长,减弱了植物的抗性反应;通过qRT-PCR分析发现在叶锈菌侵染早期,病程相关基因TaPR1和TaPR2的表达水平下调。综上,TaMADS2基因可能通过调控抗病相关基因的表达正向调控小麦对叶锈菌的抗性。

玉米南方锈病和普通锈病分子检测技术研究

为建立快速鉴定玉米南方锈病菌和玉米普通锈病菌的分子检测方法,有助于玉米锈病的早期预警和有效防控,利用真菌ITS通用引物分别对采自海南、河南、吉林的玉米锈病菌样品进行了rDNA-ITS区克隆和测序分析(GenBank登录号为:HM452902,HQ154021~HQ154038),并根据其变异区段序列分别设计了病原菌检测特异性引物。结果表明:设计的检测引物具有较高的种特异性和检测灵敏度,在普通PCR体系中可检测到南方锈病菌和普通锈病菌的锈病菌DNA的最低浓度分别为100和1pg/μL。本研究建立的检测体系对2种玉米锈病菌的快速分子鉴定及病害早期预警都具有重要应用价值。

小麦低磷响应基因的筛选与表达分析

利用Affymetrix wheat microarray分析了郑麦9023在低磷和正常磷水培条件下,苗期根部基因在转录水平的差异。结果表明,1)筛选得到1 889个差异表达基因,其中1 298个上调表达,591个下调表达。2)基因功能分析显示,这1 889个基因参与了信号转导、蛋白存储、逆境胁迫、能量代谢、病程相关和其他与植物生长发育有关的过程。3)利用qRT-PCR对其中30个基因的表达情况进行了验证,显示与基因芯片结果基本相同的表达趋势。4)在低磷及磷恢复条件下,对其中5个候选基因(TaSPX3,TaIPS1.3,TaGST_Like,TaPDF19,TaG6PDH1_Like)在不同小麦品种中的表达进行分析,显示这5个基因受到低磷胁迫的强烈诱导,恢复供磷后表达显著回调。但是,这些候选基因在不同品种间横向表达趋势有差别,反应了不同基因型小麦对低磷胁迫的响应机制存在差异。预测这5个候选基因的功能涉及信号转导、氨基酸代谢、糖代谢、抗逆响应等重要的代谢或调控途径,在小麦应对低磷逆境机制中发挥重要作用。

侵染早期小麦叶锈菌相关基因的筛选及表达分析

为挖掘与叶锈菌萌发及早期侵染相关的关键基因,利用PacBio SMRT和Illumina HiSeq测序技术对叶锈菌夏孢子萌发0、2、4、8、12和24h的孢子和芽管进行转录组测序,通过全长转录本基因表达差异分析和生物信息学分析进行候选基因筛选,利用qRT-PCR技术对候选基因在不同毒力菌系与小麦的亲和/非亲和互作中的表达模式进行系统分析。结果表明:1)综合分析筛选出差异显著且功能相关的4个候选基因,其中,PTTG_1050为SNARE蛋白的编码基因,可能参与SNARE介导的囊泡运输;PTTG_4765属于ABC转运蛋白基因家族PDR亚族;PTTG_1823属于PKc_Like超基因家族;PTTG_1279为候选分泌蛋白编码基因。2)4个候选基因在侵染早期受到强烈诱导或抑制,且在亲和互作中表达量高于非亲和互作,说明其在叶锈菌的早期侵染和扩展中发挥了重要作用,可能是早期成功侵染的关键基因。