玉米光周期敏感性的遗传特性及相关基因的研究进展

引进来源于多样性中心的热带、亚热带玉米种质是解决我国玉米种质资源狭窄的有效途径。光周期敏感性是热带、亚热带玉米种质在温带地区应用的主要障碍。对光周期敏感性的遗传特点和相关基因的定位及克隆研究方面取得的成果进行了综述,结合模式植物拟南芥和水稻光周期敏感性研究方面的进展,对玉米光周期敏感性研究的发展趋势进行了展望。     

大豆在暗诱导条件下差异表达cDNA文库的构建及分析

大豆属于短日照植物,其生长发育对光周期反应非常敏感,这一特性严重阻碍大豆品种的适应性,是制约大豆单产提高的关键因素.本研究的目的是在细胞分子水平上从基因差异表达的角度研究短日照光周期诱导开花和衰老过程中基因转录物丰度的变化,从而探索大豆叶片感受日长变化诱导开花和衰老的复杂机制.利用抑制性消减杂交技术(Suppression Subtractive Hybridization,SSH)成功构建了短日照诱导的大豆光周期敏感品种‘东农L13‘叶片中差异表达的cDNA消减文库,从文库中一共筛选到738个克隆,通过反向Northern杂交,从中得到148个克隆并测序,它们代表76个不同基因的非重复序列ESTs.利用BLAST在GenBank数据库进行序列相似性比对,功能分析表明这些基因与植物的转录、信号转导和细胞凋亡的调控,解毒和防卫,大分子降解细胞壁修饰的合成代谢等多种植物的生理生化功能相关.本研究为揭示短日照诱导大豆开花和加速衰老的作用机理提供依据.     

玉米光周期敏感性基因ZmDPS10-2启动子结合蛋白筛选研究

以玉米光周期敏感基因ZmDPS10-2的核心启动子(1148 bp)为诱饵,采用酵母单杂交技术,从热带玉米自交系酵母单杂交文库中,筛选到33个与ZmDPS10-2的启动子相互作用的蛋白,并根据基因功能注释,从中选出了4个与光周期响应和逆境响应相关的蛋白PAO4、RPL23A、bZIP60和BAG。通过构建pGADT7载体做进一步回转验证,初步证实他们与候选基因启动子之间存在互作关系。结合启动子功能元件的预测,推测ZmDPS10-2候选基因可能在植物开花、ER胁迫、热胁迫等逆境调控途径中有一定的功能作用。     

葡萄成花分子生物学研究进展

开花是植物从营养生长向生殖生长转变的重要时期,而开花调控成为近年来植物分子生物学研究的热点。拟南芥中存在多条调控开花的信号途径如光周期途径、春化途径、赤霉素途径和自主途径等。目前,在葡萄中已经发现了许多葡萄花发育相关的重要基因,是拟南芥花发育相关基因的同源基因,并且绝大多数基因具有与拟南芥相似的功能。本文综述了开花相关基因在葡萄开花时间、花发育过程以及其他过程中的功能,以期为葡萄成花机制的深入研究提供一些参考。     

玉米和狗尾草光周期敏感性的比较研究

光周期是影响植物生长发育的关键因素之一。玉米和狗尾草都是短日照禾本科植物,且都具有光周期敏感性。对玉米和狗尾草的光周期敏感性比较研究,探索易于研究的狗尾草光周期敏感性机理,借以解析玉米光周期敏感性反应的机理。以玉米自交系CML288、黄早四和狗尾草自交系A10为材料,研究在长日照、短日照和在不同生育时期长短日照相互挪移处理下的光周期反应。结果表明,玉米和狗尾草在长日照条件下都表现出营养生长旺盛和生育期延迟,二者在长日照条件下的光周期敏感阶段都比短日照条件下的光周期敏感阶段长;玉米在进入光周期敏感期之前有一段时间的光周期钝感期,而狗尾草从发芽出苗就直接进入光周期敏感期。两个光周期敏感程度不同的玉米自交系比较,光周期敏感自交系CML288比光周期相对不敏感自交系黄早四的光周期敏感阶段长。     

水稻光周期调控开花的研究进展

水稻抽穗期作为重要的农艺性状,由自身遗传因素和环境因素共同决定,对品种生态适应区域和产量因子均有较大影响。过去的二十年里,从叶片的日长识别到茎尖分生组织的成花激活,水稻光周期诱导抽穗开花分子调控机理已取得较大进展,分离并克隆大量与成花相关的调控基因,并整合到光周期调控分子网络中。当植物处于有利条件时,该网络激活成花调控基因,促进成花素表达,将成花素运输至顶端分生组织,从而驱动分生组织细胞发育,最终成花。本文以拟南芥为对照参考,对水稻光周期调控网络及由低纬度地区向高纬度地区扩展遗传变异进行讨论,以期为生态型品种培育和光周期调控成花分子机理研究提供参考。     

大豆ELF3的生物信息学分析及GmELF3Ld功能初探

ELF3是生物节律钟重要的组成部分,在植物的生长发育中发挥重要作用.大豆是光周期敏感的短日作物,含有5个ELF3同源基因,其中GmELF3a/J是引起大豆绿色革命的明星基因,主要调控大豆童期的发育.为分析其他4个GmELF3同源基因的功能,本研究利用MEGA?X、Multalin SOPMA和ExPASy?Prot P...     

光周期对青饲玉米养分吸收及利用的影响

通过3个对光周期不同敏感型的玉米品种进行光周期试验,研究了光周期对玉米的营养生长及其N、P、K养分吸收及利用率的变化。结果表明,光周期对敏感型青饲玉米品种华农1号的地上部营养生长、根系生长和养分吸收有显著的调控作用,而对相对不敏感型的青饲玉米品种粤农9号的调控作用则不显著。华农1号在长日照条件下根干物重较短日照条件下增幅为390.38 %,光周期相对敏感型品种大暑麦的增幅为119.34 %,粤农9号的增幅为45.47 %;华农1号与粤农9号吸收的N总量分别增加了42.42 %和12.38 %,吸收P总量分别增加了171.76 %和12.23 %,吸收的K总量分别增加了319.27 %和62.42 %。试验结果还表明,随着光照时数的延长,光周期敏感型品种在长日照条件下的N养分利用率提高了,而P、K养分利用率却与光周期敏感特性无显著直接关系。     

2017年中国玉米生物学研究进展

2017年我国玉米基础研究继续保持快速发展态势,在国内外主流学术期刊发表有重要影响的研究成果。2017年,我国科研人员在91个SCI收录期刊发表玉米生物学相关研究论文266篇,其中,在5年平均影响因子超过5.0的期刊发表高水平论文49篇,主要进展集中在基因编辑相关研究、玉米子粒发育遗传调控、玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能研究、玉米抗病基因挖掘及功能分析、玉米重要农艺性状基因/QTLs鉴定和克隆、玉米组学研究和玉米育种技术这7个方面。     

玉米ZmCOL3pro217启动子的克隆及功能分析

ZmCOL3是玉米开花期光周期调控网络中一个重要的功能基因,研究发现自然群体中该基因的启动子存在遗传变异,推测这些变异可能参与玉米开花调控。研究从热带血缘玉米材料CIMBL119中克隆了ZmCOL3启动子,命名为ZmCOL3pro217。序列比对发现,该启动子序列与温带血缘玉米B73序列存在1个217 bp大片段置换。生物信息学分析表明,ZmCOL3pro217含有分生组织特异性、光响应、胁迫响应等多个顺势作用元件,预测ZmCOL3pro217可能具有组织特异性,并通过响应光和胁迫反应参与玉米开花调控。进一步构建ZmCOL3pro217驱动gus报告基因表达载体,转化玉米,实时荧光定量PCR、酶联免疫吸附剂测定、GUS组织化学染色等研究结果发现,转基因植株中ZmCOL3pro217驱动gus基因在根和叶器官中高表达,而在茎、花丝和子粒中几乎不表达,证实ZmCOL3pro217是1个新的组织特异性表达启动子。     

玉米CYP基因家族全基因组鉴定及进化与表达分析

利用NCBI中多物种基因组信息以及多种生物软件或在线工具,对玉米CYP基因进行生物信息学分析。结果表明,共鉴定得到23个玉米CYP基因,这些基因不均衡的分布在玉米1～8号染色体上。亚细胞定位分析表明,23个ZmCYPs定位于细胞的不同部位。多物种CYP蛋白进化树将CYP家族蛋白分为9个分支,玉米与高粱中的CYP蛋白多聚类在一支。基因家族内系统进化树联合基因模式图分析表明,处于同一进化分支上的ZmCYPs基因存在基因结构相似而组织表达模式不一致的现象,说明ZmCYPs基因在玉米中功能既存在保守性也存在分歧。对玉米CYP家族蛋白进行motif分析,结合蛋白多序列比对后发现,只有部分ZmCYPs保留了完整的活性位点。启动子顺式作用元件的分析表明,ZmCYPs可能参与光响应及多种非生物胁迫信号通路。对ZmCYPs进行高光强表达谱分析发现,部分ZmCYPs基因表达在高光强环境下受到诱导,表明部分ZmCYPs可能参与玉米在高光强下的适应过程。     

Contrasting Ppd alleles in wheat: effects on sensitivity to photoperiod in different phases

Photoperiod sensitivity is an important feature of flowering time regulation, which enables wheat plants to adapt to a wide range of environments. Although some work has been done on how time to heading or flowering respond to photoperiod in relation to particular Ppd alleles, there is little evidence on whether these alleles contribute to responses at different phases and to associated yield component generation. The aims of this paper were: (i) to analyse the effects of photoperiod on substitution lines with contrasting Ppd alleles, in terms of duration of particular phases, (ii) to determine if there is any relationship between these alleles and the parameters of photoperiod response (photoperiod sensitivity, optimum photoperiod and basic length of the phase), and (iii) to analyse the effects of different photoperiods applied before and after the onset of terminal spikelet on yield component generation. The effects of length and timing of photoperiod extensions on these traits were analysed under field conditions in Chinese Spring and two substitution lines differing in photoperiod sensitivity.Although time to anthesis was similar in the three genotypes in photoperiods longer than 14.5 h, they did differ in their response to photoperiod in particular phases. Sensitivity to photoperiod for daylengths shorter than 14.5 h was also markedly different. The number of leaves generated was affected by photoperiod, determining the duration of the phase from emergence to floral initiation (EM-FI). The length of the phase from floral initiation to terminal spikelet (FI-TS) was determined by the number of spikelets generated and their rate of initiation, which was also affected by photoperiod. The terminal spikelet to anthesis phase (TS-ANT) was only affected by photoperiod in the most sensitive genotype, in which direct photoperiod effects, other than the effects on leaf number and phyllochron, were evident. There was no apparent relation between photoperiod response parameters such as basic length of the phase (Lb) and optimum photoperiod (Po) and particular Ppd alleles.     

玉米COBRA基因家族分析及重要成员ZmCOBL03基因编辑

利用生物信息学的方法分析玉米COBRA家族10个成员的序列特征、与其他物种的进化关系和组织特异性表达模式。结果表明,10个COBRA家族基因都含有CCVS保守结构域,并且均定位于细胞膜上。系统进化分析结果显示,该家族可以分为2个亚族,每个亚族内的基因具有相似的基因结构和理化性质。以ZmCOBL03为候选基因开展基因编辑,采用双靶标位点的设计思路,利用农杆菌介导的玉米遗传转化技术和CRISPR/Cas9基因编辑技术,成功获得ZmCOBL03基因靶向突变的玉米株系。表型分析证实,ZmCOBL03基因突变后严重影响了玉米的正常发育,表现为植株极端矮化且生殖生长受到抑制,证实ZmCOBL03基因在植物细胞壁纤维素合成中发挥重要作用。     

Physiology and Regulation of Seasonal Nitrogen Cycling in Woody Plants

Summary

Seasonal nitrogen cycling in trees is a mechanism for conserving and reusing nitrogen that may contribute to nitrogen use efficiency. In this review the physiological and molecular regulation of seasonal nitrogen storage is examined. Research using the 32 kDa bark storage protein gene, bspA of poplar (Populus) as a model system has revealed important facets regulating gene expression and subsequent nitrogen storage. Recent progress has demonstrated that bspA expression is a photoperiod response mediated by phytochrome and secondary messengers including Ca²⁺ and protein phosphorylation are involved in signaling pathways. Furthermore, evidence indicates that photoperiod modulated expression likely involves metabolic signaling mediated by glutamine and sucrose. A model is proposed that integrates the various facets of poplar bspa expression.     

利用KASP标记检测青海和西藏小麦品种中光周期基因分布

为了解青海和西藏小麦品种中光周期基因的分布情况,采用KASP标记对青海和西藏249份小麦品种光周期基因 Ppd-D1、 Ppd-B1和 Ppd-A1等位变异组成进行检测。结果显示,在 Ppd-B1位点上,237个品种携带光周期不敏感型等位变异 Ppd-B1a(95.18%),12个品种携带光周期敏感型等位变异 Ppd-B1b(4.82%);在 Ppd-A1位点上,233个品种携带光周期不敏感型等位变异 Ppd-A1a(93.57%),16个品种携带光周期敏感型等位变异 Ppd-A1b(6.43%);在 Ppd-D1位点上,221个品种携带光周期不敏感型等位变异 Ppd-D1a(88.76%),28个品种携带光周期敏感型等位变异 Ppd-D1b(11.24%)。光周期不敏感型等位变异 Ppd-B1a和 Ppd-A1a分别在青海和西藏小麦品种光周期反应中占主导地位。西藏和青海小麦品种中共存在6种等位变异组合类型,其中青海小麦品种中存在5种等位变异组合类型,不存在 Ppd-D1a/Ppd-B1b/Ppd-A1a类型,西藏农家品种中存在4种等位变异组合类型,不存在含光周期敏感型等位变异 Ppd-A1b的类型。等位变异组合 Ppd-D1a/Ppd-B1a/Ppd-A1a在青海和西藏小麦品种中分布最广。     

抑制ZmCol3基因表达调控玉米开花期

采用ZmCol3基因RNAi载体构建、农杆菌介导玉米遗传转化、转基因材料开花期表型鉴定等研究方法,评估抑制ZmCol3基因表达对玉米开花期的影响。转基因玉米基因组PCR结果证实,人工合成RNAi片段已成功整合到玉米基因组中。qRT-PCR结果表明,在不同转基因玉米株系中ZmCol3基因表达受到不同程度的抑制。温室转基因玉米开花期相关性状调查结果表明,抑制ZmCol3表达,可以将玉米抽雄、散粉和吐丝时间提前2~3 d。研究结果证实,ZmCol3具有调控开花期的生物学功能,抑制该基因表达进而缩短玉米开花期可以作为行之有效的方法应用到玉米熟期改良研究中。     

玉米雄性不育突变体ms1153的遗传分析与基因定位

以玉米雄性不育突变体ms1153为材料,通过减数分裂期花粉母细胞染色体观察和不同发育时期花药石蜡切片分析突变体不育表型产生的原因,利用F₁和F₂群体确定突变体MS1153的遗传方式和基因ms1153物理位置。结果表明,与野生型相比,突变体植株在营养生长期无明显差异,在生殖生长阶段花药不能从颖壳外露,成熟花粉粒内无淀粉积累。细胞学分析发现,突变体减数分裂过程正常,但减数分裂后绒毡层降解推迟。遗传分析表明,突变体ms1153的不育性状受1对隐性核基因控制。利用图位克隆的策略将MS1153基因定位于玉米第4染色体分子标记8243与8275之间,物理区间为221.4~226.2 Mb,此区间内没有已克隆雄性育性基因,说明MS1153是一个新的玉米雄性育性基因。