外源基因在转基因油菜染色体上的定位及分析

原位杂交技术 ( in situ hybridization,ISH)是基因定位的主要技术之一。近来 ,随着植物细胞染色体制片技术的发展 ,以及酶联放大检测系统的采用 ,在植物中已有低拷贝和单拷贝甚至小于 1 kb的 DNA序列定位的成功报道 [1 ,2 ]。染色体原位杂交技术不仅可以用于基因的物理作图 ,而且可以用来对转基因植物中的外源基因进行染色体定位 [3 5] 。研究表明 ,外源目的基因在转基因植物中的表达与整合位点有关 [6] 。因而 ,进行外源基因在转基因植物染色体上的定位以及研究外源基因的整合位点与表达之间的关系 ,对于开发和利用转基因植物具有重要…     

荧光原位杂交技术在植物细胞遗传学和绘制基因图谱中的应用现状与展望

荧光原位杂交是在分子水平上检测外源染色质的一种有效方法。其探针主要有染色体重复序列、总基因组DNA、寡单拷贝序列和染色体涂色集中等,该技术在研究植物细胞遗传学、基因扩增、基因作图及植物进化和亲缘关系的鉴定上已广泛应用。简要概述了荧光原位杂交技术在植物细胞遗传学和绘制基因图谱中的应用现状与展望。     

玉米(Zea mays L.)中凋亡相关基因c-myc同源序列的检出及其染色体原位杂交定位

原癌基因c-myc是普遍存在于动物组织中的一个高度保守的细胞凋亡相关基因,决定着多种动物细胞的凋亡。我们首次以人c-myc的基因组DNA为探针,用生物素标记的原位杂交和酶联级联放大检测系统在玉米中检出了c-myc基因的同源序列,并对其进行了染色体物理定位。在第5染色体长臂近末端、第4染色体长臂近着丝粒及第1染色体短臂近着丝粒处检测到杂交信号,信号与着丝粒的百分距离分别为96.21±4.46、24.11±0.47和10.02±1.04,本结果为寻找和研究植物细胞凋亡基因提供了重要线索。     

低拷贝核基因在异源多倍体植物中的进化与表达

异源多倍体植物在自然界中广泛分布。在这类植物谱系中, 低拷贝核基因具有特殊的进化特点和丰富的植物系统发生信息, 在转录水平存在基因沉默、基因激活和不均等表达等特点。以低拷贝核基因为主线, 概述了其在多倍体植物系统发生中的应用和相关注意事项, 并对其在多倍体植物中的表达变化及其分子机制进行了探讨, 系统地介绍了国际上相关领域的研究成果和最新动向。     

玉米与其他六种植物NBS类抗病基因的进化比较分析

具有核苷酸结合位点(nucleotide binding site,NBS)的抗病基因在植物抵抗各种病原菌侵染中起关键作用。对玉米全基因组中具有NBS结构的基因进行鉴定和分析,并结合水稻、高粱、拟南芥、百脉根、苜蓿和杨树的NBS类基因比较其在数量、复制、染色体定位和亲缘关系上的进化差异。发现玉米NBS类基因数量、复制数和成簇基因数均明显少于其他植物。低复制频率可能导致玉米NBS类基因较少,并推测可能导致其功能具有多样性。在基因染色体定位上,除高梁外,玉米与其他五种植物相似,呈不均衡分布。此外,进化树分析表明玉米NBS类基因与高粱的亲缘关系最近,与拟南芥的最远,在物种间表现出较高的保守性。结果对掲示玉米NBS基因的进化特点与发掘有益的NBS类抗病基因提供了重要的理论依据。     

动物细胞凋亡相关基因在植物中的同源笥研究进展

细胞凋亡是由基因调节的主动过程。对动物细胞凋亡相关基因在植物中的同源性的研究发现,dad—1基因的结构和功能在动物和植物中均具有保守性。动物中的其他细胞凋亡相关基因,如ras、myc、Rb、p53、bcl-2 等基因,在植物中均有其同源序列,有的在植物中找到了功能相似的基因。细胞凋亡的调控机制在生物进化过程中,不但具有一定程度的保守性,而且在调控机制上具有多样性。     

动物细胞凋亡相关基因在植物中的同源性研究进展

细胞凋亡是由基因调节的主动过程.对动物细胞凋亡相关基因在植物中的同源性的研究发现,dad-1基因的结构和功能在动物和植物中均具有保守性.动物中的其他细胞凋亡相关基因,如ras、myc、Rb、p53、bcl-2 等基因,在植物中均有其同源序列,有的在植物中找到了功能相似的基因.细胞凋亡的调控机制在生物进化过程中,不但具有一定程度的保守性,而且在调控机制上具有多样性.     

被子植物DNA去甲基化酶基因的进化分析

DNA甲基化模式和水平取决于DNA甲基转移酶和去甲基化酶的作用,而DNA去甲基化酶在DNA主动去甲基化过程中起到关键作用。文章以已知的10个DNA去甲基化酶基因为参照,鉴定出两种单子叶植物(水稻和高粱)、两种双子叶植物(拟南芥和毛果杨)中所有的DNA去甲基化酶同源基因,其中新鉴定出两类DNA去甲基化酶类似基因DML4和DML5。基于保守的糖苷酶结构域序列的系统进化分析以及基因在染色体上的位置分析表明,植物中DNA去甲基化酶基因存在串联复制、染色体区段复制和全基因组复制而导致基因的新功能化和亚功能化。文章还进一步分析了DNA去甲基化酶基因在不同组织中的表达情况,旨在理解DNA去甲基化酶基因的功能与进化的关系,以期为DNA去甲基化酶基因在植物中的利用提供参考。     

全基因组复制事件的绝对定年揭示莲座蕨属植物的迟滞演化

全基因组复制在维管植物的物种形成过程中普遍存在, 被认为是物种适应极端环境的重要机制之一。确定全基因组复制事件的发生时间对理解生物的适应性演化具有重要意义。然而, 在维管植物, 特别是蕨类植物中, 全基因组复制事件的发生时间及其演化意义仍知之甚少。本研究以蕨类植物重要基部类群——福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis)为例, 基于不同采样点(广东、广西、上海)的3个转录组学数据, 利用同义替换率(Ks)和绝对定年的方法分析全基因组复制事件的发生时间和物种单位时间内的分子演化速率, 并对事件发生后保留下的基因进行基因功能注释和富集分析。结果表明, 福建莲座蕨在159‒165 Mya发生了一次全基因组复制事件, 该复制事件优先保留的基因主要与营养代谢、信号传导、适应调节和组织结构生长相关。另外, 福建莲座蕨的分子演化速率为1.66 × 10^‒9 (同义替换/位点/年), 是除裸子植物外, 陆生植物中已知演化速率最缓慢的类群。综合以上研究结果, 我们推测福建莲座蕨全基因组复制的发生可能与裸子植物繁盛、核心被子植物集中兴起或托阿尔阶灭绝事件有关。而复制后显著保留基因可能促进了莲座蕨属(Angiopteris)植物的遗传和形态创新, 从而帮助其快速适应环境的剧烈变化。进一步对该类群植物演化速率缓慢的原因进行讨论, 推测莲座蕨属缓慢的演化速率可能与其本身世代周期长、基因组较大及其生长环境稳定有关。本研究通过分析福建莲座蕨的全基因组复制历史和复制基因的保留模式, 推测全基因组复制事件对促进演化速率较慢的植物适应极端环境变化具有重要意义, 可为理解其他陆生植物的适应性演化提供更多启发。     

植物单倍体

在植物界细胞染色体的数目因种而异。在植物进化过程中,出现多倍化使染色体数增加;也存在一种相反的情况,即染色体倍性逐渐降低,使染色体数目减少。如在被子植物内系统发育较进化的草本植物的染色体基数比较衰老的的木本植物低;种子植物与蕨类相比,前者又少得多。减少多倍性的一个重要途径是成倍地减少细胞中的染色体数目或单倍化。研究单倍性和单倍体在理论上对于种的细胞遗传结构和进化途径的分析,对数量性状遗传学有重要意义。     

Changes in the promoter of a defender against apoptotic cell death gene affect its expression in upland cotton

The DAD1 (defender against apoptotic cell death) gene is a negative regulator of programmed cell death. It plays important roles in plant growth, development, environmental adaptation, and aging. We examined whether and how the expression of DAD1 gene is affected by the promoter changes in the allotetraploid upland cotton (Gossypium hirsutum L.). We compared the expression status of the genes in the leaves of an elite cultivar and a wild variety of G. hirsutum, and cloned and analyzed a 1.3-kb promoter region of the genes in two cotton types. Results revealed that the expression of a subgenomic homoeolog of DAD1 (DAD1 _At ) was significantly upregulated in leaves of the cultivated cotton when compared with that in a wild cotton. In addition, we identified 18 variations, including 14 single nucleotide polymorphisms and four indels between the promoters of the two cotton types. We detected at least 10 of 18 variations in the promoters related to possible cis-regulatory elements. Further transient tobacco assays using heterogeneous DAD1 _At promoter::GUS fusion showed that the activity of the DAD1 _At promoter in the cultivated cotton was stronger than that in the wild cotton, which suggested a dynamic change in the DAD1 _At promoter during genetic divergence of the two cottons. This study provides an example of how gene expression could be affected by specific changes in the gene promoter.     

Utility of Low-Copy Nuclear Gene Sequences in Plant Phylogenetics

Low-copy nuclear genes in plants are a rich source of phylogenetic information. They hold a great potential to improve the robustness of phylogenetic reconstruction at all taxonomic levels, especially where universal markers such as cpDNA and nrDNA are unable to generate strong phylogenetic hypotheses. Low-copy nuclear genes, however, remain underused in plant phylogenetic studies due to practical and theoretical complications in unraveling the evolutionary dynamics of nuclear gene families. The lack of the universal markers or universal PCR primers of low-copy nuclear genes has also hampered their phylogenetic utility. It has recently become clear that low-copy nuclear genes are particularly helpful in resolving close interspecific relationships and in reconstructing allopolyploidization in plants. Gene markers that are widely, if not universally, useful have begun to emerge. Although utilizing low-copy nuclear genes usually requires extra lab work such as designing PCR primers, PCR-cloning, and/or Southern blotting, rapid accumulation of gene sequences in the databases and advances in cloning techniques have continued to make such studies more feasible. With the growing number of theoretical studies devoted to the gene tree and species tree problem, a solid foundation for reconstructing complex plant phylogenies based on multiple gene trees began to build. It is also realized increasingly that fast evolving introns of the low-copy nuclear genes will provide much needed phylogenetic information around the species boundary and allow us to address fundamental questions concerning processes of plant speciation. Phylogenetic and molecular evolutionary analyses of developmentally important genes will add a new dimension to systematic and evolutionary studies of plant diversity.     

Utility of low-copy nuclear gene sequences in plant phylogenetics

Low-copy nuclear genes in plants are a rich source of phylogenetic information. They hold a great potential to improve the robustness of phylogenetic reconstruction at all taxonomic levels, especially where universal markers such as cpDNA and nrDNA are unable to generate strong phylogenetic hypotheses. Low-copy nuclear genes, however, remain underused in plant phylogenetic studies due to practical and theoretical complications in unraveling the evolutionary dynamics of nuclear gene families. The lack of the universal markers or universal PCR primers of low-copy nuclear genes has also hampered their phylogenetic utility. It has recently become clear that low-copy nuclear genes are particularly helpful in resolving close interspecific relationships and in reconstructing allopolyploidization in plants. Gene markers that are widely, if not universally, useful have begun to emerge. Although utilizing low-copy nuclear genes usually requires extra lab work such as designing PCR primers, PCR-cloning, and/or Southern blotting, rapid accumulation of gene sequences in the databases and advances in cloning techniques have continued to make such studies more feasible. With the growing number of theoretical studies devoted to the gene tree and species tree problem, a solid foundation for reconstructing complex plant phylogenies based on multiple gene trees began to build. It is also realized increasingly that fast evolving introns of the low-copy nuclear genes will provide much needed phylogenetic information around the species boundary and allow us to address fundamental questions concerning processes of plant speciation. Phylogenetic and molecular evolutionary analyses of developmentally important genes will add a new dimension to systematic and evolutionary studies of plant diversity.     

十字花科植物PEBP基因家族的分子进化

近年来植物基因组测序物种数量的指数增长, 为我们对植物环境适应性状的遗传和变异的全面理解提供了保障。磷脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidylethanolamine-binding protein, PEBP)在植物的开花转变和株型建立中起着重要作用, 一直是植物生物学研究关注的热点领域之一。然而对该家族并没有利用新近测序的基因组数据进行比较基因组分析, 制约了对其在分子水平上的进化研究。为了确定PEBP基因家族的分子进化机制, 本研究利用生物信息学方法开展了7种十字花科植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、琴叶拟南芥(A. lyrata)、小鼠耳芥(A. pumila)、亚麻荠(Camelina sativa)、甘蓝(Brassica oleracea)、白菜(B. rapa)和油菜(B. napus)的PEBP基因家族成员的全基因组鉴定、结构特征和比较进化分析。从7个物种中共鉴定出91个PEBP基因, 系统进化分析表明它们分属5个亚家族: MFT、FT/TSF、TFL1、CEN和BFT。基因结构分析发现甘蓝、白菜和油菜的CEN基因内含子明显比其余4个物种的内含子长。蛋白结构域分析表明MFT比其他4个亚家族成员少了一个motif 2, TFL1比其他亚家族多了motif 8。选择压力分析发现7个物种PEBP同源基因均受到较强的纯化选择, 其中TFL1亚家族受到的纯化选择最弱。共线性分析表明十字花科植物PEBP基因家族随古代多倍体事件发生不同程度的扩张, TSF在甘蓝、白菜和油菜中丢失。非生物胁迫下, 在拟南芥中过量表达小鼠耳芥的一个MFT基因, 转基因拟南芥种子的萌发率明显低于野生型, 暗示MFT基因在调控种子萌发上的功能保守。本研究为深入研究十字花科植物PEBP基因的进化特征和生物学功能奠定了基础。     

土壤养分对菊科一年生入侵种和本地种繁殖性状的影响

入侵植物繁殖性状的研究可为揭示植物入侵机制提供重要的科学依据。为研究土壤养分对入侵植物和本地植物繁殖性状的影响, 并进一步研究养分添加是否更能促进入侵植物的繁殖能力, 我们设置了低、高两个养分水平, 通过同质园实验比较了不同土壤养分对假臭草(Praxelis clematidea)、胜红蓟(Ageratum conyzoides)、三叶鬼针草(Bidens pilosa) 3种菊科一年生入侵种和夜香牛(Vernonia cinerea)、一点红(Emilia sonchifolia)、墨旱莲(Eclipta prostrata) 3种本地种繁殖性状的影响。研究结果显示, 养分添加提高了6种菊科植物的开花株高、株高、地上生物量、单粒种子重量、总花序数、每花序种子数、总种子数量、总种子重量, 并使开花时间提前、花期延长。养分添加对入侵种的开花株高和单粒种子重量的提高幅度要比本地种更显著。相对于部分本地植物(夜香牛、墨旱莲), 养分添加更能促进部分入侵植物(假臭草、胜红蓟)的繁殖能力。三叶鬼针草和一点红的总种子数量和总种子重量在两种土壤养分水平下均较小。本地种墨旱莲的总种子数量和总种子重量在低养分条件下高于3个入侵种。这些结果表明, 高土壤养分仅能促进部分入侵植物相对于部分本地植物的繁殖能力。     

4种模式植物LRR VIII-2亚家族基因的鉴定和进化历史分析

全基因组重复与串联重复是发生基因重复的重要机制, 也是基因组和遗传系统多样化的重要动力。LRR-RLK编码富含亮氨酸重复的类受体蛋白激酶, 是被子植物进化史上发生大规模扩张而形成的多基因家族。拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtLRR-RLK包含15个亚家族, AtLRR VIII-2是其中发生串联重复比例最高的亚家族。通过分析拟南芥、杨树(Populus trichocarpa)、葡萄(Vitis vinifera)和番木瓜(Carica papaya) 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族基因的扩张及差异保留情况, 结果显示, LRR VIII-2在杨树中的扩张程度最高, 在拟南芥和葡萄中的扩张程度居中, 但在番木瓜中发生丢失。拟南芥、杨树和葡萄LRR VIII-2亚家族具有旁系同源基因对, 但在番木瓜中未发现旁系同源基因。除杨树中的1对旁系同源基因外, 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族的旁系和直系同源基因都受到较强的纯化选择作用。对LRR VIII-2亚家族进化历史的深入分析有助于理解基因重复在植物进化中的作用和意义, 可为预测同源基因功能及解析其它基因家族进化历史提供参考。     

Engineering broad-spectrum disease-resistant rice by editing multiple susceptibility genes

Rice blast and bacterial blight are important diseases of rice (Oryza sativa) caused by the fungus Magnaporthe oryzae and the bacterium Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), respectively. Breeding rice varieties for broad-spectrum resistance is considered the most effective and sustainable approach to controlling both diseases. Although dominant resistance genes have been extensively used in rice breeding and production, generating disease-resistant varieties by altering susceptibility (S) genes that facilitate pathogen compatibility remains unexplored. Here, using CRISPR/Cas9 technology, we generated loss-of-function mutants of the S genes Pi21 and Bsr-d1 and showed that they had increased resistance to M. oryzae. We also generated a knockout mutant of the S gene Xa5 that showed increased resistance to Xoo. Remarkably, a triple mutant of all three S genes had significantly enhanced resistance to both M. oryzae and Xoo. Moreover, the triple mutant was comparable to the wild type in regard to key agronomic traits, including plant height, effective panicle number per plant, grain number per panicle, seed setting rate, and thousand-grain weight. These results demonstrate that the simultaneous editing of multiple S genes is a powerful strategy for generating new rice varieties with broad-spectrum resistance.     

Rpfan37在刺槐共生结瘤过程中的功能探究

目的:研究刺槐中与磷脂酰肌醇转运蛋白有较高同源性的基因Rpfan37的功能,为探究相关基因参与豆科植物与根瘤菌共生结瘤过程提供新的思路。方法:通过前期研究,建立豆科植物刺槐与共生根瘤菌互作的抑制差减杂交反交文库,筛选疑似与共生结瘤相关的基因。利用PCR技术快速克隆经实时荧光定量PCR技术(qRT-PCR)分析基因在不同接菌时间及不同植物组织的表达。构建RNA干扰(RNAi)重组载体,转农杆菌介导转化植物根部,接种根瘤菌后验证该基因在刺槐共生结瘤过程的功能。结果:基因表达分析显示,在接菌与未接菌的刺槐根中,处理后第15天,Rpfan37表达均显著上调,但接菌与未接菌处理对该基因表达无显著影响;在成熟的根瘤中,该基因仅为低水平表达。RNAi转化植株的鲜重、株高、根长及结瘤数较对照组显著降低。在显微镜下观察到RNAi植株根毛发育异常;与对照相比,RNAi转化植株形成的根毛卷曲、根毛侵染线及根瘤原基数目均显著降低。根瘤石蜡切片结果显示RNAi植株根瘤中的侵染细胞与对照相比明显减少,分析豆血红蛋白表达发现,RNAi植株中根瘤发育成熟过程明显受阻。结论:在豆科植物刺槐中发现的相关基因Rpfan37能够参与刺槐共生结瘤过程,为研究磷脂酰肌醇转运蛋白在共生结瘤过程中的作用提供了新的理论基础。     

烟草CONSTANS-like基因家族的鉴定与分析

烟草(Nicotiana tabacum)是基因功能分析的模式植物以及重要的经济作物之一,适宜的生存环境对烟草的生长和繁殖至关重要。COL (CONSTANS-like)基因家族编码蛋白不仅调控植物开花,而且在植物生物/非生物胁迫响应中发挥重要作用。该研究通过鉴定烟草COL基因家族成员,分析其基因结构、进化关系、转录调...