普通小麦不同优势杂交种及其亲本苗期根系基因的差异表达

为探讨小麦 (TriticumaestivumL .)杂种优势形成的分子机理 ,选用普通小麦品种 (系 ) 3338、6 5 5 4和 2 410TD及其强优势杂种A(3338× 6 6 5 4)和无优势杂种B(2 410TD× 6 5 5 4) ,采用mRNA差异显示技术 ,对生长至三叶一心的根系 (初生根 )基因表达差异进行了比较研究。结果发现 ,小麦杂种一代苗期根系基因表达较亲本明显不同 ,表现为数量水平和质量水平上的差异 ,且差异表达基因的数目远高于我们以苗期叶片为材料的研究结果 ,表明小麦杂交种与其亲本间的基因差异表达与所研究的组织和器官有关。比较分析发现 ,在强优势杂种组合A中 ,超亲表达和偏高亲表达基因所占比例均明显高于无优势杂种组合B。以家族特异基因替代随机引物进行的差异显示结果表明 ,MADS_box家族基因在小麦杂交种和亲本苗期根系中存在着显著的表达差异 ,且差异表达类型以杂种特异表达和亲本基因在杂种一代沉默为主 ,说明MADS_box家族基因可能与小麦的杂种优势形成具有重要关系。对杂种和亲本基因表达差异与杂种优势的关系进行了分析和讨论     

小麦杂种及其亲本苗期叶片家族基因差异表达及其与杂种优势关系的初步研究

为探讨小麦杂种优势形成的分子机理,以一套双列杂交组合的苗期叶片为材料,利用mRNA差异显示技术分析了杂种及其亲本间MADS－box、G－ box、Ser/Thr蛋白激酶、EIF－4A、ARF1基因家族共5类家族基因在杂交种和亲本之间的表达差异。并与杂种性状表现和杂种优势进行了相关分析。结果发现,除ARF1家族基因外,其余家族基因在杂种和亲本间存在显著的表达差异,差异表达类型可概括为4种：（1）双亲共沉默;（20单亲表达沉默;（3）杂种特异表达;（4）单亲表达一致。分析发现,MADS－box、G－box和EIF－4A家族基因在杂种和亲本间的差异表达模式相似,均以单亲特异表达和种特异表达类型所占比例最高。相关分析结果表明,以上所有家族基因的总体差异表达程度与所有性状的杂种表现均不相关,MADS－box家族基因中杂种特异表达类型与小穗数、单株产量和单穗产量杂种优势呈显著正相关,双亲共沉默类型与小穗数、千粒重和单穗产量杂种优势呈显著负相关,另外,EIF－4A家族基因中单亲表达一致型与单穗产量杂种优势呈显著正相,但双亲共沉默类型与小穗数和单穗产量杂种优势呈显著负相关,对于G－box基因家族而言,仅小穗数杂种优势和双亲共沉默类型成显著负相关,而蛋白激酶家族基因的各种差异类型与性状杂种优势的相关分析均不显著。这些研究表明,调控基因的差异表达与杂种优势形成有密切关系。     

小麦杂交种与亲本发育早期种子的基因表达差异及其与杂种优势关系的初步研究

为深入探讨小麦杂种优势形成的分子机理,选取3个冬小麦品种(系)为一组亲本,3个为另一组亲本,配制了正反交18个杂交组合,以授粉后6d的杂交和自交种子为材料,应用mRNA差异显示技术(DDRT—PCR)研究了小麦杂交当代种子与其亲本自交种子基因的表达差异,并与杂种优势进行相关分析。为降低DDRT—PCR技术假阳性的不利影响,对每个引物组合均作了两次PCR扩增,在处理数据时,仅统计能重复出现的条带。结果发现：杂交种和亲本之间的基因表达模式有8类共15种：(1)单亲沉默型(2种),(2)单亲一致型(2种),(3)正交或反交沉默型(2种),(4)正交或反交特异型(2种),(5)正交或反交单亲一致型(4种),(6)杂交种特异型(1种),(7)双亲共沉默型(1种),(8)表达一致型(1种)。分析发现,小麦杂交种和亲本间存在显著的表达差异。在差异表达类型中,杂交种特异型和双亲共沉默型比例最低。对上述15种表达模式与杂种优势进行相关分析,结果表明,表达一致型与各产量性状杂种优势之间的相关均不显著,说明杂种优势是由某些有表达差异的基因造成。9个产量性状均能检测到一种以上与其显著或极显著相关的基因表达模式,有些性状受正负相关效应的共同影响;沉默型(包括单亲沉默型、正交或反交沉默型和双亲共沉默型)和正交或反交单亲一致型在杂种优势形成中发挥重要作用。这些研究表明,在种子发育早期,基因的差异表达与杂种优势形成之间可能存在较为复杂的关系。     

玉米雌穗发育期基因差异表达与杂种优势的研究

杂种优势在提高粮食作物特别是玉米的产量方面具有重要的作用。然而,杂种优势的原理却仍然是一个世界性的难题。用12个玉米自交系及其按不完全双列杂交组配的33个杂交种为材料,分4个不同发育时期取杂交种及其亲本的雌穗组织,利用差异显示技术,分析杂种与亲本的基因差异表达类型及其与7个主要农艺性状的杂种表现和杂种优势的相关关系。发现1):在5种表达类型中单态表达(基因在杂交种和双亲中同时表达的类型)的数量最大,这说明杂种优势的形成不仅与基因的表达与否相关,还与大量基因的上调或下调表达相关;2):在玉米雌幼穗的发育初期杂交种与双亲的基因表达差异最大,这可能与雌穗发育初期器官的形成和发育相关,因此这一时期差异表达(在质的方面)的基因对产量性状和杂种优势的形成具有密切关系;3):综合各种基因表达类型与产量性状和杂种优势的关系,发现某些基因在杂种中的沉默表达可以促进籽粒的发育和抑制幼穗中小花的发育。     

玉米杂种与亲本穗分化期功能叶基因差异表达与杂种优势

为探讨玉米杂种优势的分子机理,以10个玉米自交系及其组配的38个杂交种为材料,利用cDNA-AFLP技术,分析杂种与亲本在玉米雌穗小穗分化期功能叶片的基因差异表达类型与主要农艺性状的杂种表现及杂种优势的关系。研究表明：（1）杂种的基因相对于其双亲,存在质和量的表达差异,其中质的差异表达类型包括：单亲沉默表达,双亲沉默表达,亲本显性表达和杂种特异表达等类型。（2）在雌穗小穗分化期,同一差异表达类型中不同杂交组合间差异很大;从总体平均看,杂种特异表达类型占25.22%,亲本显性表达类型占21.46%,双亲沉默表达类型占8.27%,单亲沉默表达类型占33.49%。（3）单亲沉默表达与株高的杂种表现呈显著正相关;双亲沉默表达与穗粗的杂种优势呈显著负相关,显性表达与行粒数和单株粒重的杂种优势呈显著负相关,其余表达类型与所有农艺性状杂种表现及杂种优势均不相关,并对结果进行了讨论。     

基因差异表达与杂种优势形成机制探讨

对杂种优势这一普遍而重要的生物学现象研究虽有百余年的历史, 但其根本机理尚未阐述清楚。继基因组组成差异及基因效应研究之后, 基因表达差异成为探寻杂种优势分子机理新的切入点。旨在通过揭示杂种中等位基因差异表达、杂种与亲本间基因差异表达的调控机制, 来认识杂种优势形成的分子机理, 从而达到指导育种实践的目的。文章概述了杂种等位基因差异表达现象及其产生机理, 总结了杂种与亲本相比所呈现出的加性、显性和超显性等多种差异基因表达模式, 归纳了表达谱研究筛选出的与杂种优势形成有关的基因, 以及某些关键生化代谢途径对杂种优势形成的贡献。但由于杂种优势机理的复杂性, 基因表达研究并没有得出统一的表达模式, 大多数杂种优势基因也不能被归属为同一类别。尽管如此, 基因表达谱研究毕竟迈出了解析杂种优势形成复杂基因表达网络的第一步, 随着表达谱技术和生物信息学的不断更新和发展, 杂种优势形成的分子机理有望在基因表达层面上取得突破。     

水稻杂种一代与亲本幼苗基因表达差异的分析

杂种优势是一种普遍存在的生物学现象,其形成的原因十分复杂。本世纪初,Bruce和Shull相继提出的杂种优势形成的显性互补假设和超亲优势假设至今仍作为一种理论模型而缺乏实验证实。水稻杂种优势的利用自70年代三系配套技术建立得到了广泛的应用,但水稻杂种优势形成的遗传学基础目前还知之甚少。在水稻杂种优势形成机理研究中,分别从生理生化代谢、同工酶分析、DNA限制性片段多态性和DNA含量差异进行了分析,但杂种优势形成的分子机理仍未得到阐明。杂种优势的形成是与异质化相关的过程,它涉及到两个遗传背景不同的体系的相互作用。因此,在相互作用过程中,亲本基因的表达与调控就决定了杂种一代的基因表达类型和特性。因此,我们从分析基因表达与调控入手,运用mRNA差异展示技术分析了玉米杂种一代与亲本基因表达的差异,揭示了不少有意义的现象。本研究以水稻籼型杂交组合(汕优63:珍汕97A×明恢63)为材料,探讨水稻杂种一代与亲本基因表达的差异,揭示了杂种优势形成过程中的一些重要现象。     

小麦ARF基因家族生物信息学分析及在干旱胁迫下的表达特性研究

植物生长素响应因子ARF(auxin response factor)参与调节了植物的向性运动、顶端优势、微观的分化、侧根和茎的形态发生等众多生理反应,在植物生长发育的整个过程都起到重要调控作用。本研究通过对小麦最新基因组数据进行分析,获得了61个ARF家族基因,命名为TaARFs,根据染色体编号排列为TaARF1~TaARF61,对61个TaARFs基因进行系统生物信息学分析后发现ARF家族基因结构较为复杂,外显子数量从1个到15个变化不等,除了4号染色体和5A和5B染色体之外,其余的染色体均有ARF家族基因分布。ARF家族基因大多包含B3 DNA结构域、ARF结构域(Auxin-resp)和Aux/IAA结构域;同源进化分析表明,小麦ARF家族基因的旁系同源基因数量明显多于大麦和二穗短柄草。通过拟南芥数据库比对获得14个高同源的根系发育相关的小麦ARF家族基因,利用二系杂交小麦京麦6号及父母本根系为试材进行干旱胁迫处理及实时荧光定量PCR(qPCR)筛选。结果表明,7个小麦ARF基因不同程度受到干旱胁迫诱导,其在旱胁迫下的表达量显著高于正常条件下的表达量,可能参与干旱胁迫应答;此外本研究还发现,ARF基因在F1杂交种中表达量显著高于双亲,表现出超亲表达模式,可能参与了根系抗旱杂种优势基因表达调控网络。     

根据杂种优势值划分粳型水稻杂种优势生态型

利用9个不同生态类型的50份水稻亲本材料,以生态型为单位进行双列杂交,配制杂交组合.研究杂种一代的对照优势和超亲优势.以杂种优势值作为划分优势生态型的依据.结果表明:西北粳、台湾粳、日本粳和韩国稻为优势生态类型.根据各生态型间的杂种优势值可以推测台湾粳、日本粳和韩国粳具有穗数上的优势基因,西北粳具有粒数上的优势基因,非洲IRAT粳具有粒重上的优势基因.最佳优势组配模式为韩国粳×日本粳、西北粳×美国粳和台湾粳×日本粳.杂种优势与亲本形态指数差异的相关分析表明,各生态型间形态指数差异与其F1杂种优势相关不显著.表明依据亲本形态差异不能预测杂种优势.     

甘蓝型油菜杂种优势和优势早期预测的初步研究

对甘蓝型油菜8个品种间杂种和11个不育系的杂种的杂种优势效果和有关生理特性以及杂种优势早期预测等问题进行了初步研究,结果表明:1.甘蓝型油菜杂种优势明显,所观察的6个性状,以及亩产量和含油量均表现超亲优势,特别是一次分枝数,单株角果数和亩产量优势最强。2.在对杂种和亲本气孔频率、分布和大小的研究中,发现杂种角果气孔数普遍比亲本多,而且变异范围小。杂种在花期叶面积大,叶绿素含量高,光合作用强度大,根系活力强。3.采用酵母法预测甘蓝型油菜杂种优势,准确率达66.7％。     

Cis-transcriptional variation in maize inbred lines B73 and Mo17 leads to additive expression patterns in the F1 hybrid

Microarray analysis of gene expression patterns in immature ear, seedling, and embryo tissues from the maize inbred lines B73 and Mo17 identified numerous genes with variable expression. Some genes had detectable expression in only one of the two inbreds; most of these genes were detected in the genomic DNA of both inbreds, indicating that the expression differences are likely caused by differential regulation rather than by differences in gene content. Gene expression was also monitored in the reciprocal F1 hybrids B73xMo17 and Mo17xB73. The reciprocal F1 hybrid lines did not display parental effects on gene expression levels. Approximately 80% of the differentially expressed genes displayed additive expression patterns in the hybrids relative to the inbred parents. The approximately 20% of genes that display nonadditive expression patterns tend to be expressed at levels within the parental range, with minimal evidence for novel expression levels greater than the high parent or less than the low parent. Analysis of allele-specific expression patterns in the hybrid suggested that intraspecific variation in gene expression levels is largely attributable to cis-regulatory variation in maize. Collectively, our data suggest that allelic cis-regulatory variation between B73 and Mo17 dictates maintenance of inbred allelic expression levels in the F1 hybrid, resulting in additive expression patterns.     

Early changes of gene activity in developing seedlings of Arabidopsis hybrids relative to parents may contribute to hybrid vigour

Hybrid vigour (heterosis) has been used for decades in crop industries, especially in the production of maize and rice. Hybrid varieties usually exceed their parents in plant biomass and seed yield. But the molecular basis of hybrid vigour is not fully understood. In this project, we studied heterosis at early stages of seedling development in Arabidopsis hybrids derived from crossing Ler and C24 accessions. We found that early heterosis is associated with non‐additive gene expression that resulted from earlier changes in gene expression in the hybrids relative to the parents. The non‐additively expressed genes are involved in metabolic pathways, including photosynthesis, critical for plant growth. The early increased expression levels of genes involved in energy production in hybrids is associated with heterosis in the young seedlings that could be essential for biomass heterosis at later developmental stages of the plant.     

Heterosis in root development and differential gene expression between hybrids and their parental inbreds in wheat (Triticum aestivum L.)

In spite of commercial use of heterosis in agriculture, the molecular basis of heterosis is poorly understood. In this study, heterosis was estimated for eight root traits in 20 wheat hybrids derived from a NC Design II mating scheme. Positive mid-parent heterosis was detected in 96 of 160 hybrid–trait combinations, and positive high-parent heterosis was detected in 79 of 160 hybrid-trait combinations. Improved differential display was used to analyze alterations in gene expression between hybrids and their parents in roots at the jointing stage. More than 990 fragments were repeatedly displayed, among which 27.52% were differentially expressed between hybrids and their parents. Four differential expression patterns were observed. Thirty differentially expressed cDNA fragments and three genes with open reading frames were cloned, and their expression patterns were confirmed by reverse-northern blot and semi-quantitative RT-PCR analysis, respectively. We concluded that these differentially expressed genes, though mostly with unknown function, could play important roles for hybrids to demonstrate heterosis in root system traits.Electronic Supplementary Material Supplementary material is available to authorised users in the online version of this article at .Z. Wang and Z. Ni contributed to this article equally.