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。     

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。     

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(Triticum aestivum L.)杂种优势形成的分子机理,选用普通小麦品种(系)3338、6554和2410TD及其强优势杂种A(3338×6654)和无优势杂种B(2410TD×6554),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.     

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     

盛花期抗虫杂交棉及其亲本叶片基因表达差异与杂种优势

采用DDRT-PCR技术,以棉花盛花期项尖叶片cDNA为材料,对上海生物工程公司合成的专用于基因差异显示分析的3个锚定引物和全套26个随机引物进行筛选,最后选择了15个扩增差异带丰富的随机引物。采用3个锚定引物和这15个随机引物组成的45对引物组合对24个抗虫棉杂交组合及其10亲本盛花期叶片cDNA进行扩增和差显,2次扩增重复率达70．1％,表明在扩增过程中存在较高的假阳性,通过重复PCR扩增,统计稳定扩增的条带,可减少假阳性干扰。根据基因表达方式,将其划分5种模式：MI为双亲表达沉默,双亲出现条带而杂种没有条带;M2为单亲表达沉默,带仅出现在亲本之一,包括仅母本有带而父本和杂种无带和仅父本有带而母本和杂种无带2种表达方式：M3为杂种特异表达,带仅出现在杂种,双亲无带;M4为单亲表达一致,带在双亲之一和杂种中出现,而在另一亲本中不出现,包括母本、杂种中有带而父本无带和父本、杂种中有带而母本无带2种方式;M5为基因表达一致,带在双亲和杂种中均出现。差显表达模式比例与产量性状和杂种优势分析表明：M4与所有产量性状均呈正相关,并且与单位面积铃数相关达显著水平,其他各种模式与杂种产量性状表型值均未达到显著水平;M2与单位面积铃数杂种优势呈显著负相关,M3与皮棉产量杂种优势呈显著正相关。上述结果表明,盛花期叶片中的基因显性表达和杂种特异表达有利于产量形成和杂种优势发挥。     

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。     

玉米自交系间遗传距离与产量杂种优势,杂种产量的关系

以13个玉米自交系及其按双列杂交配制的78个单交种为材料,研究性状选择、亲本选择对遗传距离与产量杂种优势、杂种产量关系的影响,结果表明:(1)当性状数较少时,遗传距离与产量杂种优势、杂种产量的关系因性状的不同而异;当性状数较多时,遗传距离与产量杂种优势、杂种产量的关系为抛物线,受性状影响较小;(2)当所选亲本材料的遗传差异较大时,遗传距离与产量杂种优势的关系为抛物线;当所选亲本材料的遗传差异较小时,遗传距离与产量杂种优势的关系为直线或不相关。     

多子房性状应用于杂种小麦的研究——Ⅱ．多子房小麦的杂种优势与利用

利用3个多子房小麦与8个普通小麦品种杂交后获得的24个杂种及其相应的亲本材料,对多子房小麦的杂种优势与利用进行了研究。结果表明,F1各性状的杂种优势依次为株高＞穗粒数＞单株产量＞千粒重。单株产量有较强的杂种优势,18个组合超双亲均值,平均均产32．71％,12个组合有超标正优势,幅度为3．41－42．84％。多子房小麦杂种优势的主要表现是穗粒数增多,其生产应用还应注意加强对子房小麦其它农艺性状的改良。     

Comparison of maize (Zea mays L.) F1-hybrid and parental inbred line primary root transcriptomes suggests organ-specific patterns of nonadditive gene expression and conserved expression trends

The phenomenon of heterosis describes the increased agronomic performance of heterozygous F(1) plants compared to their homozygous parental inbred plants. Heterosis is manifested during the early stages of root development in maize. The goal of this study was to identify nonadditive gene expression in primary roots of maize hybrids compared to the average expression levels of their parental inbred lines. To achieve this goal a two-step strategy was used. First, a microarray preselection of nonadditively expressed candidate genes was performed. Subsequently, gene expression levels in a subset of genes were determined via high-throughput quantitative real-time (qRT)-PCR experiments. Initial microarray experiments identified 1941 distinct microarray features that displayed nonadditive gene expression in at least 1 of the 12 analyzed hybrids compared to the midparent value of their parental inbred lines. Most nonadditively expressed genes were expressed between the parental values (>89%). Comparison of these 1941 genes with nonadditively expressed genes identified in maize shoot apical meristems via the same experimental procedure in the same genotypes revealed significantly less overlap than expected by pure chance. This finding suggests organ-specific patterns of nonadditively expressed genes. qRT-PCR analyses of 64 of the 1941 genes in four different hybrids revealed conserved patterns of nonadditively expressed genes in different hybrids. Subsequently, 22 of the 64 genes that displayed nonadditive expression in all four hybrids were analyzed in 12 hybrids that were generated from four inbred lines. Among those genes a superoxide dismutase 2 was expressed significantly above the midparent value in all 12 hybrids and might thus play a protective role in heterosis-related antioxidative defense in the primary root of maize hybrids. The findings of this study are consistent with the hypothesis that both global expression trends and the consistent differential expression of specific genes contribute to the organ-specific manifestation of heterosis.     

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.