产肉量是家畜(包括猪、牛和羊等)重要生产力指标和经济性状之一。产肉量是典型的数量性状,受多基因调控。影响产肉性状形成的基础是骨骼肌组织的生长和发育。骨骼肌生长发育是一个复杂的生物学过程,包括成肌细胞的形成、增殖、凋亡、迁移、融合和分化。骨骼肌损伤修复过程中基因表达变化与初始胚胎发育过程类似,完美的重现了上述骨骼肌生长发育过程。因此,骨骼肌损伤修复被认为是研究骨骼肌生长发育的理想模型。鉴定骨骼肌损伤修复过程中调节肌生成相关重要基因和特定调控网络,能够为家畜产肉量等重要经济生产性状形成的分子机制提供理论支持。已有研究表明,骨骼肌功能障碍与肌营养不良、萎缩,2型糖尿病和衰老相关的肌肉减少症等500多种人类疾病密切相关。因此,深入了解骨骼肌损伤修复过程中基因表达差异以及调控网络,也能为再生医学提供新的药物靶点,这些靶点可以增强或诱导功能性骨骼肌从头生成,以治疗先天性缺失或创伤性组织损失。
近些年针对小鼠骨骼肌损伤修复的单细胞RNA 测序(scRNA-seq)陆续产出了大量数据,但是,从单细胞水平研究骨骼肌再生过程中基因表达变化的数据库尚未构建。本研究汇集了七个关键再生时间点和正常骨骼肌单细胞RNA-seq数据(共计超过 105,000 个细胞)开展一系列生物信息分析,包括细胞聚类、细胞类型注释、细胞周期识别、骨骼肌卫星细胞发育状态转换轨迹和调节单元动态表达图谱构建等。开发构建了SCSMRD (https://scsmrd.fengs-lab.com)数据库,界面友好,操作简单,提供了多种搜索功能,包括,用户感兴趣基因在不同细胞类型和损伤修复不同时间点的动态表达图谱,不同细胞类型中特异调节单元网络动态变化和用户感兴趣基因基因在骨骼肌卫星细胞发育状态转变过程中的表达模式等。SCSMRD数据库为研究人员在单细胞层面研究骨骼肌损伤修复的转录组动态变化提供了可靠的生信技术支撑和数据支持。
灌浆是籽粒形成的重要生理过程,直接决定最终产量。本研究以1964至2014年间在中国育成的50个代表性玉米单交种为试验材料,在多环境下对玉米籽粒灌浆特性演变规律进行研究。结果表明,籽粒灌浆快增期(Effective grain filling phase)的灌浆速率(43.40%)与灌浆持续时间(54.46%)对百粒重的形成具有重要作用。同时发现,随着不同时期育成单交种百粒重的显著增加,实际灌浆期(Actual grain filling period duration,AFPD)表现为持续上升,每10年有效积温平均增加23.41 ℃day。但对生理成熟期(Days from sowing to physiological maturity,DPM)而言,每10年有效积温仅平均增加19.76°C d,播种至吐丝的天数(Days from sowing to silking, DTS)占整个生理成熟期的比例则明显降低,由上世纪60年代的53.24%降至本世纪初的49.78%(2010s)。另外,还发现不同年代间中国育成单交种的各阶段籽粒灌浆速率均不存在显著差异,但籽粒灌浆相关性状的稳定性明显改善。对本土育种家选育单交种与国外种子企业选育单交种的灌浆特性进行比较,发现外来品种的籽粒快增期灌浆持续时间更长、灌浆相关性状的稳定性更高。根据本研究的结果,认为缩短播种至吐丝的天数,延长籽粒灌浆持续时间,提高籽粒灌浆速率,并继续提升籽粒灌浆相关性状的稳定性将有利于未来玉米品种产量的进一步提高。
冠根系统是玉米营养期和生殖期最重要的根系组成部分。然而,玉米冠根性状的遗传基础及其与地上部农艺性状的关系尚不清楚。本研究以531个玉米优良自交系为研究对象,在不同的田间环境下,对其冠根相关性状和地上部农艺性状进行表型分析。结果表明,根系性状与开花时间、株型结构、籽粒产量等地上部农艺性状呈显著正相关。通过全基因组关联分析(GWAS)结合重测序,共鉴定出115关联位点和22个高置信候选基因。其中冠根与花期和植株构型有46个QTL共定位,因此大约三分之一的冠根性状遗传变异可能要归因于开花时间和植株结构。此外,115个冠根位点中有103个(89.6%)位于已知的驯化和改良选择范围内,这表明冠根在玉米驯化和改良过程中可能经历了间接选择。此外,Zm00001d036901是一个高置信候选基因,其表达可能与玉米冠根的表型变异有关,Zm00001d036901在玉米驯化改良过程中是受选择的。本研究促进了我们对根系结构遗传基础的理解,并为改进玉米根系结构提供了基因组学资源。
小麦的高产主要通过增施氮肥和增加灌水实现,但过量的氮肥和灌水投入增加了倒伏的风险。本研究的主要目的是明确高产小麦抗倒伏能力对氮肥和灌水的响应以及探索提高小麦抗倒伏性的有效途径。试验于2015-2016和2016-2017生长季在山东农业大学农学实验站进行,供试品种为济麦22,设置3个施氮量和4个灌水处理,主要研究结果如下:随施氮量增加,倒伏指数和倒伏率增加,倒伏风险上升。增加氮肥用量,与倒伏指数呈正相关的株高、基部节间长度和重心高度显著增加,与倒伏指数呈负相关的基部第二节间(茎秆和叶鞘)充实度及其细胞壁组分含量显著降低。适度增加灌水可增加基部第二节间壁厚、茎秆抗折力和叶鞘的充实度,增加了茎秆强度。在本实验条件下,施氮量240 kg hm-2 并配合在拔节期和开花期各灌水600 m3 hm-2在获得最高产量的同时茎秆强度最大。结果表明,适宜的株高保证高产所需的足够的生物量,较厚的壁厚、较高的茎秆和叶鞘充实度以及细胞壁组分含量保证了较大的茎秆强度,以上特征可作为创建小麦高产抗倒群体的参考指标。
栽培草莓(Fragaria×ananassa)来自四个二倍体祖先:F. vesca,F. viridis,F .iinumae和F. nipponica。其中,F. vesca是栽培草莓最主要的亚基因组。目前,基因表达如何促进二倍体和八倍体草莓之间的果实发育过程中的差异的机制沿不清楚。在这里,我们对F. vesca和F.×ananassa的转录组进行全面分析,以研究水果发育不同阶段的基因表达。通过二倍体和八倍体之间的成对比较,我们总共获得了3,741个(转色期)和3,960个(成熟期)差异表达的基因。类黄酮生物合成中涉及的基因在八倍体的转色阶段被显著上调,并且我们还通过加权共表达网络(WGCNA)分析发现了与几种类黄酮生物合成基因(包括FveMYB10,FveMYB9/11和FveRAP)相关的成熟果实特异性模块。此外,我们确定了八倍体和二倍体果实中的物种特异调控网络。值得注意的是,我们发现WAK和F-box基因分别在八倍体和二倍体果实中富集。总体而言,这项研究有助于阐明草莓的类黄酮生物合成和果实大小,这对栽培草莓的未来分子育种具有重要意义。