红皮梨因鲜艳的果皮色泽受消费者喜爱,对其果皮花青苷生物合成分子调控机制已有较多的研究;而红肉梨仅存在于少数西洋梨中,目前对红肉梨中花青苷合成的分子调控机制知之甚少。本研究基于红肉与白肉西洋梨的转录组比较分析,鉴定到一个在果肉中表达趋势与花青苷含量变化显著相关的乙烯响应因子PcERF5。进一步通过瞬时转化梨果皮和稳定转化苹果愈伤组织,验证了候选基因PcERF5调控花青苷生物合成的功能。研究表明,PcERF5可通过不同途径调控花青苷的生物合成。一方面,PcERF5激活了花青苷生物合成途径中结构基因(PcDFR、PcANS和PcUFGT)以及PcMYB10和PcMYB114关键转录因子的表达。另一方面,PcERF5与PcMYB10互作形成ERF5-MYB10蛋白复合体,增强了PcERF5对其靶基因的转录激活。因此,本研究揭示了PcERF5作为转录激活子促进西洋梨果肉中花青苷合成的功能,研究结果不仅为花青苷生物合成的调控机制提供了新的见解,也为红肉梨的分子育种提供了理论指导
梨果皮的红色主要是由花青苷合成积累导致,以‘巴梨’(‘Bartlett’, BL)和‘红巴梨’(‘Max Red Bartlett’, MRB)为代表的芽变品种是研究梨果皮花青苷合成积累分子机制的理想材料。虽然早前的研究已通过遗传图谱定位了‘红巴梨’果皮色泽的数量性状基因座(QTL),但是决定色泽突变的关键基因及调控机制尚不明确。因此,本研究以‘巴梨’和‘红巴梨’为研究试材,通过对其果皮组织的转录组和DNA甲基化差异比较分析,发现‘红巴梨’的PcHY5 DNA甲基化水平低于‘巴梨’,且PcHY5基因的表达量高于‘巴梨’,由此推测PcHY5 DNA甲基化水平可能与‘巴梨’和‘红巴梨’果皮颜色差异有关,并利用双荧光素酶试验证实了PcHY5不仅能激活花青苷合成相关转录因子PcMYB10和PcMYB114,也能激活花青苷合成基因PcUFGT和转运基因PcGST,说明PcHY5不仅能调控花青苷的合成,还调控了花青苷的转运。进一步,对‘巴梨’和‘红巴梨’PcHY5的关键差异甲基化位点进行了分析,发现‘红巴梨’PcHY5内含子区域的低甲基化水平与果皮红色形成显著相关,而‘巴梨’同一位点的高甲基化水平与果皮绿色显著相关。因此,基于‘巴梨’和‘红巴梨’PcHY5基因差异表达和差异甲基化,结合基因的调控功能验证,推测‘红巴梨’PcHY5 通过DNA低甲基化水平促进其自身基因表达,并调控花青苷合成和转运相关基因的表达,从而促进果皮着色。
华山新麦草(2n=2x=14, NsNs)因具有诸多优异的农艺性状被认为是对普通小麦品种改良而言具有重要价值的野生近缘种。然而,尽管多个小麦-华山新麦草衍生后代的创制为优异性状的转移提供了种质资源基础,但小麦背景中华山新麦草染色体鉴定方法的滞后限制了对这些衍生后代的研究。本研究开发了三条高效非变性荧光原位杂交(ND-FISH)探针,其中HS-TZ3和HS-TZ4能特异性地结合华山新麦草染色体端粒区域,HS-TZ5可以和染色体着丝粒区域结合。华山新麦草染色体的FISH核型图和模式图被分别构建,以便于区分衍生系中所导入华山新麦草染色体的同源群归属。具体而言,染色体1Ns和2Ns在短臂和长臂上有相反的荧光信号,3Ns、4Ns和7Ns有叠加的双色荧光信号,5Ns和6Ns仅在短臂有荧光信号,7Ns在长臂的中间区域也有荧光信号。此外,评估了在不同组合方式下利用低密度单核苷酸多态性(SNP)芯片鉴定外源导入系的效果。结果表明最佳的模式是统计分析每条染色体上SNP位点的纯合率,15K SNP芯片可以广泛应用于附加系、代换系和易位系的鉴定,而40K SNP芯片在小麦和外源染色体易位区段的鉴定中最准确。本研究提供了基于ND-FISH和SNP芯片识别小麦背景中华山新麦草染色体同源群归属的简便方法,对于小麦-华山新麦草衍生系的高效鉴别和Ns染色体的进一步利用具有重要意义。
本研究以‘矮玉香’和‘翠冠’为父母本,通过杂交获得矮化性状的后代(DPP)和乔化表型的后代(APP)。与APP相比,DPP植株高度降低了62.8%,节间长度显著缩短。茎尖组织切片观察显示,DPP细胞形状不规则,细胞平均长度较大,但纵向排布的细胞数量显著减少。两种表型梨之间的交叉嫁接试验表明,‘矮生梨’的矮化表型主要由地上部分决定,与根系无关。根据二者茎尖的RNAseq数据共鉴定出1401个差异表达基因,其中包含101转录因子。功能富集分析显示,植物激素、细胞分裂、细胞壁代谢等相关通路中的基因显著差异表达。在DPP中,若干BR信号转导和细胞周期相关基因表达显著下调;同时,一些调控BR和GA降解的基因表达上调。结合切片观察的结果与RNA-seq的数据推断,DPP的矮化表型主要归因于细胞分裂的不足。为进一步缩小候选基因集,将差异表达基因映射到前人所做的‘Le Nain Vert’矮化性状定位区间,共鉴定出4个关键基因。结合功能注释分析,发现其中一个DELLA基因可能在调控‘矮生梨’矮化表型中发挥重要的作用。本研究结果为进一步探索梨矮化的遗传和分子机制奠定了基础。
小麦全蚀病 (Take-all) 是一种具有毁灭性的土传病害,培育抗病材料是控制该病害的重要途径之一。华山新麦草 (Psathyrostachys huashanica Keng) 是小麦品种改良的重要遗传资源,特别是小麦全蚀病稀缺的抗性资源。在本研究中,相比感病亲本7182,小麦-华山新麦草渗入系H148的全蚀病抗性得到了显著性提升。为了明确H148抗病性的遗传机制,我们构建了H148和西农585的F2遗传分离群体,且利用植物数量遗传体系“主基因+多基因”混合遗传模型分离分析法对其研究发现,H148的全蚀病抗性受到两对主效基因的共同控制,这两对主效基因存在一定的加性、显性和上位性效应。同时,结合集群分离分析法 (Bulked Segregant Analysis, BSA) 和小麦660K基因芯片筛选出与抗病相关的外源特异性SNP,主要分布于小麦2A染色体。根据特异性SNP开发竞争性等位基因特异性PCR (Kompetitive allele specific PCR, KASP) 分子标记,对F2群体进行基因分型,最终在2A染色体的68.8-70.1Mb区间内定位到一个主效的QTL。该目标区间在小麦参考基因组序列上存在62个候选基因,经基因功能注释显示,两个可编码蛋白的基因与系统性提升植物根系抗性相关,被预测可能参与了小麦对全蚀病的抗病反应。总之,小麦-华山新麦草渗入系H148的选育以及抗病QTL的定位,以期为小麦抗全蚀病分子辅助育种和抗病基因的精细定位提供一定的参考信息。
植物抗虫性主要依靠限制害虫营养和有毒有害物质,但是,营养和有毒物质在植物抗蚜虫中的相对重要性仍未确定。在本论文中,我们探究了抗性小麦品种小偃22和易感小麦品种西农979对麦长管蚜的生长发育、繁殖、营养摄入量和转录组影响。结果显示,虽然小偃22的韧皮部汁液的营养质量(氨基酸:糖)比西农979的更高,但是,在小偃22上饲养的麦长管蚜的体重和繁殖力均显著低于在西农979上饲养的麦长管蚜。并且,在小偃22上饲养的麦长管蚜的蜜露分泌量也显著低于在西农979上饲养的麦长管蚜,这表明麦长管蚜在小偃22上饲养时,其摄入更少的韧皮部汁液。另外,通过比较在西农979和小偃22上饲养的麦长管蚜的转录组数据,我们发现共有600个差异表达基因,前20条差异表达基因显著富集的KEGG通路中有11条是与营养代谢相关的。我们共找到81个与糖、脂以及氨基酸代谢相关的差异表达基因,其中有59个差异表达基因是在小偃22上饲养的麦长管蚜中显著下调。另外,我们只找到18个与解毒代谢相关的差异表达基因,分别为8个UDP-glucuronosyltransferases,6个cytochromes P450 monooxygenases,1个glutathione S-transferase,2个ATP-binding cassette transporters以及1个major facilitator superfamily transporter,其中有12个差异表达基因是在小偃22上饲养的蚜虫中显著上调。以上结果说明,麦长管蚜从寄主小麦韧皮部获得的营养的数量和质量都对其生长发育很重要;小偃22较高的抗蚜性主要源于限制麦长管蚜取食韧皮部汁液,而非单纯依靠有毒物质。