杨树泛基因组构建与基因组变异分析

【目的】杨树是重要的速生用材、生态防护和碳汇造林树种,也是林木遗传研究的模式树种。开展杨树泛基因组构建与基因组变异分析,可为杨树精准育种和林木泛基因组研究提供理论先导。【方法】 以公开发表的高质量杨树基因组序列为基础,分析不同类型的序列变异,总结变异特征,并构建基于基因和图形结构的杨树泛基因组。【结果】 本研究收集到8个杨属树种和3个二倍体或三倍体杨树杂交品种的基因组序列,3个杂交品种包含7个单倍型亚基因组序列,较好地代表了杨树4个组派的基因组特征。分析结果表明,杨树基因组间存在较多大的结构变异。在基于基因的泛基因组中,共线核心基因、非共线核心基因、次核心基因、非必需基因、特异基因占比分别为12.5%、34.9%、31.4%、16.5%、4.7%。其中,非必需基因在功能上具有较高的多样性。以基因组序列变异为基础构建杨树图形结构泛基因组,大幅提升2代测序数据的变异检测效果。通过泛基因组变异热点分析,鉴定出2个与物候关联的基因位点。【结论】 杨属基因组中存在大量染色体重排,进而增加了基因调控的多样性。杨树组/派间的基因组结构变异可能与物候适应存在关联。基于林木基因组序列的复杂性,在林木泛基因组研究中应注意基因组整合范围与研究目标相匹配,结合基因泛基因组和图形结构泛基因组结果,综合解析林木的遗传变异规律和物种演化特征。     

杨树基因工程研究进展

杨树是世界上广泛栽培的重要造林树种之一，具有生长快，产量高，适应性广和容易无性繁殖等特点。杨树的组织培养技术已日臻成熟，基因组较小，是林木基因工程研究的模式树种。本文综述了近几年来杨树基因工程研究所取得的最新进展，并展望了杨树基因工程在杨树遗传改良中的应用前景。     

林木分子育种研究的基因组学信息资源述评

分子育种是指利用与性状相关的DNA标记进行选育,也称标记辅助选择或标记辅助育种,广义上还包括基因工程育种和基因组学辅助育种。林木分子育种为早期选择和加速育种提供了极具潜力的高效手段。笔者对林木分子育种研究的基因组学信息资源进行了进展综述和前景展望。近30年来,林木分子标记技术从早期的低通量方法发展到目前基于微阵列芯片和新一代测序的高通量技术,如测序分型、转录组测序、重测序、扩增子测序和外显子组测序等,并广泛用于连锁作图、关联分析和基因组选择等林木性状相关的DNA变异检测研究。随着2006年毛果杨基因组序列的发表,已有50余个树种完成了基因组测序。基于连锁作图和关联研究检测了林木10余个属生长、材性和抗逆及非木质产品品质等性状相关的大量基因组位点,主要趋势表现为：① 表型广泛,涵盖经济性状、生理指标和代谢成分等;②标记数量成千上万甚至上百万,覆盖全基因组;③转录组和降解组等多组学的分子变异开始应用;④ 利用大群体以提高位点检测的精度;⑤ 重视环境的影响,大田试验设置多个地点,解析QTL与环境、年份的互作效应;⑥ 结合参考基因组序列和/或转录组差异表达基因进一步挖掘性状相关的候选基因,建立了桉属、松属和云杉属等主要造林树种的基因组选择模型。此外,积累了泛基因组、相关软件和算法、功能基因、基因组编辑技术及网站和数据库等其他信息资源。林木分子育种面临的挑战主要包括：① 如何获得稳定性好的性状相关基因组位点和基因组选择（GS）模型;② 缺乏自动化、无损和高通量的表型测定技术;③对大基因组的针叶树和一些多倍体树种,仍难获得高质量的基因组序列;④ 标记辅助选择增加了常规育种之外的费用,且存在不确定性;⑤多数树种的加速育种仍较困难。后基因组时代的林木分子育种将有效结合到常规育种程序中,显著促进遗传增益的提高。     

林木生物技术育种未来10年若干科学问题展望

随着新一代基因组测序设备和技术的快速发展,林木生物技术育种也即将步入后基因组时代。笔者对未来10年林木生物技术育种可能面临的一些重要科学问题进行了梳理和思考;对林木基因组研究,木材产量和品质形成的遗传调控,林木干细胞生物学与林木生产力,林木基因工程育种,林木理想型育种,林木基因型与生物、非生物抗性互作等方面可能遇到的困难和机遇等问题进行了讨论。并对我国重要针阔叶模式树种的基因组研究,木材产量和品质育种,以及林木干细胞生物学等基础研究提出了建议。     

论生物基因组的起源和进化

通过分析核基因组、线粒体基因组和叶体基因组的大小与结构，发现这三种基因组教师阴“小基因组”和“大基因组”的形式及与之对应的结构特点，认为它们各自的祖先都是通过分别与“小基因组”和“大基因组”相应的两种途径进化成成为现象核（类核）基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组，发展了生物基因组起源和进化的统一模式。     

白色念珠菌基因组研究进展

目的:介绍白色念珠菌基因组的最新研究进展.方法:查阅国内外大量关于白色念珠菌基因组研究的文献并进行综合详述.结果:白色念珠菌是第一个完成全基因组测序的致病性真核生物,在基因组序列信息研究上取得了重大进展,在基因功能、转录组、蛋白质组等方面获得了许多重要成果.结论:白色念珠菌的基因组研究成果将对研究白色念珠菌的致病机制、耐药机制以及抗真菌药物开发有重大的意义.     

林木与病原菌分子互作机制研究进展

近年来林木与病原菌互作的分子机制研究成果丰硕,尤其是HIGS与CRISPR/Cas9等技术的发展,促进了林木病原菌关键致病基因的功能、病原菌基因组与转录组学、病原菌效应蛋白、林木抗病基因功能、林木抗病与生长平衡、林木抗病分子育种等多个层面研究的快速发展.从植物-病原菌分子互作的基本问题出发,综述了国内外林木-病原菌分子...     

外显子组测序技术述评

外显子组测序主要包括3个步骤:目标序列的富集、DNA测序、生物信息学分析。笔者介绍了外显子组测序技术及其在遗传研究中的应用,分析了该技术的优势和不足,并对其应用前景进行了展望。与转录组和全基因组测序技术相比,外显子组测序在编码基因获取方面具有高效、准确、低成本的特点; 与全基因组关联分析技术(Genome-wide association analysis, GWAS)相比,能有效检测基因组中编码基因的稀有变异,但还不能检测到基因组水平上较大的结构性变异以及内含子区域的信息。目前,外显子组测序技术在人类单基因控制的遗传疾病和多基因控制的复杂疾病的分子机理研究中,能准确找到孟德尔遗传疾病致病基因; 在动植物上能成功检测到目标编码区的核苷酸变化。随着模式木本植物全基因组测序的完成,利用该技术可以加快对木本植物性别、林木抗逆性及生长等重要性状基因的定位,应用前景广阔。     

后基因知识发现中有选择的课题

大信息通过量序列与功能基因组技术绘制了人类基因序列图，并且使得大规模人类群体基因型与基因表达的特征勾画成为可能，进一步的研究是对基因组序列的准确注释、基因组与蛋白质之间相互作用和物种的遗传变异性上。基因组注释过程越来越以涉及进化研究和模型生物体的比较方法作为依据。DNA与蛋白质之间的相互作用是生物学相互作用中最基本的，而且在生物学、医学和药物学中具有普遍的意义。     

鸟类线粒体基因组及系统发育的研究进展

相对于核基因组而言,线粒体基因组具有结构简单、分子量小、基因排列紧密、严格母系遗传、进化速率较快和无组织特异性等特点。近年来,线粒体DNA已被作为重要的分子标记,应用于推断很多分类等级的系统发育关系。本文综述了脊椎动物线粒体基因组、鸟类线粒体基因组以及Mt DNA在鸟类系统发育研究中的应用等方面的研究现状,并对今后研究前景进行了展望。     

预压缩杨木的动态润湿性

动态润湿性是木质材料的一个重要界面特性,用于描述胶黏剂在木材表面上的润湿行为。笔者采用润湿模型描述动态接触角(θ)在木质基材表面上的扩展过程,模型中利用参数K值来描述胶黏剂在木质基材表面上的动态润湿行为。应用此模型分析了不同压缩工艺条件下脲醛树脂和酚醛树脂的湿润性能;比较了不同压缩工艺参数如压缩率、热压温度和热压时间对动态润湿性的影响。结果表明,润湿模型能够准确地描述胶黏剂在预压缩杨木表面的动态湿润过程。在预压过程中,保压时间是对K值影响最为显著的因素。     

高强度超疏水性杨木材料的构建

 针对超疏水性材料应用过程中性能不够持久的问题,以杨木为例,通过实验研究了具有高强度超疏水性能的杨木材料的构建。采用真空加压方法将二氧化硅合成原料注入杨木内部,使正硅酸乙酯、氨水、乙醇在杨木微米级导管内发生溶胶-凝胶作用而生成SiO₂纳米粒子,在不破坏杨木原本结构的情况下实现二氧化硅与木材的复合,使杨木材料形成更强健的二维多级粗糙结构,并经十八烷基三氯硅烷修饰使杨木材料表面获得高强度的超疏水性能。检测结果表明,该超疏水性杨木材料样品在水、腐蚀性液体（酸液/碱液）、常见有机溶剂中以及一些常见条件下均保持了优异的超疏水特性能。     

杨树叶片蛋白质组分析

从杨树叶片的双向电泳蛋白图谱上随机选取12个蛋白点,经电喷雾串联质谱(Electrospray ionization tandem mass spectrometry ,ESIMSMS)分析。结果显示,这12个蛋白点代表了5种不同的蛋白,其中包括：核酮糖二磷酸缩化酶/加氧酶(RuBisCO)、富甘氨酸RNA结合蛋白(Glycine rich RNA binding protein)、微管蛋白(alpha tubulin)、叶绿体磷酸甘油酸激酶(chloroplast phosphoglycerate kinase)以及光敏色素(phytochrome B2)蛋白等。     

杨木单板苯甲基化改性的研究

应用正交试验研究了速生杨木单板的苯甲基化工艺,结果表明:反应温度对杨木单板苯甲基化的影响最为显著,NaOH用量影响较显著,反应时间对杨木单板苯甲基化影响不大。杨木单板苯甲基化的优选工艺为:反应温度120℃,NaOH质量分数15%,反应时间2h。在此工艺条件下,苯甲基化杨木单板的增重率达到64.9%。采用X-射线衍射仪和差示扫描量热仪分别对苯甲基化木材的微观结晶结构和热塑性能进行了分析,表明苯甲基化木材纤维素链之间的结晶结构已被破坏,温度较高时苯甲基化木材被软化,具有较好的热塑性。     

杨树苗木配方施肥试验

合理施肥是杨树苗木生产的重要管理措施。通过对杨树(NL 80351)苗木配方施肥试验,研究不同N、P、K配方施肥对杨树苗木生长的影响,并对杨树苗木施肥的合理N、P、K配方进行回归分析。结果表明：配方施肥对杨树苗高、根系及各组织生物量均有显著的促进作用,其中,施用17 mg/L的N、10 mg/L的P及8.5 mg/L的K对根、皮、枝、叶生物量及总生物量增长的促进最显著,比对照分别增加294%、66%、96%、126%、118%。回归分析得出,促进苗高生长的适宜N、P、K质量浓度分别为13.03、3.76、2.24 mg/L,促进根系生长的适宜N、P、K质量浓度分别是2.36、2.12、4.71 mg/L。因此,可以得出,N素营养有利于杨树苗高增长,K的营养则对根系生长具有促进作用,苗木生长初期应在施用P、K肥料同时加强N素营养,促进苗高生长,生长后期应该控制N肥并加强P、K肥,以便苗木健壮,提高抗逆性和苗木品质。     

镉污染土壤中添加外源有机物料对杨树苗期生长的影响

【目的】探究两种常见的有机物料(杨树凋落物和城市生活污泥堆肥)进入镉(Cd)污染土壤后对该土壤上杨树的生长及生理生化产生的影响。【方法】通过土壤盆栽试验,研究添加有机物料对不同含量Cd²⁺污染土壤上‘南林895'杨(Populus×euramericana ‘Nanlin 895')生长3个月后植株地上部分生物量、叶片中光合色素含量、抗氧化保护酶活性以及丙二醛(MDA)含量的影响。【结果】①添加污泥堆肥(CS)处理的杨树地上部分干质量、叶片中光合色素含量均明显高于同等条件下的对照(CK)处理; 添加杨树叶(PL)处理的杨树地上部分干质量在低Cd²⁺(0、10 mg/kg)污染土壤上高于对照处理,在高Cd²⁺(50、100、150 mg/kg)污染土壤上则显著低于对照处理; 而与对照相比,除了不添加Cd²⁺外,PL处理下叶片中光合色素含量都低于CK处理。②随着Cd²⁺含量升高,3种处理杨树叶片SOD与CAT活性均呈现先上升后下降的趋势,CS处理杨树叶片SOD及CAT的活性均明显高于同等条件下的对照(CK)处理; PL处理叶片中SOD及CAT的活性在不添加外源Cd²⁺时均高于CK处理,而Cd²⁺含量≥50 mg/kg时均低于CK处理。此外,杨树叶片MDA含量受外源物料类型的影响,CS处理的MDA含量均低于同等条件下的CK处理; PL处理的MDA含量则高于同等条件下CK处理的。【结论】镉污染土壤上不同处理间杨树生长的状况总体表现为:添加污泥堆肥处理的杨树生长最好,其次是对照处理,而杨对凋落物处理的相对最差。     

杨树部分基因起始密码子AUG侧翼序列特征分析

对297条杨树基因序列的起始密码子AUG侧翼区序列(-20位点- 6位点)的碱基分布特性进行了统计学分析,并对高表达基因和低表达基因翻译起始位点侧翼序列碱基的保守性和关联性进行了对比分析。结果表明:紧邻起始密码子5′端的-1、-2、-3、-4、-5和-6位点均强烈偏好A, 4位点强烈偏好G,同时高表达和低表达基因的-20位到 4位中某些位点的保守性存在较大差异,其中高表达基因的-6,-3和 4位可能与其高表达的特性有关;通过关联性分析可以看出,在起始密码子侧翼序列的某些特定区域碱基之间的关联性可能也与翻译起始效率有关系;相关性分析表明低表达基因的AUGCAI主要受到"AUG"侧翼区序列的GC含量的影响,低表达基因在"AUG"侧翼区富集GC对翻译有一定影响。     

硼酸锌防腐处理对杨木定向刨花板性能的影响

以速生杨木为木材原料,酚醛树脂(PF)和异氰酸酯树脂(MDI)为胶黏剂,硼酸锌(ZB)为防腐剂,制备了杨木定向刨花板(OSB),以研究ZB添加量（0.5%、1.0%和3.0%）对OSB试板的物理力学性能和防腐性能的影响。结果表明,各试板的物理力学性能均满足我国LY/T 1580—2000《定向刨花板》中OSB/3类板的要求;添加ZB显著提高了试板的防腐性能。添加0.5%的ZB对PF、MDI两种胶黏剂胶合的杨木OSB性能无不利影响。ZB添加量在0.5%~3.0%范围内,MDI胶杨木OSB的力学性能基本随ZB添加量的增加而下降。相同ZB添加量及施胶量的情况下,MDI胶杨木OSB的力学性能优于PF胶杨木OSB。     

杨树木材细胞腔径分布的分形表征

应用杨树木材横切面的细胞直径分布描述木材横切面空隙分布的分形特征。通过对不同高度处木材细胞腔直径分布进行分析,分别计算出它们的分形维数(D=124～131)。结果表明:腔径分布分形维数的大小可以作为表征木材多孔性的一个参数。     

20个杨树无性系生长特性比较

本文以目前引种较多的20个优良杨树无性系为研究对象,通过栽植对比试验,借助林分全面调查和树干解析等方法,研究各无性系树高、胸径和材积生长特性,以期获得各无性系的生长特性表现差异,为试验区杨树栽培品种的选择提供科学依据。结果表明：中驻6号为最适于试验地区推广栽植的无性系,50杨、桑迪、NL351表现也较好,可供选择;I-107和中洛759不宜在试验区栽植。无性系中树干饱满度最高的为无性系2001,饱满度最低的为无性系102。