水稻全基因组R基因鉴定及候选RGA标记开发

用45个已知功能的植物抗病(R)基因序列对粳稻全基因组序列进行搜索, 共找出2119个R基因同源序列或类似物(RGA), 表明RGA在水稻基因组中成簇存在, 呈非随机分布. 采用隐马尔柯夫模型(HMM), 将这些RGA按其功能域分成了21类. 将粳稻的RGA与籼稻的基因组序列进行比较, 共找到702个两亚种间等位的RGA, 并发现其中有671个(占95.6%)RGA的基因组序列(包括编码区和非编码区)在两亚种间存在长度差异(InDel), 表明水稻RGA在两亚种间存在很高的多态性. 通过在InDel两侧设计引物并进行e-PCR验证, 共开发出402个基于PCR的、表现为共显性的候选RGA标记. 这些候选标记在两亚种间的长度差异在1~742 bp之间, 平均为10.26 bp. 有关数据均可从我们的网站(http://ibi.zju.edu.cn/RGAs/index.html)上获得.     

水稻抗病基因同源序列的克隆、定位及其表达

根据已知植物抗病基因的保守区域设计引物,从抗稻瘟病水稻品种种窄叶青８号第１链ｃＤＮＡ和基因组ＤＮＡ中扩增出３个与植物抗病基因同源的序列：Ｏｓｒ１,Ｏｓｒ２和Ｏｓｒ３,三者核苷酸水平的同源性在９８％以上。     

真细菌型的细胞分裂位点决定因子CrMinD基因在衣藻中从叶绿体到核的成功转移

MinD蛋白是一种普遍存在的ATP酶, 在真细菌、古细菌以及植物叶绿体的分裂过程中发挥着关键的作用. 在已研究过的4种绿藻(Mesostigma viride, Nephroselmis olivacea, Chlorella vulgaris, Prototheca wicker-hamii)中, MinD基因均由叶绿体基因组编码. 但在拟南芥中, MinD基因由核基因组编码, 其蛋白定位于叶绿体并参与叶绿体分裂的调控, 说明在高等陆生植物中, MinD基因已经转移到核基因组. 然而, 对于在质体进化过程中MinD基因从叶绿体转移至核的机制还不清楚. 我们从单细胞绿藻(Chlamydomonas reinhardtii, 衣藻)中鉴定了一个核编码的MinD同源物CrMinD, 其在野生型大肠杆菌(E. coli)中的过表达会抑制细胞的分裂并导致丝状细胞的形成, 表明植物MinD蛋白在进化上的保守性. CrMinD-egfp在烟草和拟南芥中的瞬时表达确认了CrMinD蛋白在调节叶绿体分裂中的作用. 在已公布的所有陆生植物质体基因组序列中, 没有发现MinD的同源物, 说明MinD基因从质体转移至核这一事件在进化出陆生植物以前就已经发生了.     

两种植物病毒编码蛋白的基因沉默抑制子功能鉴定

采用农杆菌浸润方法以及重组的马铃薯X病毒(PVX)表达载体, 研究了甜菜坏死黄脉病毒(BNYVV)编码的P14蛋白和水稻黑条矮缩病毒(RBSDV)编码的S6蛋白对植物基因沉默的抑制作用. 绿色荧光蛋白(GFP)表型观察及核酸杂交结果表明, 这2种病毒基因均能够强烈抑制转基因本生烟(16C)中由同源序列引起的gfp基因沉默, gfp基因mRNA的含量明显高于未发生沉默抑制的对照植株, 并导致PVX感染后的寄主症状加重, 说明它们可能是由病毒编码的RNA沉默抑制因子. 其中, RBSDV S6基因对植株体内基因组DNA甲基化过程的抑制作用更为强烈.     

大豆根瘤中增强表达的WIP小多肽基因家族的分子鉴定

小肽分子是植物细胞分化、器官形成和生物防御的重要信号分子.通过分析大豆全基因组DNA序列,发现大量的基因编码小肽前体即小多肽分子.到目前为止,对这些小多肽分子的特征以及功能知之甚少.本文系统地分析了公共数据库中的大豆转录组数据,鉴定了212个在根瘤中增强表达的小多肽基因.其中79个基因属于38个多基因家族,而另外133个基因不属于任何基因家族.在38个基因家族中,有10个基因家族只出现在豆科植物中,另外28个也出现在模式植物拟南芥中.在大豆中,最大的一个基因家族是伤流诱导的小多肽(wound-induced small protein,WIP)基因家族,由38个成员组成,其中一半左右的基因在大豆固氮根瘤中增强表达.我们进一步分析了蒺藜苜蓿、百脉根、拟南芥和水稻中的WIP同源基因,发现部分基因也在根瘤中增强表达或者受病原菌诱导表达.二级结构分析显示,WIP小多肽前体均含有一个DUF3774结构域,其中包含2个跨膜疏水区域,多数分子具有N-端信号肽序列.我们选取了2个大豆WIP基因进行亚细胞定位分析,发现WIP小多肽定位于细胞膜上.有趣的是,34个大豆WIP基因成簇分布在3条染色体上,与目前发现的其他小多肽基因家族的分散分布(如CLE)完全不同.在6,12和13号染色体上分别分布有11,12和11个WIP基因.而在12号染色体上的WIP同源基因则位于13号染色体上,二者呈对应关系.而6号染色体上的WIP基因相互之间同源性最高,且只与12号染色体上的基因具有较高的同源性.因此,可以推测,在大豆基因组中WIP基因可能起源13号染色体,通过染色体复制扩散至12号染色体,再扩散到6号染色体.而在拟南芥和水稻基因组中,半数以上的WIP基因也分布在一条染色体上,且与大豆12和13号染色体上的WIP基因具有较高的同源性.因此,植物中WIP基因可能来源一个共同的祖先.     

23种新的水稻boxC/D snoRNA的鉴定及功能分析

构建了一个水稻核内小分子RNA的cDNA文库, 经初步筛选获得30种boxC/D snoRNA. 与目前已鉴定的水稻snoRNA序列相比较, 除了U14等7种snoRNA 之外, 其余23种均为首次在水稻中发现. 在23种新的水稻boxC/D snoRNA中, 11种只存在于水稻中, 其余12种中, 6种为植物特有, 6种在酵母、动物和拟南芥中存在同源分子. 17种snoRNA指导了水稻5.8S, 18S和25S rRNA中24个2′-O-核糖甲基化修饰核苷, 其中19个靶位点的修饰已被证实. 6种新的水稻snoRNA不具有与rRNA互补的反义序列, 是一类新的snoRNA. 研究结果表明, 通过构建核内小分子RNA的cDNA文库可以有效地分离和鉴定水稻中新的snoRNA. 这些新发现的snoRNA对于阐明植物snoRNA基因组织和表达以及rRNA中2′-O-核糖甲基化修饰位点的产生机制具有重要意义.     

高粱叶绿体psbD基因的克隆及其高效表达

近年来光合作用基因工程的研究进展十分迅速,许多重要的编码光合作用反应中心的蛋白质及酶的基因,已在多种植物叶绿体基因组及核基因组上定位并测定了其碱基序列,杉浦昌弘等先后完成了烟草、水稻等高等植物叶绿体基因组全序列分析,但是C_4植物除玉米外,叶绿体基因的研究较少,高粱是主要的C_4植物,其叶绿体光系统基因的研究国内外均     

扬子鳄的线粒体全基因组与鳄类系统发生

通过酶切、克隆、测序, 结合Long-PCR和Primer Walking法对扬子鳄线粒体DNA基因组进行全序列测定. 结果表明, 扬子鳄线粒体基因组DNA序列全长为16746 bp, 其基因组碱基组成为29.43%A, 24.59%T, 14.86%G, 31.12%C. 与其他大多数脊椎动物相同, 其基因组由13个蛋白质编码基因、2个rRNA基因、22个tRNA基因及1个非编码的控制区(D-loop)组成. 基因的排列与已测序的鳄类相似. 在全序列分析的基础上, 对12S rRNA基因序列、16S rRNA基因序列、蛋白质编码基因序列及其合并数据用MP法和ML法构建系统发生树, 结果表明扬子鳄与密河鳄的亲缘关系较近, 支持传统观点. 根据ML树的支长数值估计钝吻鳄属发生的时间为74.9 MaBP, 扬子鳄与密河鳄分歧的时间为50.9 MaBP.     

豌豆AGAMOUS同源基因功能的初步研究

豌豆是研究植物发育遗传的经典模式植物. 虽然已经克隆到了一些与豌豆花发育有关的基因, 但是由于豌豆基因组大、序列信息少以及缺少有效的遗传转化方法, 豌豆花发育研究的发展受到了限制. 病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing, VIGS)技术是近年来发展起来的一种反向遗传学快速研究基因功能的方法. 本文利用基于豌豆早褐病毒 (pea early browning virus, PEBV)的VIGS体系研究了豌豆中AGAMOUS同源基因(Pisum sativum AGAMOUS homologous genes, PsAGs)的功能. 在PsAGs沉默之后, 豌豆花表现为雄蕊花瓣化, 心皮开裂, 内生出一朵不完整的花. 半定量RT-PCR分析结果显示, 在沉默植株中PsAGs的mRNA转录水平显著下降. mRNA原位杂交结果显示, 花发育早期, PsAG基因在花原基中央表达, 后期在第三、四轮花器官中表达, 表明在豌豆有多个AGAMOUS同源基因. 实验结果表明, 豌豆中可能存在多个AGAMOUS同源基因, 彼此间功能冗余且相对保守, 同时暗示着在对基因家族成员进行功能研究时, VIGS是有效手段之一.     

水稻油体钙蛋白家族的进化及对干旱胁迫的响应性分析

油体钙蛋白不仅参与了油体的形成, 而且可能与植物耐受干旱胁迫有关. 目前对水稻中的油体钙蛋白的功能了解很少. 本文通过对水稻基因组数据库的序列搜索, 确定了水稻油体钙蛋白基因家族的6 个成员. 通过对这些基因的序列、结构和染色体位置分析, 表明水稻油体钙蛋白基因家族的扩增可能与片段复制和串联重复有关. 通过对这些基因与其他物种中的油体钙蛋白基因的系统进化分析及功能比较分析, 揭示了拟南芥和水稻中功能可能对应的成员. 为了确定与干旱胁迫响应相关的油体钙蛋白基因, 通过荧光定量PCR 检测了水稻油体钙蛋白家族在根、叶、花中的表达, 以及在这些组织中响应干旱胁迫的表达情况, 发现有3个基因成员在不同组织中受干旱胁迫的诱导, 为进一步对它们展开功能分析奠定了基础.     

水稻紫色种皮基因Pb的精细定位与候选基因分析

紫米因其种皮内花色素苷的沉积而着色.控制种皮着色的Pb基因位于水稻第4染色体,紫色种皮对白色种皮呈显性.本研究利用培矮64S(白米)×豫南黑籼糯(紫米)和培矮64S×川黑糯(紫米)两个F2分离群体对Pb基因进行了精细定位.首先用SSR标记将Pb基因初步定位在距微卫星位点RM3820下游0.79cM的位置.然后,通过在候选区域内发展高密度的InDel标记和CAPS标记,将Pb基因限定在两个InDel标记RID3与RID4之间25kb范围以内.在该区段内,TIGR水稻基因组(R.5)标有两个注释基因:一个为与玉米Lc基因同源的Ra,为控制花色素苷代谢的Myc类转录因子;另一个为与拟南芥TT8同源的bhlh16,也与植物色素代谢有关.根据两者的性质和前人相关研究结果,推测Pb与Ra实为同一个基因.序列分析结果表明,与白米品种培矮64S,9311(籼)和日本晴(粳)相比,豫南黑籼糯和川黑糯中Ra基因第7外显子存在一个GT缺失.根据GT缺失发展了一个CAPS标记CAPSRa,并对两个F2分离群体和100余份水稻品种进行分析.结果发现,所有F2白米单株以及所有白米(n=63)和红米(n=23)品种的CAPSRa基因型与培矮64S相同,而所有紫米品种(n=20)与豫南黑籼糯和川黑糯相同.据此推测,水稻紫色种皮性状可能由Ra基因第7外显子内的GT缺失引起.     

C3—C4中间型植物Flaveria anomala中甘氨酸脱羧酶P—蛋白亚基上游调控序列在转基因水稻中的表达

将C3-C4中间型植物Flaveria anomala中甘氨酸脱羧酶(GDC)P-蛋白亚基基因(gdcsP)的上游调控序列与β-葡萄糖苷酸酶(GUS)基因编码区以及CaMV终止子融合,构建植物表达载体.采用农杆菌介导方法转化水稻,并在转基因水稻中分析了GUS的表达活性和特异性.结果表明,在水稻中gus嵌合基因特异地在木质部和韧皮部表达,在不同器官及组织中表达活性也有所差异,其中以根中最高,茎秆次之,叶再次,而在成熟胚乳中没有表达.在转基因水稻中,gdcsP启动子的表达也受水稻发育时期的调控,随植物组织成熟度的增加而降低.     

利用EST及生物信息学方法挖掘马铃薯中miRNA及其靶基因

microRNA (miRNA)是一类调控真核基因转录后表达的非编码小分子RNA. 大量研究表明, miRNA在调节生物功能方面起着重要的作用. 目前发现miRNA的主要方法有直接克隆法和基于生物信息学的基因搜索和同源搜索. 由于真核生物组织中有些miRNA的丰度较低, 而且其表达具有组织和时序特异性, 采用直接克隆法发现新的miRNA有时较为困难. 采用生物信息学方法寻找未知miRNA是当前发现和鉴定miRNA的重要策略之一. 本研究联合了几种生物信息学方法预测了马铃薯(Solanum tuberosum)中miRNA及其靶基因. 通过把拟南芥、水稻等植物已知的miRNAs与马铃薯EST数据库进行比对搜索, 筛选出候选的miRNA. 之后, 设置一系列严格的筛选标准, 分析候选miRNA序列特征, 包括碱基错配、二级结构、(A+U)含量、能量水平等. 最后, 从上述候选库中筛选出了22个miRNA. 进一步利用新鉴定的miRNA序列, 预测到43个靶基因. 分析结果表明, 上述大多数靶基因编码的产物为转录因子及重要代谢酶类, 它们调控着植物的生长发育, 信号转导及各种胁迫反应.     

与Glh, Bph-3和xa-5连锁的BAC克隆在栽培稻和疣粒野生稻中的比较物理定位

疣粒野生稻(O. granulata Nees et Arn ex Watt)是分布于我国的3种最具研究和利用价值的野生稻资源之一. 利用Southern杂交和荧光原位杂交的方法, 对水稻抗绿叶蝉基因Glh, 抗褐飞虱基因Bph-3和抗白叶枯病基因xa-5在栽培稻(Oryza sativa L)和疣粒野生稻中的同源性和物理位置进行了比较分析. Southern杂交结果表明, 在疣粒野生稻中存在与水稻抗性基因连锁的RFLP标记的同源序列. RFLP标记筛选出来的3个BAC克隆作为探针, 在栽培稻和疣粒野生稻有丝分裂中期和减数分裂粗线期染色体中均检测到杂交信号. 双色荧光原位杂交确定了3个BAC克隆中的2个(14E16和38J9)在疣粒野生稻同一对同源染色体的短臂上, 且这2个克隆在栽培稻和疣粒稻染色体上还存在共线性. 另一个BAC克隆(44B4)被定位到2个物种的另一染色体短臂末端. 虽然栽培稻和疣粒野生稻的亲缘关系较远, 在生物学特征和生态习性上有着极为明显的区别, 但疣粒野生稻被检出的染色体在相对长度、臂比和BAC克隆在染色体上的相对位置与栽培稻的结果相似.     

小鼠基因组中犁鼻器受体V2R基因的分布和序列分析

犁鼻器受体1 (V1R)和犁鼻器受体2 (V2R)被认为是哺乳动物犁鼻器中执行信息素感受功能的两个多基因受体超家族, 它们编码7次跨膜的G蛋白偶联受体. 在大鼠和小鼠中已经发现了3个V2R基因家族. 本研究对最近更新的小鼠基因组数据库进行搜索, 获得63个可能的V2R功能基因, 其中新发现了3个V2R基因, 并且这3个基因构成V2R超家族中的一个新家族. 此外, 对这些基因在基因组上的分布以及序列保守性特征进行了分析, 为V2R的功能域研究提供了部分线索, 并将对信息素受体的功能研究和全面揭示信息素感知的分子机制提供一定帮助.     

水稻乙烯信号转导

乙烯在植物生长发育过程中以及在应对多种环境胁迫的防御反应中起着重要的调控作用.其发挥作用的分子机制在以拟南芥为主的双子叶植物中得到了系统研究,已建立了一个线性信号转导模型.与拟南芥相比,人们对水稻等单子叶植物中乙烯作用机制还了解较少.本文介绍了水稻乙烯信号转导目前取得的研究进展,并与拟南芥及其他植物进行了比较.拟南芥乙烯信号转导通路中的大多数组分在水稻中已找到了同源序列,包括5个乙烯受体,OsCTR1,OsEIN2,OsEIL1和OsERFs等.与拟南芥的同源组分相比,水稻乙烯受体家族各成员在功能上可能更具有特异性.但是OsEIN2和OsEIL1对水稻乙烯反应只表现了有限的调控作用.ERF类转录因子OsERF1和OsEBP-89可能也参与水稻乙烯反应,但它们是否被OsEIN2-OsEIL1介导的信号途径激活并不清楚.鉴于水稻的乙烯反应在多方面与拟南芥不同,推测水稻中或许存在着新的信号传递组分或新机制.筛选水稻乙烯反应突变体并鉴定相应基因将可能初步揭示水稻乙烯信号转导的新机制。     

水稻减数分裂相关基因OsDMC1的克隆

酵母DMC1基因是一个在减数分裂前期Ⅰ表达的减数分裂特异基因,其产物是减数分裂同源染色体配对所必需的,根据在酵母Dmc1与拟南芥AtDmcl中保守的氨基酸motifs合成的简并性引物,以cDNA作模板,通过套式PCR（nested PCR）和RACEs克隆了水稻中酵母DMC1的同源基因OsDMC1,OsDMC1全长的cDNA是1348bp,编码344个氨基酸组成的多肽（OsDmcl）,OsDmcl与Dmcl和AtDmcl的氨基酸序列一致性分别是51．8％和81．7％,OsMDC1在生殖器官中表达量较高,在根中有少量表达,而在叶和幼芽中不表达,Southern blot分析结果表明水稻基因组中有两个拷贝的OsDMC1。     

水稻含隐性抗白叶枯病基因xa5的24kb片段的鉴定与基因预测

水稻xa5基因是具有重要研究和育种价值的隐性广谱抗白叶枯病基因.利用水稻品系IR24及其近等基因系IRBB5(含xa5基因)杂交组合,构建了含4892个单株的F2定位群体.同时,利用与xa5连锁的RFLP标记筛查含xa5基因的水稻抗性品系IRBB56的BAC文库,构建了一个覆盖目标基因位点的长约213kb的跨叠克隆群.根据国际水稻基因组和中国超级杂交稻基因组序列,以及跨叠克隆群的部分亚克隆测序,设计了一系列SSLP和CAPS标记对目标基因进行精细遗传定位.xa5基因定位在2个CAPS标记K5和T4之间且与T2共分离,标记K5和T4之间的遗传距离为0.3 cM,物理距离约为24 kb.对xa5基因所在的24 kb片段DNA序列进行基因预测,揭示出可能编码ABC转运蛋白和转录因子TFIIA小亚基的2个基因.对这一区段及其编码基因的功能研究将阐明xa5抗白叶枯病的分子机制.     

河姆渡古稻DNA提取及其序列分析

水稻(Oryza sativa)最初在长江中下游地区被驯化,在中国境内已发现大量稻作遗址.目前稻作史研究均是根据形态如小穗轴等来进行驯化进程分析,至今尚无利用序列数据进行分析的报道.本研究对来自3个考古遗址(浙江田螺山遗址、江西新干战国粮仓和浙江湖州毗山遗址唐代文化层,年代分别为7000,2400和1200BP)稻作遗存进行了DNA提取,PCR克隆测定了4个基因组片段.序列分析表明,每个遗址均发现2个以上的水稻基因型,表明当时的种质尚处于混杂状态.与来自亚洲栽培稻以及野生稻的比较分析,发现至少一个古稻基因型在栽培稻中可能已丢失,同时本研究稻作遗存可能为粳稻类型,或当时可能尚处于籼粳稻混种或籼粳分化不明显状态,但粳稻类型占优势.本研究结果表明水稻在驯化过程中发生了显著的基因型分化.在田螺山遗址稻作遗存中还发现与无患子目、蒺藜目和十字花目植物高度同源的序列,这与遗址发现大量楝树遗存以及南方常见田间杂草芥类等植物遗存相吻合.     

一个水稻P450 CYP72A基因簇受病原菌诱导和发育及组织特异性表达

细胞色素P450超基因家族广泛参与植物的各类生命活动,包括植物对病原菌的防卫反应.我们在植物病原菌诱导基因的DD-PCR分析时,分离到一个受病原菌侵染诱导的水稻cDNA片段.水稻基因组公布后,发现该片段位于1个包含7个P450 CYP72A基因(CYP72A17～23)的基因簇的保守部分.以此片段搜索水稻数据库发现,水稻CYP72A家族有14个成员,这14个蛋白质之间的差异主要在N端,C端则同源性很高.我们分别对该基因簇的7个成员进行了表达特性分析,发现其中CYP72A18,19,22和23的表达受稻瘟病菌侵染的调节,而且在抗、感植株中的表达存在明显差异.除CYP72A20外,其余6个CYP72A基因均具有发育和组织特异性表达的特征.CYP72A20在所有研究中均检测不到信号,可能为一个假基因.这些发现为水稻P450基因功能的研究提供了新的资料.