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《中国农业大学》 2004年
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玉米苗期根系杂种优势及根系基因表达谱分析

张富  
【摘要】: 在生物学进入功能基因组的时代,从基因表达的水平研究农作物杂种优势是作物遗传育种的重要方向,新发展的cDNA芯片技术为在表达水平研究杂种优势提供了有力的工具。本实验的目的是利用cDNA芯片技术研究杂交种及其亲本的基因表达谱,试图从基因表达角度探讨杂种优势的分子机理。 本实验以优良玉米杂交种豫玉22及其亲本,综3和87-1,为对象,选取表现出强杂种优势的苗龄期根系为材料,采用WINRhizo根系图像分析系统比较杂交种及其亲本根系形态学的差异,利用含有9196条水稻unigenes片段的芯片研究杂交种及其亲本根系的基因表达谱,分析它们的基因差异表达模式,用Blastx比对等生物信息学的方法预测差异表达基因的生物学功能,并对个别差异表达的基因进行了RT-PCR的验证和序列分析。本研究获得以下有意义的结果: 1、在水培8天后,杂交种幼苗的总根长、根表面积、根体积和侧根数均表现出了显著的杂种优势。它们的超亲优势值:分别达到55.9%,63.6%,80%和49.3%。杂交种的根干重也表现了较强的杂种优势,超亲优势值为58.3%,表明根系可能是研究作物杂种优势的理想模式性状之一。 2、对水稻cDNA芯片的杂交结果分析发现,在7954个有效杂交点中,共检测出137个基因在杂交种和亲本间表达差异显著,占总点数的1.49%,表明对于玉米根系杂种优势,差异表达的基因是有限的。在发生差异表达的基因中,上调表达的基因30个,占差异表达基因的21.9%。下调表达的基因107个,占78.1%,说明基因的下调表达对根系杂种优势起到重要作用。 3、在五种基因差异表达模式中(Ⅰ 杂交种超亲表达;Ⅱ 杂交种抑制表达;Ⅲ 杂交种中亲表达;Ⅳ 杂交种偏低亲表达;Ⅴ 杂交种偏高亲表达),Ⅳ型所占比例最多,达70.6%,Ⅱ型占7.4%,而其他的三种表达模式共占22%,表明杂交种豫玉22苗期根系的杂种优势与基因在F1中的抑制表达有关。对基因表达量分析发现,杂交种和亲本的基因差异表达在5倍范围内变化。 4、对137个差异表达基因生物信息学分析发现,它们可能编码的蛋白有结构蛋白、酶、转运蛋白、转录因子、信号传导蛋白等。其中,参与核酸复制转录及修饰过程的基因有12个,占总差异基因数目的8.8%;与物质运输有关的11个,占8.1%;参与有机物质代谢的11个,占8.1%;信号传导的4个,占2.9%。可能与细胞分裂和伸长的相关的蛋白4个,占2.9%;参与光合作用的蛋白20个,占14.6%;抗逆蛋白10个,占7.3%;另外有48个功能未知的蛋白和11个在蛋白质数据库中没有同源序列的新蛋白,分别占35.0%和8.1%。对编码germin蛋白的基因的RT-PCR结果表明,该基因在杂交种中表达量下降。
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