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普通小麦杂交种与亲本间根系基因表达差异与杂种优势分子机理

作　者: 王章奎
导　师: 孙其信
学　校: 中国农业大学
专　业: 作物遗传育种
关键词: 小麦根系杂种优势 DDRT和cDNA-AFLP 分子机理
分类号: S512.1
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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引　用: 8次
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内容摘要

本论文采用NCⅡ设计的4×5杂交组合为材料，测定了拔节期根系性状杂种优势，分析了杂交种与亲本之间基因差异表达的类型和比例及其与杂种优势表现的关系。在此基础上，选用根系杂种优势优势显著的一个杂交组合（3338×6654），克隆了52个杂交种与亲本之间差异表达的cDNA片段，获得了5个差异表达基因的完整ORF序列，并对一个基因进行了初步的功能分析，包括基因的原核表达和转拟南芥超量表达，以期为探讨小麦杂交种与亲本之间基因差异表达与性状杂种优势表现的关系提供有价值的信息。所得主要结果如下： 1 采用温室营养液培养方法，系统测定了小麦杂交种与亲本8个根系性状的表现，包括总根长、根表面积、根平均直径、根尖数、最长根长、根体积、根干重和根冠比等，并计算了不同组合的中亲优势（MPH）和超亲优势值（BPH）。结果发现，小麦根系性状存在明显的杂种优势，20个组合各个性状的MPH和BPH平均值分别为：根平均直径（71.46％和55.53％）＞根表面积（54.12％和39.33％）＞总根长（46.92％和30.85％）＞根体积（46.84％和26.87％）＞根干重（36.73％和16.12％）＞根尖数（33.39％和8.57％）＞最长根长（19.60％和10.73％）＞根冠比（6.66％和-11.03％），超亲优势也有类似趋势。在所有20个组合中，有21个性状的中亲优势幅度达到或超过100％，其中11个性状的超亲优势达到或超过100％，其中3338／6554在所有8个性状中均表现出明显的正优势。 2 我们发现，小麦根系亲本与杂交种之间存在四种差异表达类型：双亲共沉默类型（BPnF₁）；单亲表达沉默类型（UPnF₁）；杂种特异表达类型（F₁nBP）；单亲表达一致类型（UPF₁）。差异比例分别为：BPnF₁为6.74％，UPnF₁为5.92％，F₁nBP为4.38％，UPF₁为10.48％。与8个根系性状杂种优势的相关分析结果表明，两种差异表达类型与两个根系性状的杂种优势（中亲和超亲优势）相关显著。BPnF₁与根体积的中亲和超亲优势均表现出极显著负相关。UPnF₁与根体积和根干重的中亲和超亲优势均表现显著负相关。 3 分离克隆52个经反向Northern或RT-PCR验证的差异表达cDNA片段。测序和同源性比较结果表明差异表达基因涉及各种各样的功能。差异表达的基因片段的功能几乎涉及植物生长发育的各个进程，包括呼吸作用，物质运输，信号转导及转录调控以及对逆境的抗性。 4 采用电子克隆方法，结合RT-PCR分析验证，获得了5个具有完整阅读框架的cDNA片段，这些基因在杂种中全部为增强表达。分别被命名为TaANN1，TaPBF2，TaPCS2，TaCDPK1，TaPIN1，其推测的生物学功能分别为膜联蛋白，DNA结合蛋白Dof家族，螯合肽合成酶，钙依赖的蛋白激酶以及生长素运输子（外运）。生物信息学分析结果表明它们均具有与功能相一致的结构域。 5 对螯合肽合成酶类似基因TaPCS2的ORF进行原核表达以及转拟南芥超量表达，并分别进行了重金属抗耐性的鉴定工作。结果发现它在转入细菌以及拟南芥时均表现出对重金属镉的较强的耐受能力。而且在不含重金属的培养基中超量表达该基因的植株表现出明显的根系生长优势。

全文目录

ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章文献综述  7-22
  1.1 作物杂种优势利用研究进展  7-10
    1.1.1 作物杂种优势利用概述  7
    1.1.2 小麦杂种优势研究现状  7-10
  1.2 杂种优势机理研究  10-15
    1.2.1 作物杂种优势的遗传学基础  10-11
    1.2.2 基因网络系统与杂种优势  11-15
  1.3 植物根系形态发育的分子生物学研究进展  15-20
    1.3.1 小麦根系的建成  15-16
    1.3.2 禾本科作物和拟南芥根系形态学比较  16
    1.3.3 拟南芥根系发育相关基因的克隆和功能分析  16-20
  1.4 本研究的目的和意义  20-22
    1.4.1 立论依据  20-21
    1.4.2 研究内容  21-22
第二章小麦拔节期根系性状杂种优势研究  22-32
  2.1 材料和方法  22-23
    2.1.1 供试材料  22
    2.1.2 实验方法:  22-23
  2.2 结果与分析  23-30
  2.3 讨论  30-32
第三章小麦拔节期根系基因差异表达与杂种优势的关系  32-41
  3.1 材料和方法  32-33
    3.1.1 供试材料  32
    3.1.2 实验方法  32-33
  3.2 结果与分析  33-38
    3.2.1 杂交种和亲本间基因表达差异  33-35
    3.2.2 基因差异表达模式与农艺性状杂种优势的相关分析  35-37
    3.2.3 差异表达模式与根系性状中亲优势和超亲优势的相关  37-38
  3.3 讨论  38-41
    3.3.1 小麦杂种与亲本之间根系基因差异表达的模式  38-39
    3.3.2 基因差异表达与农艺性状杂种优势相关分析  39
    3.3.3 某些差异表达模式与根系性状杂种优势显著相关  39-41
第四章小麦亲本和杂种间根系差异表达基因片段的回收、验证、克隆和功能推测  41-56
  4.1 对DDRT差异表达基因片段的回收、验证、克隆和测序  41-49
    4.1.1 材料和方法  41-44
    4.1.2 结果与分析  44-47
    4.1.3 讨论  47-49
  4.2 CDNA-AFLP差异表达基因片段的回收、验证、克隆和测序  49-56
    4.2.1 材料和方法  49-50
    4.2.2 结果与分析  50-53
    4.2.3 讨论  53-56
第五章具有完整读码框(ORF)片段的克隆以及结构分析  56-88
  5.1 材料与方法  56
    5.1.1 供试材料同上章第一节  56
    5.1.2 电子克隆ORF方法  56
    5.1.3 模板准备、PCR扩增以及克隆、测序方法见前节  56
  5.2 结果与分析  56-85
    5.2.1 TaANN1基因的ORF拼接、克隆、测序以及序列分析  56-63
    5.2.2 TaPBF2的ORF拼接、克隆测序以及序列分析  63-67
    5.2.3 TaPCS2基因的ORF拼接、克隆测序以及序列分析  67-72
    5.2.4 TaCDPK1基因的结构及序列分析  72-79
    5.2.5 TaPIN1基因的序列及结构分析  79-85
  5.3 讨论  85-88
    5.3.1 TaANN1基因的结构和功能推测  85
    5.3.2 TaPBF2基因的结构和功能推测  85-86
    5.3.3 TaPCS2基因的结构和功能推测  86
    5.3.4 TaCDPK2基因的结构和功能推测  86-87
    5.3.5 TaPIN1基因的结构和功能推测  87-88
第六章螯合肽合成酶基因的原核表达和真核超表达  88-99
  6.1 TAPCS2基因的原核表达载体构建及在大肠杆菌中的诱导表达  88-93
    6.1.1 材料与方法  89-91
    6.1.2 结果与分析  91-93
  6.2 拟南芥超量表达TAPCS2基因  93-99
    6.2.1 实验试剂  93-94
    6.2.2 实验方法:  94-96
    6.2.2 结果与讨论  96-99
结论  99-100
参考文献  100-113

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