近期公布的‘中国春’小麦基因组草图极大地促进了小麦各种重要性状基因的分离、单个染色体基因组的研究和遗传、物理图谱的绘制等研究。由于不同作物基因组之间具有高度保守的基因序列,因此广大学者都借助于比较基因组学来组装、定向和排序小麦基因组contig序列,而相关研究表明小麦中三个基因组的染色体之间存在着大量的倒位和易位等结构变异,这些变异阻碍了基因组数据的有效组装、目标性状基因的精细定位和图位克隆。本研究借助于公布的小麦及其近缘种属的基因和基因组数据,拟基于全基因组分析小麦模式植物‘中国春’中的染色体重排基因,从而为序列组装、基因分离、断点鉴定及结构变异机制研究提供重要基础。作为第四大粮食作物,大麦主要用于啤酒制造和饲料生成。淀粉是大麦中含量最丰富的碳水化合物,是决定其饲料和啤酒产量的主要因素。同时,淀粉也被广泛用于其他工业中(如生物酒精的制造)。故此,本研究还对大麦淀粉代谢关键基因进行了分离鉴定,为后续通过基因工程技术提高大麦淀粉含量提供了基础。将以上研究的主要结果总结如下：1、我们鉴定了4A、5A和7B易位染色体上参与易位和倒位片段的断点侧翼基因序列。这些断点的成功定位标志着我们在基因水平上第一次详细地描述了这些染色体的起源进化。这些结果进一步表明,尽管流式分离染色体臂能大大简化小麦基因组测序,但是当我们在对多倍体物种进行序列的起源进化分析时,需要对同源和非同源染色体进行同时分析,以明确序列的真正起源。(本研究内容于2013年发表在PLoS ONE,IF=3.534)2、通过分析基因序列在基因组上的位置,鉴定了551个基因参与到了臂间倒位,它们分布于小麦21个染色体中的10个。基于表达序列标签(EST)的染色体位置和遗传图谱距离,推测所有的倒位都发生在基因富集的、低重组率的着丝粒附近区域。结果显示,小麦三个基因组中存在着大量的染色体内的重排,并且可以断定一部分结构变异是在创制小麦非整倍体遗传材料时产生的。检测到的这些染色体变异能为今后通过比较基因组学方法来排序、定向和组织基因组序列以及基因克隆。(本研究内容于2014年发表在Genome Biology and Evolution,IF=4.532)3、利用比较基因组学的方式,鉴定出普通小麦‘中国春’基因型中分布于42个染色体臂的720个代表染色体间重排的基因。其中,58%的基因参与了4A、5A和7B染色体易位；而42%的基因则代表其他尚未鉴定的染色体易位。有趣的是,这些染色体重排事件没有偏向于A、B、D中任何一个基因组。在小麦中推导出如此众多的染色体间重排,进一步说明,当我们在利用共线性进行基因组组装和基因分离的时候,一定要注意染色体重排可能带来的困难的。本研究也为今后系统分析小麦物种及其近缘种属是否存在类似染色体易位提供了基础,也为进一步将这些易位应用于小麦分类和育种研究提供了前期工作。(本研究内容于2015年发表在BMC Evolutionary Biology, IF=3.407)4、通过比较分析糯大麦和野生型大麦,在糯大麦waxy基因第一内含子区鉴定出一个大小为193bp的插入片段、编码区鉴定出一个15bp的插入区和一些其他单核苷酸变异为点；另外,还鉴定出一个397bp的缺失片段,该片段包含TATA盒、转绿起始点、第一个外显子和内含子的部分序列。SDS-PAGE分析表明糯大麦中编码waxy基因的GBSS Ⅰ蛋白浓度显著低于正常大麦。RT-qPCR分析表明糯大麦材料中的waxy表达水平显著低于野生型大麦。瞬时表达分析表明由野生型大麦的1029bp启动子驱动表达的GUS活性强于由糯大麦的822bp(缺失397bp和插入192bp)启动子驱动表达的活性。扫描电镜分析表明糯大麦和野生型大麦中的淀粉颗粒形态无明显差异。这些结果进一步表明糯大麦中397bp的缺失是造成waxy基因表达水平减少、GBSSI浓度偏低、最后导致直链淀粉含量鉴定的主要原因。[本研究内容于2010、2013和2014年分别发表在Genes & Genomics (IF=0.497)、Genetica (IF=1.746)和Pak. J.Agri. Sci. (IF=1.054)]5、比较分析8个大麦皱缩突变体和野生型大麦发现突变体的直链淀粉含量最低为8.9%(seg4a),最高为25.8%(segl)。SDS-PAGE分析表明seg1、seg3、seg6和seg7突变体中的淀粉分支酶Ⅱ(SBEⅡ)和淀粉合成酶Ⅱ (SSⅡ)复合体(87 KDa)条带缺失。RT-qPCR分析表明seg1、seg3、seg6和seg7突变体中的waxy基因表达水平在开花后15-21天后又不断下降的趋势,直到27天后。序列分析表明突变体的waxy基因的编码区存在7个非同义单核苷酸变异位点(SNPs),启动子区则有16个SNPs和8个插入-缺失片段。扫描电镜分析表明seg4a、seg4b和sex1突变体含有的淀粉颗粒数量明显少于对照；seg3和seg6含有的B-型颗粒显著少于对照；seg7突变体的A-型颗粒呈现出凹陷特征。这些结果加深了我们对这些突变体的认识,为今后揭示皱缩突变的分子机制提供了前期工作。(本研究内容于2014年发表在Gene,IF=2.082)6、结合公布的基因组数据,我们分离了大麦淀粉磷酸化酶基因(Pho1和Pho2),并分析了其结构、启动子元件和表达模式。序列比对结果显示：1)不同物种中的Pho1和Pho2基因结构不同,有可变剪接存在于个别物种；2)Pho1和Pho2靠近配合基位点的外显子-内含子连接区比其他区域保守。氨基酸序列比对表明Pho1和Pho2除了N端和L78插入区外,其他区域都高度同源。RT-qPCR分析表明Pho2主要在发芽的种子中表达,而Pho1的表达模式同其他淀粉合成关键酶基因的类似。芯片数据分析表明：1)Pho1和Pho2在大麦、水稻和拟南芥中的表达模式都高度一致；2)大麦Pho1在冷和干旱胁迫下显著下调,在条锈菌浸染下显著上调。Pho2的表达模式与Pho1相似。水稻中,Pho1和Pho2在任意胁迫下都无显著变化。拟南芥中,Pho1在脱落酸显著下调,Pho2在冷、盐和脱落酸胁迫下显著下调。本结果为今后遗传修饰大麦磷酸化酶基因并研究其功能提供了基础。(本研究内容于2013年发表在Planta,IF=3.376)7、本论文进一步分析了大麦淀粉磷酸酶基因(HvSEX4)。结果显示,HvSEX4定位于4HL上,不同物种的SEX4基因结构有差异。位于第4内含子到第8外显子的区域在不同物种中高度保守。表达分析表明：1)SEX4主要表达于大麦的花药、水稻的幼叶和拟南芥的叶片；2)SEX4在水稻、大麦和拟南芥中都表现出昼夜节律性：3)SEX4在水稻和大麦的任何胁迫下都未表现出显著差异：4)拟南芥中的SEX4在冷、盐和热胁迫下表现出显著差异。同时,检测到SEX4和编码葡聚糖水合激酶(GWD)与磷酸葡聚糖水合激酶(PWD)的基因也高度相关。本研究为研究植物中SEX4基因的调控机制提供了基础。(本研究内容于2014年发表在Planta,IF=3.376)8、本论文分析了编码大麦淀粉磷酸酶的其他两个基因(HvLSF1和HvLSF2)。结果显示,HvLSF1和HvLSF2分别定位于1HL和5HL上。LSF2主要表达于大麦和水稻的花药、拟南芥的叶片中。LSF1则主要表达于大麦胚乳、水稻和拟南芥的叶片中。LSF1仅在水稻中表现为昼夜节律性,而LSF2则在水稻和拟南芥中表现出节律性。大麦中仅有冷胁迫显著下调了LSFl和LSF2的表达。拟南芥中在冷胁迫后期才显著下调了LSF2的表达,热胁迫则在中期显著下调了LSF1的表达。本研究仅在LSF2和编码葡聚糖水合激酶(GWD)与磷酸葡聚糖水合激酶(PWD)的基因之间检测到了高度相关性。同上一结果一致,本研究为进一步揭示植物中淀粉磷酸酶基因的调控作用提供了基础。(本研究内容于2015年投递到Plant Molecular Biology Reporter, IF= 2.374)