棉花(Gossypium spp.)是一种重要的经济作物,棉纤维是纺织工业重要的原材料。棉花基因组序列信息的公布为鉴定棉花高产、优质等性状的基因和解析其抗逆、抗病机理提供了重要资料,也为选(培)育高产、优质、抗逆、抗病的棉花新品种奠定了基础。扩展蛋白(Expansin)是第一个被发现的细胞壁伸展蛋白,它能够在酸性条件下,断裂纤维素微纤丝之间及其与木葡聚糖之间的氢键,诱导细胞壁发生不可逆的伸展,从而促使植物细胞增大。在拟南芥等模式植物中扩展蛋白家族基因的解析已经取得重大的进展,但是在棉花等植物中的研究却寥寥无几。所以,本研究通过生物信息学手段鉴定棉花基因组中扩展蛋白基因家族的成员,通过系统发育树的构建和共线性分析等方法对扩展蛋白基因家族成员的亲缘关系与进化过程进行全面挖掘,并通过microArray数据、RNA-seq数据研究扩展蛋白基因在棉花纤维发育的不同时期、以及棉花植株的不同组织中的表达情况,以鉴定纤维发育相关的扩展蛋白家族成员。获得的主要结果如下:1.棉花扩展蛋白家族基因的鉴定在二倍体雷蒙德氏棉基因组及四倍体陆地棉基因组中,分别鉴定出39个和72个扩展蛋白基因。与拟南芥、水稻的扩展蛋白基因一起,进行系统发育树分析,将所鉴定的扩展蛋白基因归属到4个亚家族,然后根据它们在染色体上的位置对其进行命名。雷蒙德氏棉基因组中含26个EXPA基因,4个EXPB基因,3个EXLA基因和6个EXLB基因;陆地棉基因组中含46个EXPA基因,8个EXPB基因,6个EXLA基因和12个EXLB基因。亚家族间扩展蛋白基因具有相对多样化的基因结构(外显子-内含子结构)。2.染色体大片段倍增和串联重复对扩展蛋白基因家族的扩张发挥决定性作用扩展蛋白家族成员在二倍体雷蒙德氏棉染色体上的分布和基因间的共线性分析显示,雷蒙德氏棉扩展蛋白家族的多数成员都与串联重复或大片段染色体倍增相关,说明大片段染色体倍增与串联重复对雷蒙德氏棉扩展蛋白基因家族的扩张发挥重要作用。研究显示,扩展蛋白家族基因在雷蒙德氏棉的进化史中经历了3次扩张;扩张后纯化选择占主导地位。在四倍体陆地棉中,扩展蛋白基因家族的扩张除了跟大片段倍增或者串联重复有关外,还与染色体组倍性的升高有关,染色体组倍性的升高导致扩展蛋白基因家族成员数量的加倍(相对于二倍体;当然,其中存在少数扩展蛋白基因丢失和去功能化)。3.棉花和拟南芥的多数扩展蛋白基因都位于2个物种染色体的共线性区域棉花和拟南芥染色体的共线性分析发现,多数扩展蛋白成员处于两者的共线性区域中,显示棉花的扩展蛋白基因与拟南芥中共线性的这些基因来自共同的祖先。多数扩展蛋白基因的功能在拟南芥中已诠释清楚,所以依据拟南芥中扩展蛋白基因的研究结果可以推测棉花中对应基因(collinearity orthologos)的功能,为进一步的功能研究提供信息。4.雷蒙德氏棉扩展蛋白家族基因的表达谱分析比较雷蒙德氏棉纤维发育不同时期及叶片、花瓣的深度测序和基因芯片表达谱,发现大部分扩展蛋白基因参与了雷蒙德氏棉纤维、叶片和花瓣的生长发育,在不同的时空范围内显示出不同的表达丰度。GrEXLA1、GrEXLA2和GrEXPA16在花瓣中优势表达,GrEXPA23和Gr EXPA24在叶片中表达水平较高,推测这些基因分别参与了花瓣和叶片的发育进程;其余的扩展蛋白基因,在纤维的不同发育阶段,表现出不同的表达丰度,暗示着它们与纤维的品质和产量有一定的关系。5.陆地棉扩展蛋白家族基因参与了包括纤维发育在内的一系列的生长发育进程深度测序(RNA-seq)数据表明,在不同的时空条件下,分别有不同的扩展蛋白基因,其表达量显著上升。GhEXPA07和GhEXLB11在根中高量表达,GhEXPA26和GhEXLB01在茎中高量表达,GhEXPA24在嫩叶中高量表达,GhEXPA18在0 dpa的胚中高量表达。这些具有时空表达特异性的扩展蛋白基因,对相应时空条件下的生长发育进程具有重要作用。特别地,GhEXPA14和GhEXPA36在开花后10-20天的胚/纤维中超高量表达,且其直系同源基因GrEXPA19在雷蒙德氏棉的20 dpa前的胚中也高量表达,推测它们可能是控制纤维品质的重要基因。
【学位单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:S562
【部分图文】:
图 1-1 陆地棉与亚洲棉和雷蒙德氏棉之间基因组的关系维是由开花前后的胚珠表皮细胞经分化、突起、极性伸长和次生细胞育形成的(图 1-2)。棉纤维是植物界合成纤维素最多、伸长最快和跨,所以它成为研究植物纤维素合成、细胞壁形成和细胞分化伸长的重,2016; Mansoor and Paterson, 2012)。

图 1-2 棉花纤维生长发育模式图【引自 Haigler et al., Front Plant Sci. 2发育机制研究进展单细胞结构的种子表皮毛,起始于胚珠表皮的单个细胞,其发育同步,最终发育成成熟的棉纤维。棉纤维的发育可划分

图 1-3 拟南芥扩展蛋白系统进化树分析.2.3 扩展蛋白基因的进化植物中存在分泌蛋白,仅与扩展蛋白的 Domain1 或 Domain2 有同源区域。Grou粉过敏原蛋白与 EXPB 氨基酸序列存在 35%-45%相似性,含有与 Domain2 相似的域和具分泌功能的信号肽,它们似乎是由截短的 EXPB 进化而来(Sampedro a
【参考文献】
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2832164
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