甘蔗糖转运蛋白超家族基因演化与表达分析

发布时间：2017-08-08 08:22

  本文关键词：甘蔗糖转运蛋白超家族基因演化与表达分析

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【摘要】：植物碳代谢的研究是生态学的重要内容,为农业发展带来了新的机遇。甘蔗是世界上最重要的糖料作物之一,是全球大约80%的蔗糖及40%乙醇的发酵原料。甘蔗的成熟茎杆的汁液中包含9%-18%蔗糖,而糖转运蛋白是甘蔗糖分的转运和代谢途径中最为核心的功能蛋白,探讨甘蔗糖转运蛋白基因超家族的基因组学与基因功能是研究甘蔗蔗糖的积累与高生物量形成的重要基础。本研究主要是利用比较基因组学结合甘蔗割手密的细菌人工染色体文库对甘蔗糖转运蛋白基因超家族的演化和功能展开研究,为甘蔗的分子遗传育种奠定基础。主要的结果如下：(1)运用比较基因组学的手段,利用甘蔗的近缘物种高粱从甘蔗高丰度的割手密种BAC文库中鉴定到了55个糖转运蛋白基因超家族成员。根据序列结构特征可以分为9个基因家族,其中PLT、HXT家族分为15、13个成员,MST和SUT家族各6个成员,INT和TMT家族各3个成员,VGT和pGLcT各1个成员,SFP家族有7个成员。(2)用代表性的单双子叶植物的糖转运蛋白基因超家族的蛋白质序列构建系统进化树,PLT、SFP.HXT是成员较多的三个家族,从基因家族演化来看,SFP、PLT、MST、INT家族均在演化的过程中出现过基因家族扩张现象。HXT家族的SsHXT13与香蕉的HXT基因在演化关系上更近,说明该基因的演化速率与物种之间的演化速率不同。从基因结构来看,PLT家族在演化的过程中可能有基因序列丢失的现象和外显子融合现象。MST家族中,部分基因(SsMsT2、SsMST6、 SsMST5)可能出现了基因结构扩张的现象,另一部分基因可能出现基因结构删除的现象。蔗糖SUTs家族成员单倍型、基因结构、演化关系的比较揭示了SsSUT5和SsSUT6是新复制且正进行快速演化的基因,而SsSUT2和SsSUT4是蔗糖转运蛋白基因家族中最为古老的基因。甘蔗SUTs家族中,SsSUT基因内含子序列的插入才造成了基因大小的扩张。虽然甘蔗为高倍体植物,甘蔗中SsSUT基因家族成员单倍型之间依然具有保守的基因结构和氨基酸序列。对韧皮部多醇的装载可能起到了重要的作用。GA、ABA、IAA的胁迫表达谱说明PLT3转运多醇可能在抗逆性高的甘蔗中参与了响应逆境胁迫。SFP家族的SFP3的表达可能与甘蔗的衰老相关,而SFP8可能与甘蔗苗期抗逆性有关。HXT13、HXT12、HXT2、HXT8都是HXT家族高丰度表达的基因,它们在四个材料苗期的源组织(叶片)、成熟期的热带种和现代栽培种的库组织(茎)和源组织(叶)中都高表达,说明它们在甘蔗的己糖装载和卸载过程起到非常重要的作用。TMTl在TMT家族中演化最快,而且在该家族中的表达丰度最高,它可能对甘蔗液泡己糖转运起着重要的作用,而TMT2在高抗逆割手密中对IAA的胁迫表达下调,说明TMT2在响应IAA胁迫的途径中可能起到了负调控的作用。MST家族的MST4在四个材料的各个时期均不表达,可能是因为该家族存在功能冗余的现象。MST6是该家族的高表达基因,可能在甘蔗苗期和成熟期的库组织中对单糖的卸载具有重要的作用,其在不同糖含量的材料中对GA、ABA等激素的表达方式不同,说明MST6响应胁迫的方式可能与糖浓度有关。INT3在INT家族中表达最高,它在甘蔗四个材料的成熟期中高表达,说它可能在甘蔗的源组织(叶片)和库组织(茎)的韧皮部中对肌醇的装载和卸载起到了重要的作用。SUT3在四个材料的3个时期中均没有检测到其转录本的存在,说明其在SUT家族是活跃度最低的成员,但是由于SUT3具有完整的基因结构,所以SUT3不可能是一个假基因。SUTl和SUT4是SUT家族的主要的成员,然而它们可能在甘蔗的糖分积累过程中均高丰度表达,说明它们之间可能发生了亚功能化。
【关键词】：甘蔗 糖转运蛋白 蔗糖转运蛋白 基因家族 演化 基因表达
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S566.1;Q943.2
【目录】：

• 缩略词8-9
• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 引言14-29
• 1 研究背景14-17
• 1.1 甘蔗的经济价值14
• 1.2 甘蔗的种质资源和分类14-15
• 1.3 甘蔗与高粱基因结构的共线性15-17
• 2 糖转运蛋白的研究进展17-27
• 2.1 糖转运蛋白概述17-18
• 2.2 植物糖转运蛋白基因的发现18-20
• 2.3 糖转运蛋白结构与性质的研究20-22
• 2.4 糖转运蛋白功能的研究22-24
• 2.5 植物糖转运蛋白的调节24-25
• 2.6 植物糖转运蛋白基因家族的研究进展25-26
• 2.7 植物蔗糖转运蛋白基因家族的研究进展26-27
• 3 本研究的目的和意义27-29
• 第一章 甘蔗糖转运蛋白基因超家族的鉴定及其演化分析29-65
• 1 材料与试剂29-30
• 1.1 实验材料29
• 1.2 仪器和试剂29-30
• 2 实验方法30-31
• 2.1 比较基因组学方法预测甘蔗糖转运蛋白基因超家族30
• 2.2 甘蔗BAC文库的测序30-31
• 2.3 甘蔗糖转运蛋白基因超家族的注释31
• 2.4 糖转运蛋白基因超家族系统进化树的构建31
• 3 结果与分析31-60
• 3.1 拟南芥、水稻、香蕉、葡萄和高粱糖转运蛋白基因超家族31-39
• 3.2 甘蔗糖转运蛋白基因超家族的系统发育分析39-50
• 3.3 甘蔗蔗糖转运蛋白基因家族的演化及基因结构分析50-60
• 4 讨论60-63
• 4.1 甘蔗糖转运蛋白基因超家族的演化60-61
• 4.2 甘蔗蔗糖转运蛋白基因家族的演化61-63
• 5 小结63-65
• 第二章 甘蔗糖转运蛋白基因超家族的表达谱分析65-91
• 1 材料与试剂65-66
• 1.1 植物材料65-66
• 1.2 试剂和仪器66
• 2 实验方法66-69
• 2.1 甘蔗组织总RNA样品的提取66-68
• 2.2 甘蔗RNA文库68
• 2.3 甘蔗RNA-seq定量分析68-69
• 2.4 qRT-PCR验证甘蔗糖转运蛋白基因超家族的表达谱69
• 3 结果与分析69-84
• 3.1 甘蔗总RNA提取及质量检测69-70
• 3.2 甘蔗糖转运蛋白基因超家族的共表达分析70-84
• 4 讨论84-89
• 4.1 甘蔗PLT家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式84-85
• 4.2 甘蔗SFP家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式85
• 4.3 甘蔗HXT家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式85-86
• 4.4 甘蔗TMT家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式86
• 4.5 甘蔗MST家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式86-87
• 4.6 甘蔗INT家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式87-88
• 4.7 甘蔗VGT家族和pGlcT生长时期及响应激素胁迫的表达模式88
• 4.8 甘蔗SUT家族生长时期及响应激素胁迫的表达模式88-89
• 5 小结89-91
• 结论91-93
• 参考文献93-106
• 攻读学位期间参与的科研项目与主要成果106-107
• 致谢107

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