棉花零式果枝基因的精细定位及PEBP基因家族适应性进化分析

发布时间：2020-06-26 11:26

【摘要】：目的:株型结构是影响作物产量和品质的重要综合性状。开花标志着植株从营养生长阶段向生殖生长阶段的转换,是开花植物对内部信号和外部刺激作出的响应,也深刻影响植物的生长特性和株型结构。自然条件下,棉花植株由主茎顶端生长点持续产生侧枝和花序,形成无限生长的株型结构。棉花的枝包括营养枝和果枝两种,果枝又可分为有限果枝和无限果枝。零式果枝是典型的有限果枝类型,其主茎直接着生花蕾,或仅有一个短果节,果节顶端为单生花或丛生花,从而形成非常紧凑的株型结构。本文围绕棉花零式果枝性状,对其遗传控制基因进行精细定位和初步验证,在此基础上,对棉花零式果枝控制基因所属的植物PEBP基因家族进行系统地生物信息学和适应性进化分析,以揭示植物PEBP基因家族的进化特征、进化动力和关键分子信息,重建棉花PEBP基因家族进化模式和历史,为全面解析PEBP基因家族在棉花中的多样化功能,阐明棉花零式果枝遗传的分子机制,指导棉花株型育种奠定基础。方法:(1)本研究中,采用集团分离分析法(BSA)并结合高通量测序技术(NGS),通过零式果枝海岛棉品种新海18号与无限果枝陆地棉材料TM-1杂交,获得海陆杂种F_2代作图群体,构建精细图谱对棉花零式果枝控制基因进行精细定位;(2)通过转基因互补表达,初步确定零式果枝控制基因;(3)根据棉花全基因组测序与注释结果,采用序列比对和同源克隆的方法,对各主要棉种基因组中(包括10个二倍体物种和5个四倍体物种)的PEBP家族基因进行鉴定、克隆,以获得PEBP基因家族在棉属主要基因组(或物种)中的分布情况,并对棉花PEBP基因家族进行生物信息学分析;(4)采用分枝模型(Branch model)、位点模型(Site model)和枝-位点模型(Branch-site model),分别对棉属和蔷薇类植物PEBP基因家族进行适应性进化分析;(5)结合植物进化中所发生的历次全基因组加倍事件,通过祖先基因鉴定、直系同源基因鉴定分组、系统发育分析、分化分析等方法,阐明棉花PEBP基因家族扩张、删除与分化的进化模式,重建棉花PEBP基因家族的进化历史。结果与结论:(1)遗传分析表明,棉花零式果枝性状由单位点隐性基因gb_nb1控制;采用简化基因组测序技术,获得父、母本间等位单核苷酸多态性(SNPs),并对SNP位点在F_2代零式果枝和无限果枝群体中的分布特征进行了鉴定;通过分离分析,发现一个包含42个SNP标记的、长度约~9.0Mb的候选区域与零式果枝控制基因gb_nb1存在关联,最终将gb_nb1定位于陆地棉Chr16上一长度约600kb的区间。(2)拟南芥互补试验表明,位于该区间内的拟南芥ATC同源基因GhNB(Gh_D07G1075)为零式果枝控制基因,该基因属于植物PEBP基因家族。(3)采用序列比对和同源克隆方法,鉴定、克隆了棉属15个种内的PEBP家族基因共计160个;系统发育分析表明,棉属PEBP家族基因分为MFT-Like、FT-Like和TFL1-Like等3个亚家族,包括MFT-L1、MFT-L2、FT、BFT-L1、BFT-L2、TFL1-L1、TFL1-L2、CEN等8个直系同源组;二倍体棉种基因组含有8个分别属于不同直系同源组的单拷贝PEBP基因,而四倍体棉种基因组则含有16个分别属于8个直系同源组的双拷贝PEBP基因。(4)生物信息学分析表明,在基因长度、基因结构、DNA序列、CDS序列、蛋白质序列等方面,不同直系同源组之间存在明显差异,而来自于不同棉种的、同一直系同源组内的PEBP基因高度相似甚至完全一致;棉花PEBP基因具有典型的PEBP家族基因结构,包括4个外显子和3个内含子;陆地棉PEBP基因时空表达模式分析表明,不同PEBP基因的时空表达模式存在显著差异;对PEBP基因启动子的生物信息学分析表明,光响应顺式作用元件在PEBP家族基因启动子区域普遍存在;植物原始祖先胶球藻和小立碗藓的PEBP基因启动子区域的光响应顺式作用元件的数量明显少于棉花PEBP基因;棉花PEBP家族基因上游顺式作用元件呈不均衡分布,不同PEBP直系同源组间启动子所包含的顺式作用元件种类和数量存在明显差异,而直系同源组内PEBP基因上游的顺式作用元件分布则具有极高的相似性。(5)棉属PEBP基因家族的适应性进化分析表明,棉属PEBP基因家族的平均选择压力ω仅为0.12396,表明棉属PEBP基因家族是一个极端保守的、呈高度负向(纯化)选择的基因家族;分枝模型分析表明,棉属PEBP基因家族中的MFT-L1、MFT-L2与FT分枝(直系同源组)在进化中所受到的选择压力与背景枝存在显著的异质性差异;采用枝-位点模型在棉属PEBP家族MFT-L2和FT分枝分别检测到7个和2个正向选择位点,而MFT-L1分枝未检测到正向选择位点。(6)蔷薇类植物PEBP基因家族适应性进化检测表明,蔷薇类植物PEBP基因家族受到的选择压力ω均值为0.09675,印证了PEBP基因家族的进化保守特性;分枝模型分析表明,蔷薇类植物PEBP基因家族中MFT和FT分枝的选择压力与背景枝存在显著的异质性差异;采用枝-位点模型在MFT分枝和FT分枝分别检测到13个、6个正向选择位点;蛋白质分子三维模拟表明,除VvFT蛋白质分子中的69V(对应于VvTFL1中的65T)外,所检测到的正向选择位点都分布在PEBP蛋白质分子表面。(7)植物PEBP基因家族在藻类祖先中至少包含2个拷贝;植物MFT-L1分支与MFT-L2分支的分化对应于被子植物祖先ε全基因组加倍事件,而棉花TFL1-L1与TFL1-L2、BFT-L1与BFT-L2则来自于棉属祖先的全基因组加倍事件;随着植物中全基因组加倍事件的持续发生,PEBP基因家族亦不断发生基因的复制、删除和分化等进化事件,现存棉花PEBP基因家族是历次植物全基因组加倍以及基因删除、分化的结果;在此基础上,重建了棉花PEBP基因家族的复制、删除和分化的进化模式和历史。
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S562
【图文】：

模式图,基因复制,模式,多倍化

图 1-1 基因复制的模式Figure 1-1 Mechanisms of gene duplication.重复和多倍化；B，串联重复或通过非同源位点充足导致的基因重复；C，转座子介重复；E，反转录复制 (Panchy et al. 2016).

谱系,基因家族,染色体组,棉属

分子系统发育分析表明，组成棉属的所有物种来自于单一天然谱系（Cronn et al.2002），与棉属亲缘关系最近的植物是来自非洲-马达加斯加的 Gossypioides 属和来自夏威夷的 Kokia 属，大约在第三纪中新世（约 10-15 百万年），棉属与 Gossypioides 属和Kokia 属分离出来，并迅速在世界各地扩散，并形成 3 个主要的二倍体类群：新世界类群（D 基因组）、亚非类群（A、B、E、F 基因组）和澳洲类群（C、G、K 基因组），其中包括若干跨洋扩散事件，也与相关的形态学、生态学、染色体分化等证据相互印证（Seelanan et al. 1997；Cronn et al. 2002；Wendel et al. 2009）。迄今所发现的天然四倍体棉种，均为由 AD 染色体组组成的异源四倍体，其染色体组包括来自于亚洲或非洲的 A 亚基因组（亚洲棉或草棉）和来自于美洲的 D 亚基因组（雷蒙德氏棉）。现在通常认为，异源四倍体 A 染色体组的真正供体已经灭绝，现存的亚洲棉或草棉与异源四倍体种的 A 染色体组的亲缘距离相当，而对于 D 染色体组的供体，目前较为公认的是雷蒙德氏棉。结合形态学、细胞学、分子学、地理分布等方面的相关证据，Fryxell 认为大约 1-2 百万年的中更新世，A 染色体组祖先种，通过大西洋扩图 1-4 PEBP 基因家族的功能分化(Wang et al. 2015)Figure1-4 Functional differentiation of PEBP gene family

【参考文献】