高羊茅和狗牙根的连锁不平衡，转录组分析和耐盐激素调节

发布时间：2020-11-13 07:10

　　 土壤盐分是严重限制植物生长以及全球大部分地区作物生产力的非生物因素。植物对环境胁迫的适应是一个缓慢的过程,而对土壤盐度的研究是一个复杂的过程,因此有必要关注植物的环境响应。高羊茅(Festuca arundinacea)作为世界上重要的冷季草坪草之一,在用作饲料盐渍土方面具有极高的潜力。此外,高羊茅草坪可以提高土地利用率并减少土壤侵蚀,从而有助于环境保护,娱乐休闲和提高美学价值。然而,土壤盐渍化的增加限制了高羊茅种植及其生产力。这是至关重要的,因为对于具有优异耐盐性的基因型的选择和育种的不同高羊茅基因型的评估尚未完全探索。因此,为了便于耐盐高羊茅的鉴定,选择和育种,我们使用99个SSR标记以及五种功能表型特征(即叶片含水量、草皮质量、蒸散率、相对生长率和叶绿素含量),评估了来自全球不同地区的多种高羊茅种群。在整个种群中存在显着的加入-处理效果,具有相似的盐浓度水平。五种功能性状表现出高羊茅的高度多样性和显着的相互关系。小组中检测到两个种群。SSR与功能性生理特征之间的关联映射鉴定了总共1024个等位基因标记,其中大多数与五个性状具有显着关联。一些等位基因标记与一种以上的特征相关。然后我们根据耐受水平对植物进行排序,并根据性能评估获得最耐受和最敏感的种质。原则上,关联作图研究不仅为具有优异耐盐性的基因型提供选择和繁殖基础,而且为后续的分子研究奠定了基础。缺乏高羊茅全基因组序列有利于转录组在对盐胁迫的潜在分子反应的研究中进行深入了解。在这里,我们使用鉴定的耐盐高羊茅加入'Puregold'进行全面的转录组分析。组装后,获得unigenes及其各种特性。随后将unigenes与7个功能注释数据库对齐,将其分为各种类别,包括可能在耐盐性中起重要作用的类别。此外,检测编码DNA序列以及分布在unigenes中的SSR和SNP。还预测了关键的TF,其中大多数属于耐盐家族。植物激素作为关键分子,可以在压力环境条件下促进植物生长、提高作物生产力。在盐胁迫下对不同高羊茅的加入进行了描述后,我们还研究了新型激素多效唑对高羊茅耐盐性的作用。我们观察到多效唑引发耐盐基因的上调,通过提高叶片含水量、渗透调节以及生物量和光合能力来促进耐盐性。然后,我们根据我们的结果以及前人的文献,回顾并提出了高羊茅耐盐性的总结模型。最后,作为最重要的暖季型草坪草,我们还分析了 microRNA对狗牙根耐盐性的作用。微小RNA不仅在各种生物过程中发挥着重要作用,而且还增强了植物对环境胁迫的抵抗力。正如观察到更高的K+/Na+比率,更高的膜完整性以及在盐胁迫下更高的水分利用率一样,在这里,功能生理特征的量化揭示了百慕大品种'43'('C43')比品种'198'('C198耐盐。为了理解转录后盐胁迫响应,使用RNA测序构建四个狗牙根smallRNA文库,即C43_salt,C198_salt,C43_control和C198_control。共表达146个miRNA,属于17个保守家系,12个非保守家族和新序列。此外,在4个文库中差异表达536个miRNA,并且在盐胁迫诱导下,'C43'比' C198下调了'更多的miRNA。差异表达的miRNA靶向1891个基因,其中584个基因本体术语注释。注释到代谢过程、转录调节、DNA模板、信号转导、脂质代谢、细胞周期、氧化还原过程和蛋白质结合的基因高度富集。还富集了转录因子复合物,其中关键盐响应和生长相关转录因子及其同源miRNA在C43与C198盐方案中下调。通过实时qPCR验证miRNA及其靶标的表达模式,这与测序结果一致。我们的研究结果为miRNA在贝氏乳杆菌细胞分裂和特化发生的根尖的潜在盐响应调节作用提供了新的见解。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S688.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
Chapter 1 Introduction
    1.1 Background
    1.2 Problem statement
    1.3 Justification
    1.4 General objectives
    1.5 Literature review
        1.5.1 Soil salinity
        1.5.2 Effects of salinity on plants
        1.5.3 Why study tall fescue and bermudagrass?
    1.6 Recent advancements in Studying plant salinity stress
        1.6.1 Association mapping using molecular markers
        1.6.2 Plant transcriptomics
        1.6.3 Exogeneous plant growth regulators
        1.6.4 MicroRNAs and their target genes
Chapter 2 Materials and Methods
    2.1 Collection of tall fescue plant materials for screening
        2.1.1 Salt treatment
        2.1.2 Measurement of functional phenotypic traits
        2.1.3 DNA isolation and SSR analysis
        2.1.4 Population structure analysis
        2.1.5 Association mapping
        2.1.6 Ranking of most tolerant and sensitive accessions
    2.2 Selection of most tolerant cultivar for transcriptome analysis
        2.2.1 Temporal salt treatment
        2.2.2 Total RNA Extraction,Library Construction,Sequencing,and analysis
    2.3 Hormonal treatment
        2.3.1 Quantification of functional physiological parameters
        2.3.2 Ion accumulation and membrane integrity
        2.3.3 Chlorophyll content and Photosystem Ⅱ determination
        2.3.4 Gene regulation level
    2.4 MicroRNA in bermudagrass root growth bermudagrass
        2.4.1 Distinction of tolerant and sensitive cultivars
        2.4.2 RNA extraction,sequencing,and small RNA library construction
        2.4.3 small RNA data processing
        2.4.4 Detection of known and novel miRNAs
        2.4.5 Analysis of differentially expressed miRNAs（DEM）and prediction of their targets
        2.4.6 Validation of the miRNA and their targets by real-time qPCR
Chapter 3 Results
    3.1 Association analysis of tall fescue
        3.1.1 Salinity-accession effect
        3.1.3 Functional physiological traits
        3.1.4 There were distinct population groups within the panel
        3.1.5 Population structure
        3.1.6 There was significant marker-trait association within the population
        3.1.7 There was differential ion accumulation across the panel
    3.2 Transcriptome analysis
        3.2.1 There is a temporal difference in transcript level
        3.2.2 De Novo Assembly and Unigene Annotation
        3.2.3 Unigene functional annotation
        3.2.4 Unigene's TFs,and Unigene's Coding DNA Sequence Forecast
        3.2.5 Identified Unigene's SSR and SNPs
        3.2.6 Differential gene expression and distribution in samples
        3.2.7 Differential protein interaction
        3.2.8 qPCR Validation of the results
    3.3 Role of paclobutrazol
        3.3.1 Effect of paclobutrazol on RWC and chlorophyll content
        3.3.2 Compatible solutes analysis
        3.3.3 Chlorophyll content and photosystem Ⅱ
        3.3.4 Salt damage level determination
        3.3.5 Gene expression level
    3.4 Reviewed summary and our proposed mechanism
    3.5 Role of miRNA
        3.5.1 Distinction of salt tolerant and sensitive bermudagrass cultivars
        3.5.2 Small RNA filtering
        3.5.3 Identification of known and predicted miRNAs
        3.5.4 Identification of differentially expressed miRNAs
        3.5.5 Target identification and GO-based classification
        3.5.6 Real-time qPCR validation of miRNA and their target
Chapter 4 Discussion
    4.1 SSRs and functional traits are reliable for ranking tall fescue salt tolerance level
    4.2 Transcriptome data:resourceful for tall fescue breeding
        4.2.1 Chaperonins and Rubisco proteins may play role tall fescue salt tolerance
    4.3 Paclobutrol ameliorates negative effects of salt stress on tall fescue
    4.4 Co-downregualtion of salt-responsive and root growth miRNAs may promotebermudagrass salt tolerance
Chapter 5 Conclusion and future prospect
References
Additional files
Acknowledgements
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本文编号：2881901