蓝星睡莲中NBS-LRR基因家族的进化特征及其多样性研究

发布时间：2020-08-17 12:45

【摘要】：植物抗病基因(resistance gene,R gene)赋予了植物抵抗病原菌的能力,而富含核苷酸结合位点-亮氨酸重复序列(nucleotide binding site-leucin rich repeats,NBS-LRR)基因家族是抗病基因中成员数目最多,亚家族类型也最为丰富的一类。本研究的实验对象蓝星睡莲(Nymphaea colorata)在分类学中属于基部被子植物,并且在蓝星睡莲NBS-LRR基因家族的进化过程中,其具备了抵御病虫害、响应环境胁迫从而广泛分布的生态适应性。因此,蓝星睡莲兼具进化遗传学和生态学上的重要研究价值。本研究首次提供了对蓝星睡莲中NBS-LRR基因家族的系统发育分析,并进一步鉴定其结构域的保守性,确定亚家族分类。再根据基因在染色体上的定位,探究其进化扩增的主要原因。通过转录组测序文库,计算蓝星睡莲正常生长情况下NBS-LRR基因的表达值差异,结合顺式作用元件预测等信息,进一步分析NBS-LRR基因的功能与表达。本研究对今后研究蓝星睡莲生态机制、生态特征与生态环境之间的协同进化关系提供了理论依据。本研究主要结论如下:1.在蓝星睡莲全基因组序列中筛选出360个NBS-LRR基因序列,占其全基因组编码序列的1.14%。与其它代表性物种相比,蓝星睡莲中NBS-LRR基因家族数目存在大量扩增。2.将蓝星睡莲中NBS-LRR基因家族分为TNL,RNL和CNL三大亚家族,基因数分别占全基因组的31.94%、3.06%和65.00%。TNL亚家族在蓝星睡莲中虽有部分扩增,但却在同是水生植物的浮萍和大叶藻中丢失;RNL亚家族保持相对保守进化模式;CNL亚家族在蓝星睡莲中有着显著扩增,该进化趋势与模式植物拟南芥(CNL亚家族仅占31.13%)中的有所不同。推测NBS-LRR基因家族在进化过程中逐渐呈现出不同亚家族的扩增,以此应对不同生长环境的胁迫作用。3.首次鉴定了蓝星睡莲中NBS-LRR基因结构及其保守结构域。发现相同亚家族的序列具有高度相似性。TNL亚家族中协同出现了高比率的对称外显子(TNL II:81.01%)和0相位内含子(TNL III:73.96%)数,这意味着外显子在复制翻译的过程中可被完整复制。RNL亚家族保守结构单元类型比较单一。而CNL亚家族的内含子数目少,编码序列多集中在同一外显子内,可能是其遗传复制较为保守并含有大量的调控元件。4.在蛋白质结构预测中,结果显示TNL亚家族蛋白结构呈马鞍状,便于其相互作用传递信号;RNL和CNL亚家族蛋白结构均较为松散,便于其识别特异性作用位点。5.可视化基因在蓝星睡莲14条染色体上的分布情况,发现NBSLRR基因在蓝星睡莲中大量扩增的两个主要原因:一是富含大量串联重复基因,二是因全基因组加倍,祖先基因扩增产生旁系同源基因。6.对NBS-LRR基因家族的上游元件进行预测,发现其拥有参与防御与应激反应等顺式作用元件。因此可推断,在外界环境的刺激或胁迫作用下,NBS-LRR基因在防御与应激等功能上起一定作用。7.建立转录组测序文库,分析NBS-LRR基因在蓝星睡莲中表达值差异,结果表明仅有少部分在心皮中显著表达,其余基因表达值普遍偏低,猜测可能需要外界刺激或者胁迫作用下才会表达。最后通过荧光定量聚合酶链式反应技术验证了以上表达值的可靠性。综上,本研究揭示了NBS-LRR基因家族的演化关系,并首次对蓝星睡莲中NBS-LRR基因家族进行鉴定、结构分析及定位至染色体上。发现蓝星睡莲NBS-LRR基因家族在进化过程中以不同亚家族特异性扩增的方式,产生不同的表达调控作用,以适应环境变化、应对生态胁迫等威胁。该结论对NBS-LRR基因家族的起源、蓝星睡莲生态优势迅速崛起等相关研究有着至关重要的参考意义和价值。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q943

【参考文献】