基于转录组和基因组的葡萄无核分子机制及无核相关基因功能研究

发布时间：2018-01-13 03:02

  本文关键词：基于转录组和基因组的葡萄无核分子机制及无核相关基因功能研究　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：葡萄(Vitis spp.)是世界第二大水果,无核葡萄更是为现代鲜食消费和制干产业所青睐,无核葡萄因而成为适应市场和产业发展的育种方向,具有极大的研究价值。目前,葡萄无核分子机制尚未明晰,无核关键基因也有待继续挖掘,鉴于此,本研究以有核葡萄‘红地球’与无核葡萄‘森田尼无核’的杂交分离后代群体为材料,开展了杂交有核、无核葡萄后代胚珠发育3个关键时期的转录组分析,并采用混样测序策略对葡萄无核亲本‘森田尼无核’、有核亲本‘红地球’及其杂交有核、无核后代植株进行基因组重测序,并将转录组与基因组测序结果相结合对葡萄无核机制进行探究;同时系统地从进化和表达模式方面分析葡萄MADS-box基因家族,克隆了2个无核相关基因,并进行初步功能验证。获得的主要结果如下:1、通过对有核葡萄‘红地球’与无核葡萄‘森田尼无核’的杂交有核、无核葡萄后代进行胚珠发育的质量监控,确定胚珠发育的3个关键时期。将所选取时期的杂交有核、无核葡萄后代各5株进行胚珠极端性状混合池转录组测序,共获得6607个显著差异表达基因,并从差异基因涉及的表达模式、基因本体注释、生物学过程富集、代谢路径富集、激素响应及表观调控等方面进行多角度的分析。发现杂交有核、无核葡萄后代胚珠发育的差异主要集中在种皮发育、胚乳发育、激素平衡、表观遗传调控及胚珠身份基因复合物形成方面。激素水平测定发现CTK含量在有核葡萄后代胚珠显著高于无核后代,GA、IAA和ABA含量则在无核葡萄后代胚珠显著高于有核后代。基于模式植物拟南芥种子发育的相关研究,从种皮发育、胚乳发育及胚珠发育基因复合物形成这3个主要方面绘制了葡萄胚珠发育差异基因的网络调控图。2、以有核葡萄‘红地球’与无核葡萄‘森田尼无核’的杂交有核、无核葡萄后代叶片混合池为材料,通过基因组测序鉴定到大量的功能性变异位点。通过结合杂交有核、无核葡萄后代胚珠发育的转录组数据,发现含有功能性变异位点的差异表达基因包括抗病蛋白、蛋白激酶、转录因子、细胞色素P450、纤维素相关蛋白及钙调蛋白等种子发育相关因子。主要参与激素平衡调节、种皮发育、胚乳发育、繁殖器官发育、氧化还原、衰老死亡等生物学过程。此外,基于2个混池基因型频率,获得了与无核性状关联的QTL区间,通过区间内差异基因的表达模式筛选到9个候选基因,并进一步对其进行不同组织器官和多种有核、无核葡萄胚珠发育过程的表达分析,发现其在有核、无核葡萄材料胚珠发育过程的表达模式出现差异,结合现有文献和基因功能注释进一步将其认定为无核相关基因。3、在葡萄全基因组共鉴定到54个葡萄MADS-box基因,并据其染色体位置进行命名。葡萄自身同线性分析表明串联重复和并联重复促进了葡萄MADS-box基因家族的扩增。拟南芥和葡萄基因组间的同线性分析暗示部分MADS-box基因在这两个物种分化前就已经存在。进化树分析及内含子外显子结构分析揭示了葡萄MADS-box基因间的进化关系,并进一步将其分成type I和type II两大类。不同组织器官的表达分析暗示葡萄MADS-box家族基因既参与繁殖型器官又参与营养型器官的发育。赤霉素处理后葡萄MADS-box家族基因的表达模式分析揭示其并不显著响应赤霉素,暗示赤霉素处理导致的无核与无核葡萄自然败育是通过不同的机制调节。通过MADS-box家族基因在6个葡萄品种胚珠发育过程的表达模式分析,暗示葡萄MADS-box基因参与胚珠发育,且鉴定到5个在多个有核、无核品种胚珠差异表达的基因,初步认定其为无核相关的潜在候选基因。4、基于对葡萄MADS-box家族基因的进化和表达模式分析,选取2条有核、无核葡萄胚珠发育差异表达基因:VvMADS28和VvMADS39基因。其中,VvMADS28基因转录水平在多个有核葡萄品种胚珠中明显高于无核品种;VvMADS39基因转录水平在多个有核葡萄品种胚珠中明显低于无核品种。经克隆测序后发现VvMADS28基因开放阅读框为744bp,编码247个氨基酸;VvMADS39基因开放阅读框为741bp,编码245个氨基酸。这2个基因在有核、无核葡萄不同组织器官及花器官的表达分析,发现其均在花中高表达。将VvMADS28基因在番茄异源表达,发现转基因番茄果实变小,果型下端锥化,种子变小且数目变多。将VvMADS39基因异源转化番茄后发现转基因番茄果实明显变小且种子败育。且番茄自身与果实和种子发育相关基因的转录水平在转基因番茄植株的花和果实发育过程中均较野生型番茄发生了变化,推测VvMADS28和VvMADS39基因有可能通过影响这些基因的表达引发转基因番茄种子和果实表型的变化,初步验证了VvMADS28参与种子发育和VvMADS39与无核相关的基因功能。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S663.1
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本文编号：1417143