杨树核基因组光合作用相关基因的发现与等位变异解析

发布时间：2020-07-21 19:48

【摘要】：光合作用是自然界最重要的生物化学反应之一,是生物体生命活动的生理与物质基础。因此,解析光合作用形成的分子遗传学基础一直是该领域科学研究的热点问题。而随着生物技术的发展以及对光合作用遗传调控机制认识的逐步加深,近年来对于光合作用的研究重点开始向植物核基因组与叶绿体基因组、核基因组与其它细胞器互作调控机制等方面转移；但在多年生林木中,对于光合作用形成的基因与等位变异遗传调控的研究则少见报道。为此,本论文以我国北方地区重要用材与绿化树种毛白杨(Populus tomentosa Carr.)群体为实验材料,组合利用混合分群分析法(Bulked Segregant Analysis, BSA)-全基因组表达谱基因芯片技术与关联遗传学方法对毛白杨核基因组光合作用相关基因进行了发现与等位变异解析。研究工作为阐明林木光合作用调控机制、优化杨树光合效率奠定了重要的理论基础。主要研究结果如下：1、以1,200株毛白杨F1代杂交群体为实验材料,根据群体净光合速率(Netphotosysthetic rate, Pn)性状变异,利用混合分群分析法选择其中具有高光合与低光合速率极端差异的个体构建基因池,并结合Affmetrix杨树全基因组表达谱基因芯片杂交技术,快速检测到了杨树核基因组光合作用相关基因。通过比较极高/低Pn值群体基因池的表达谱,共检测出具有显著差异的基因515个(FC≥2或FC≤0.5,P□0.05)。其中,在高Pn值基因池中上调表达的基因162个,下调表达的基因353个。对差异表达基因的注释与分析显示在白杨杂交群体中参与光合形成差异表达的基因包括很多类型,主要有：(1)核基因组与细胞器(叶绿体和/或线粒体)的互作(叶绿素、类PsbP蛋白、乙酰辅酶A水解酶/异构酶等)；(2)植物细胞壁的修饰、合成及降解(纤维素合酶、木葡聚糖内切转移酶、扩展蛋白等)；(3)物质运输过程(MFS基因家族、ABC基因家族、生长素转运蛋白、钾离子通道蛋白等)；(4)植物应激反应(几丁质酶、过氧化物酶、WRKY转录因子等)；(5)植物代谢过程(ADP-核糖焦磷酸酶、NADH/甫酶/质体醌等)。2、基于杨树表达谱基因芯片结果,本论文以参与植物细胞壁代谢、逆境胁迫响应及激素信号转导等差异表达的6个基因(XET、Dabb、GASA、SAUR、CGS以及PI)作为候选基因进行SNP位点的连锁分析。在毛白杨Fl代杂交群体中通过单因素方差分析,确定了来自于5个候选基因(XET、Dabb、GASA、SAUR、CGS)内的9个SNP位点与4个光合性状显著连锁,构成了19个关联(P□0.05,FDR0.10),每一标记位点可解释表型变异的2.3%-12.6%。检测到的SNP位点可作为影响光合效率的核基因组分子标记用于后续的林木分子标记辅助育种。本文结果不但揭示了核基因组对光合作用的调控与植物细胞壁代谢、逆境胁迫响应以及激素信号转导等途径密切相关；同时也说明了结合混合分群分析法与基因芯片技术在发掘调控林木复杂性状相关基因的重要功效。3、层次聚类分析将515个差异表达的基因分成了5个群,其中Cluster 3中所涉及的基因都与生物大分子代谢有关,包括多糖代谢过程(GO：0005976)与碳水化合物代谢过程(GO：0005975),且所含基因其生物学功能主要与植物细胞壁的修饰、合成及降解有关,揭示了Cluster 3中细胞壁代谢相关基因的表达可能受相同因素影响,存在基因的共调控。后续分析显示,此共调控因素可能是这些基因5□UTR区域有光响应顺势作用调控元件的分布。通过KEGG数据库分析了Cluster 3中89个差异表达基因,结果显示其所编码的蛋白质参与的30个化学反应来自于产生光合产物的代谢过程,如碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)、脂类代谢(Lipid metabolism)、氨基酸代谢(Amino acid metabolism)、其他氨基酸的代谢(Metabolism of other amino acids)、多酮类化合物和萜类化合物代谢(Metabolism of terpenoids and polyketides)等过程。而在碳水化合物代谢通路中,共有8个基因被定位在淀粉和蔗糖代谢(00500, Starch and sucrose metabolism)通路以及氨基糖和核苷酸糖代谢(00520, Amino sugar and nucleotide sugar metabolism)通路中,说明这些基因可能是光合效率与细胞壁相关过程中的关键基因。4、为进一步探究光合效率与细胞壁相关过程中的关键基因,本论文以Cluster 3中差异表达基因为候选基因,在毛白杨种质资源库中对36个候选基因内3,394个SNP位点利用混合线性模型进行了单标记关联分析。结果显示来自于12个候选基因的13个位点与11个表型性状(4个光合性状、3个生长性状以及4个木材品质性状)显著连锁,构成了13个关联(P0.05,FDR0.10),每一SNP标记位点可解释表型变异的2.5%-36.2%。应用MDR软件对全部SNP位点进行上位性分析,共检测到来自44个SNP位点所组成的85个SNP-SNP存在上位效应,其效应值范围是0.0001-0.0479。其中,Pn、Trmmol、微纤丝角度以及地径5个表型性状中所检测到的SNP-SNP信息获取值(Information gain)均为负值,说明此SNP-SNP对于上述5个表型性状存在信息冗余的现象,研究结果可为林木多性状联合选择提供理论指导。5、基于上述对核基因组光合作用调控基因复杂遗传机制的认识,本论文利用混合线性模型对93个己知的光合作用通路(光系统Ⅰ、光系统Ⅱ、暗反应以及蔗糖代谢通路)上的基因内4,603个SNP位点(最小等位频率≥5%)与生长、木材品质及光合性状进行了单标记关联分析,最终确定了来自42个基因内的90个SNP位点与10个表型性状(Pn、Cond、Ci、Trmmol、木质素含量、综纤维素含量、α-纤维素含量、微纤丝角度、地径和材积)显著连锁(P0.05, FDR0.10),构成92个关联,每一标记位点可解释表型变异的0.4%-37.0%。所获得的SNP分子标记可用于后续的分子标记辅助育种。利用可同时解析数量性状加性、显性与上位性效应的epiSNP模型,本论文对光合通路上的基因进行了进一步的遗传效应解析。epiSNP模型揭示了697个表型-基因型显著关联的位点(P0.05)。其中,所有表型性状中均检测到了加性效应的表型-SNP(来自57个基因的305个SNP位点,构成了459个表型-SNP),效应值范围是-13.6%-16.8%；在10个表型性状(除Pn外)中共检测到了238个显性效应的表型-SNP(来自52个基因的196个SNP位点),其显性效应值范围是-18.0%-18.6%。并首次对光合作用通路上相关基因的SNP-SNP进行上位性分析,结果显示464个SNP-SNP位点间存在显著的互作关系(P0.05)。这些SNP-SNP互作来源于41个基因内的92个SNP位点,与全部11个表型性状都存在显著关联(P0.05)。上述结果有助于选择性组合SNP位点从而为林木光合效率分子辅助育种提供理论指导。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S792.11

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