本文選題：白菜　切入點：功能分化　出處：《南京農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：抗壞血酸(AsA),又稱維生素C,是一種多功能代謝物質(zhì),參與植物體內(nèi)多個代謝途徑。由于人體不能合成AsA,只能從植物中獲取,因此AsA含量是評價蔬菜品質(zhì)的重要指標(biāo)。此外,在植物中,開花對物種的繁衍和進(jìn)化至關(guān)重要,開花時期的早晚對葉類蔬菜產(chǎn)量影響較大。AsA和開花都是由多種不同途徑進(jìn)行調(diào)控的,在植物體內(nèi)構(gòu)成了復(fù)雜的基因互作網(wǎng)絡(luò)。目前AsA和開花相關(guān)基因在模式植物擬南芥中已經(jīng)被透徹研究,但是不同物種在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行了漫長的選擇進(jìn)化過程,因此有針對性的研究不同物種的重要基因能更透徹的了解其特性,同時為具有經(jīng)濟和食用價值的作物的栽培和育種提供理論支持。白菜類主要作物,包括大白菜(B.rapa ssp.pekinensis)和不結(jié)球白菜(B.rapa ssp. chinnsis),屬于蕓薹屬(Brassica)重要經(jīng)濟作物。本研究,主要利用比較基因組學(xué)、分子進(jìn)化以及組織表達(dá)分析在白菜基因組中鑒定AsA及開花相關(guān)基因,并分析它們的差異,從而揭示相關(guān)基因的進(jìn)化規(guī)律和復(fù)制分化,挖掘關(guān)鍵基因。同時,為了進(jìn)一步獲得不結(jié)球白菜中AsA和開花性狀關(guān)鍵基因,利用重測序技術(shù)對不結(jié)球白菜進(jìn)行QTL定位分析。研究結(jié)果如下:1.抗壞血酸相關(guān)基因在白菜基因組三倍化過程中的進(jìn)化保守性在白菜中共鑒定到102個AsA相關(guān)基因,這些基因的分化發(fā)生在12-18百萬年前;在復(fù)制過程中,相對于真核生物核心基因,隨機基因以及AsA相關(guān)基因的周圍基因,AsA相關(guān)基因是被優(yōu)先保留下來的;編碼不同酶的同源基因高度保守,但是表達(dá)模式發(fā)生了分化;雖然白菜基因組中AsA相關(guān)基因的數(shù)目比擬南芥基因組多,但是其含量和相關(guān)基因在組織中的表達(dá)數(shù)目是相似的,根據(jù)結(jié)果可以推測不表達(dá)的AsA相關(guān)基因應(yīng)屬于備份基因。2.抗壞血酸L-半乳糖途徑基因在白菜中的保守性和適應(yīng)性研究L-半乳糖途徑,是植物體內(nèi)主要抗壞血酸生物合成途徑。在禹氏三角的A基因組和C基因組中L-半乳糖途徑基因具有相似的保留程度。在該途徑中,編碼不同酶的基因數(shù)目不同,如編碼GMP酶的基因有9個,而編碼其它酶的基因從1個到4個不等。此外,同源基因間功能分化現(xiàn)象普遍:ⅰ) VTC2和VTC5為同源基因,但只有VTC5會被FLC影響表達(dá);ⅱ)在光照處理下PMI1基因與途徑中的其它基因協(xié)同調(diào)控植物中的AsA含量,而PMI2則只在黑暗中表達(dá);ⅲ)在NaCl、Cu2+、MeJA以及傷害處理中,大部分同源基因都表現(xiàn)出了不同的表達(dá)模式,在這些處理下,GME和GPP是AsA合成的關(guān)鍵限速酶。3. AKR基因分子進(jìn)化分析及在不結(jié)球白菜克隆鑒定醛酮還原酶(AKR)基因家族參與了植物體內(nèi)多種代謝過程,該家族中的GalUR亞組參與抗壞血酸生物合成途徑。本研究通過系統(tǒng)進(jìn)化分析將AKRs分為A和B兩組,其中A組基因是GalUR的同源基因。通過核苷酸差異,選擇壓力和蛋白結(jié)構(gòu)分析證實A組比B組AKR基因更加保守。隨后在不結(jié)球白菜cDNA逆境文庫中克隆得到12條A組AKR基因,并發(fā)現(xiàn)其在多種逆境下該家族基因發(fā)生了明顯的表達(dá)分化。其中,BrcAKR22表達(dá)趨勢和AsA含量變化具有一定的相關(guān)性,BrcAKR23可與多個基因共表達(dá)。4.白菜PG和PME基因綜合比較分析揭示了其不同進(jìn)化模式多聚半乳糖醛酸酶(PG)和果膠酯酶(PME)是果膠重塑和拆卸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,它們的分解產(chǎn)物參與了 AsA半乳糖醛酸生物合成途徑并且這類基因在植物發(fā)育的多個階段特別是花粉發(fā)育中具有重要作用。本研究通過全基因組篩選,在白菜中共鑒定到100個PG基因和110個PME基因,證實它們主要在12-18百萬年前與擬南芥的同源基因發(fā)生了分化,并且PME基因要比PG基因保留程度高。通過和其他8個物種中鑒定得到的305個PG基因和348個PME基因綜合分析,共發(fā)現(xiàn)了兩種不同的進(jìn)化模式:PG基因家族的A組在裸子植物和被子植物分化之后出現(xiàn)了一個新的分支導(dǎo)致基因數(shù)目的大量增加;而PME基因家族中則在進(jìn)化過程中存在pro結(jié)構(gòu)域丟失和再獲得的現(xiàn)象。此外,通過表達(dá)分析說明PG和PME基因也發(fā)生了嚴(yán)重的功能分化。5.綜合比較白萊開花相關(guān)基因并在植物界推演CO-like基因的進(jìn)化模式本研究通過在單雙子葉中對開花基因的特征及保留分析,推測光周期和花形態(tài)建成基因?qū)Π撞司哂休^大影響,之后在白菜中鑒定獲得25個CONSTANS-like(COL)基因。這類基因的結(jié)構(gòu)域和系統(tǒng)分組在低等陸地植物中比較穩(wěn)定,在經(jīng)歷過全基因組加倍事件的被子植物中也存在著結(jié)構(gòu)域的丟失現(xiàn)象。在十字花科和禾本科植物中,CO蛋白序列具有物種特異性,在擬南芥和白菜中蛋白結(jié)構(gòu)具有相似性,顯著區(qū)別于水稻,這就導(dǎo)致了這個直系同源基因的功能差異。最后,通過實時定量分析,獲得了白菜中光周期調(diào)控的關(guān)鍵基因。6.白萊MADS-box基因家族全基因組分析鑒定MADS-box基因家族在植物的生長發(fā)育特別是花發(fā)育過程中都起到了重要作用。本研究在白菜基因組中共鑒定得到160個MADS-box轉(zhuǎn)錄因子。通過白菜、擬南芥和水稻MADS基因系統(tǒng)進(jìn)化樹分析,這些基因被分為兩大類,type Ⅰ (Mα、Mβ和My)和type Ⅱ (MIKCc和MIKC),而MIKCc又被分為13個亞組。白菜中含有95個typeⅡ類基因,是擬南芥的2倍,這說明白菜的type Ⅱ要比type Ⅰ類基因保留頻率更大。BrMADS基因在不同組織中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明它們的表達(dá)具有明顯的組織特異性,這和擬南芥同源基因類似。此外,部分BrMADS基因可以響應(yīng)不同的逆境脅迫,說明它們不僅對植物的生長發(fā)育起作用,同時對于復(fù)雜環(huán)境也起到了適應(yīng)作用。7.不結(jié)球白萊高密度遺傳圖譜構(gòu)建及AsA和開花性狀的QTL定位分析AsA含量和開花時間直接影響了不結(jié)球白菜的質(zhì)量和產(chǎn)量。本研究通過對不結(jié)球白菜AsA差異群體的100個重組自交系(RIL)進(jìn)行全基因組重測序,獲得了 5440個單核苷酸多態(tài)性位點(SNPs),并結(jié)合這些SNP構(gòu)建了高密度的連鎖圖譜。這個圖譜總共1915.07厘摩爾(cM),兩個標(biāo)記間平均為0.35 cM。通過與白菜基因組物理圖譜進(jìn)行共線分析,將這些標(biāo)記位點注釋在基因及其周圍區(qū)域�；谶@個高密度遺傳圖譜以及AsA含量和開花時間指標(biāo),識別和定位到6個潛在的QTLs。隨后通過表達(dá)數(shù)據(jù)和功能注釋對候選基因進(jìn)一步篩選,為不結(jié)球白菜的遺傳育種打下堅實的基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q943.2;S634
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本文編號：1595790