【摘要】：棉花纖維細(xì)胞的發(fā)育主要包括初生壁的合成及次生壁的加厚。其中果膠組分的多少對(duì)纖維品質(zhì)有重要影響,半乳糖基轉(zhuǎn)移酶(GAUT)和葡糖醛酸異構(gòu)酶(GAE)是果膠代謝途徑上的關(guān)鍵酶,研究其在纖維發(fā)育過(guò)程中的作用具有重要意義。本研究從全基因組水平鑒定GAUT、GAE基因家族成員,結(jié)合課題組已有的棉纖維發(fā)育轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),明確GAUT、GAE基因家族成員在棉纖維發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)模式,主要研究結(jié)果如下:1.從陸地棉基因組中鑒定出46個(gè)Gh GAUTs家族成員,命名為Gh GAUT01-46,其中Gh GAUT45和Gh GAUT46位于沒(méi)有組裝到染色體的大片段上。從海島棉基因組中鑒定出37個(gè)Gb GAUTs家族成員,命名為Gb GAUT01-37,其中Gb GAE37位于大片段上。(1)從基因在染色體上的分布來(lái)看,陸地棉Gh GAUT家族成員分布在20條不同的染色體上。其中A亞組的7號(hào)染色體和D亞組的7號(hào)染色體各有5個(gè)基因,分布數(shù)量最多。海島棉Gb GAUT家族成員分布在18條染色體上,在Dt07有5個(gè)基因分布,其它染色體上只分布著1-3個(gè)Gb GAUT基因,部分基因的串聯(lián)可能導(dǎo)致了該基因家族的擴(kuò)張。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化,GAUT家族成員分為三個(gè)亞組,Ⅰ亞組、Ⅱ亞組和Ⅲ亞組分別含有26、21和36個(gè)GAUTs基因。Ⅰ亞組的多數(shù)基因包含10個(gè)外顯子;Ⅱ亞組中的大多數(shù)成員包含9個(gè)外顯子,Ⅲ亞組則以3個(gè)外顯子居多。(2)陸地棉Gh GAUT家族成員編碼的肽鏈平均由563個(gè)氨基酸組成,分子量大多介于28.36~84.82 k Da,平均64.62 k Da。理論等電點(diǎn)介于5.44~9.49,平均值為8.49;海島棉Gb GAUT編碼的肽鏈平均為570個(gè)氨基酸,分子量介于43.29~107.77 k Da,平均為65.48 k Da,平均分子量較陸地棉稍大。理論等電點(diǎn)為5.46~9.51,平均值為8.34,平均理論等電點(diǎn)較陸地棉稍小。多數(shù)GAUT成員為不穩(wěn)定蛋白;所有的Gh GAUT和Gb GAUT均具有較高的脂溶性,為親水性蛋白。(3)GAUT家族結(jié)構(gòu)域有多個(gè)保守性的氨基酸殘基,部分保守性氨基酸殘基組成GAUT家族特有的保守基序。存在四個(gè)共同的保守基序,保守性較好;但又存在差異,可能正是由于這些氨基酸分布的差異,導(dǎo)致基因的功能發(fā)生了分化。亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)顯示,除Gh GAUT45和Gh GAUT46蛋白定位在高爾基體(Golgi)外,其他所有Gh GAUTs和Gb GAUTs蛋白均定位在高爾基體膜(Golgi membrane)。蛋白跨膜區(qū)分析結(jié)果表明,約85%的Gh GAUT和68%Gb GAUT檢測(cè)到1個(gè)跨膜區(qū)。(4)GAUT家族上游存在多種與纖維發(fā)育、光反應(yīng)、激素調(diào)控、生物脅迫、非生物脅迫相關(guān)的順式作用元件,表明GAUT基因家族功能的多樣性。(5)根據(jù)棉纖維發(fā)育轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),將GAUT家族基因表達(dá)分為:起始期高表達(dá)、纖維伸長(zhǎng)期高表達(dá)、次生壁增厚期高表達(dá)、全時(shí)期低表達(dá)等4類表達(dá)模式。將優(yōu)質(zhì)陸地棉與品質(zhì)一般陸地棉、優(yōu)質(zhì)海島棉與優(yōu)質(zhì)陸地棉分別進(jìn)行比較,分析在纖維發(fā)育相同時(shí)間點(diǎn)GAUT的表達(dá)差異,結(jié)果顯示Gb GAUT34在起始期優(yōu)勢(shì)表達(dá);Gh GAUT02、Gh GAUT12、Gh GAUT24、Gb GAUT10、Gb GAUT32在纖維伸長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)表達(dá);Gh GAUT25、Gb GAUT17、Gb GAUT19在起始期和伸長(zhǎng)期均優(yōu)勢(shì)表達(dá);Gb GAUT01、Gb GAUT05、Gb GAUT11等7個(gè)基因在次生壁增厚期優(yōu)勢(shì)表達(dá);這些基因可能是導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)陸地棉品種和優(yōu)質(zhì)海島棉品種纖維品質(zhì)優(yōu)良的原因之一。2.從陸地棉和海島棉基因組中分別鑒定出21個(gè)和22個(gè)GAEs家族成員,分別命名為Gh GAE01-21、Gb GAE01-22。其中Gh GAE02、Gh GAE14、Gb GAE11和Gb GAE20位于沒(méi)有組裝到染色體的大片段上。(1)從基因在染色體上的分布來(lái)看,陸地棉和海島棉GAE家族成員分布在相同的12條染色體上。其中8號(hào)染色體上分布最多。在陸地棉中,At08和Dt08分別有4個(gè)Gh GAEs基因;在海島棉中,At08和Dt08分別有4個(gè)和6個(gè)Gb GAEs基因,其他染色體只分布1-2個(gè)基因。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化分析,可以分為三個(gè)亞組,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ亞組分別包含17、8和18個(gè)基因�；蚪Y(jié)構(gòu)分析顯示,GAEs家族約72%的成員沒(méi)有內(nèi)含子,這與擬南芥GAE家族成員均不含內(nèi)含子的結(jié)果相似。(2)陸地棉Gh GAE家族成員編碼的肽鏈平均由414個(gè)氨基酸組成,分子量介于24.87~50.32 k Da,平均45.93 k Da。理論等電點(diǎn)介于9.02~10.34,平均值為9.79;海島棉Gb GAEs編碼的肽鏈平均為426個(gè)氨基酸,分子量介于22.55~62.53k Da,平均為47.29 k Da,平均分子量較陸地棉偏大,且分子量分布范圍較寬。理論等電點(diǎn)為9.01~9.98,平均值為9.67,與陸地棉相差不大。GAE家族成員多數(shù)為不穩(wěn)定蛋白;所有的Gh GAEs和Gb GAEs均具有較高的脂溶性,且全部為親水性蛋白。(3)保守結(jié)構(gòu)域分析表明,GAE家族結(jié)構(gòu)域含有多個(gè)保守性的氨基酸殘基,部分保守性氨基酸殘基組成GAE家族特有的保守基序。21個(gè)Gh GAEs和22個(gè)Gb GAEs基因有4個(gè)相同的保守基序,保守性較強(qiáng);但基因間又存在一定的差異,這些差異可能是導(dǎo)致基因功能發(fā)生分化的主要原因。亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)顯示,所有Gh GAEs和Gb GAEs蛋白均定位在高爾基體膜(Golgi membrane)。蛋白跨膜區(qū)分析結(jié)果表明,除Gh GAE12、Gb GAE05、Gb GAE06、Gb GAE17、Gb GAE18、Gb GAE22沒(méi)有檢測(cè)到跨膜區(qū)外,其余家族成員均含有1-2個(gè)跨膜區(qū),而Gh GAE01、Gh GAE11、Gb GAE11包含3個(gè)跨膜區(qū)。(4)GAE家族上游存在多種與纖維發(fā)育、光反應(yīng)、激素調(diào)控、生物脅迫、非生物脅迫相關(guān)的順式作用元件,表明GAE基因家族功能的多樣性。(5)根據(jù)棉纖維發(fā)育轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),可以將GAE家族成員的表達(dá)分為:起始期高表達(dá)、纖維伸長(zhǎng)期高表達(dá)、次生壁增厚期高表達(dá)、全時(shí)期低表達(dá)等4類表達(dá)模式。將優(yōu)質(zhì)陸地棉與品質(zhì)一般陸地棉、優(yōu)質(zhì)海島棉與優(yōu)質(zhì)陸地棉分別進(jìn)行比較,Gh GAE10、Gb GAE08、Gb GAE10在纖維伸長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)表達(dá);Gh GAE11、Gh GAE19在次生壁增厚期優(yōu)勢(shì)表達(dá);Gh GAE08、Gb GAE06在纖維伸長(zhǎng)和次生壁增厚期均優(yōu)勢(shì)表達(dá);Gb GAE07在纖維起始和次生壁增厚階段優(yōu)勢(shì)表達(dá),推測(cè)這些基因的優(yōu)勢(shì)表達(dá)是引起優(yōu)質(zhì)陸地棉品種和優(yōu)質(zhì)海島棉品種纖維品質(zhì)優(yōu)良的的重要基因。綜上,本研究明確了陸地棉與海島棉中GAUT、GAE基因家族成員的基本信息,分析了GAUT、GAE基因在纖維發(fā)育不同時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)規(guī)律,挖掘出對(duì)棉纖維發(fā)育有重要影響的候選基因。上述結(jié)果為研究GAUT、GAE基因家族在棉纖維發(fā)育中的功能奠定了重要基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S562

【參考文獻(xiàn)】

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1 姚賀盛;張亞黎;易小平;薛軍;羅毅;羅宏海;張旺鋒;;海島棉和陸地棉葉片光合特性、冠層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)生產(chǎn)的差異[J];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué);2015年02期

2 劉國(guó)元;吳Z，

本文編號(hào)：2694518