【摘要】：大麥(Hordeum vulgare L.)是最重要的谷類作物之一,其年產(chǎn)量及種植面積均具世界第四位,兼具食用、飼用及釀造價值,對保障糧食安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。同時,大麥也是最古老、最早被人類馴化栽培的作物之一,考古學(xué)和分子生物學(xué)證據(jù)表明,最早的栽培大麥可溯源到公元前10,000年的新月沃土地區(qū),該地區(qū)廣泛分布著環(huán)境可塑性強(qiáng)、變異類型眾多、遺傳多樣性豐富的大麥野生種質(zhì)資源。因此,大麥也成為研究作物起源進(jìn)化、人工馴化選擇乃至農(nóng)業(yè)栽培和人類文明發(fā)展史的理想模式系統(tǒng)。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展以及生信分析工具的完善,大麥高質(zhì)量的全基因組序列精細(xì)圖已經(jīng)完成,這為大麥的群體遺傳學(xué)及基因組學(xué)研究帶來新的契機(jī)。本研究以不同大麥起源地的野生大麥及世界主要栽培大麥品種為材料,利用ISJ和SSR分子標(biāo)記,結(jié)合全基因組重測序分析、轉(zhuǎn)錄組測序及葉綠體基因組序列,全面分析了野生大麥和栽培大麥的遺傳多樣性、遺傳分化、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和群體遺傳結(jié)構(gòu),比較了不同地理生態(tài)型野生大麥間的遺傳變異及單倍型分布,從多個層次探究了大麥在馴化過程中承受的選擇的基因組區(qū)域及相關(guān)基因,并初步分析了選擇的遺傳學(xué)效應(yīng)。最后,以MAPK級聯(lián)途徑基因家族為例,分析了大麥馴化相關(guān)基因家族的基因組組成、分布、表達(dá)特性等,為進(jìn)一步研究其生物學(xué)功能奠定了基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:(1)基于ISJ和SSR分子標(biāo)記的大麥遺傳多樣性分析以全世界不同來源地的55份栽培大麥材料和89份野生大麥材料(4個群體)為研究材料,利用ISJ和SSR兩類分子標(biāo)記對大麥的遺傳多樣性、群體結(jié)構(gòu)和遺傳分化進(jìn)行了初步研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),大麥具有較高的遺傳多樣性,共檢測到162個ISJ和196個SSR多態(tài)性條帶;群體結(jié)構(gòu)分析明顯地將野生和栽培材料聚為兩個分支,野生材料又可進(jìn)一步細(xì)分為4個亞群,每一個亞群基本與其采樣來源地分布一致;遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn),野生群體Mount Gilboa擁有的遺傳多樣性指數(shù)最高(Na=3.944),而栽培大麥的多樣性較低(Na=3.861),表明大麥在馴化過程中承受了較為嚴(yán)苛的人工選擇壓力,致使等位基因缺失,遺傳多樣性下降。(2)基于全基因組重測序的大麥遺傳多樣性、群體結(jié)構(gòu)與人工選擇效應(yīng)分析為進(jìn)一步探究栽培大麥和野生大麥的馴化痕跡和選擇效應(yīng),本研究利用全基因組重測序技術(shù)對代表性的40份野生大麥和22份栽培大麥進(jìn)行了全基因組重測序分析。以最新的大麥參考基因組為參照,共檢測到107.12×10~6單核苷酸多態(tài)性(SNPs)和6.65×10~6個插入/缺失(InDels)變異位點,且這些變異比較均勻地分布于7個染色體;系統(tǒng)進(jìn)化、主成分以及群體結(jié)構(gòu)分析可將野生和栽培材料劃分為兩大類群,依據(jù)生態(tài)型或者地理來源可將野生大麥分為不同的亞群;與野生大麥相比,栽培材料的遺傳多樣性大約低38%,暗示在馴化過程中,由于遺傳瓶頸效應(yīng),栽培大麥遺傳多樣性明顯下降;進(jìn)一步種群動態(tài)分析發(fā)現(xiàn),人工選擇效應(yīng)塑造了野生與栽培大麥不同的種群動態(tài)發(fā)展模式;最后,通過全基因組掃描分析,共鑒定到了2,470個受選擇基因,功能富集發(fā)現(xiàn)這些基因與大麥生長發(fā)育,激素相應(yīng),生物鐘,生物脅迫及非生物脅迫相關(guān),該研究為進(jìn)一步從性狀建成和基因功能角度闡明大麥的馴化選擇效應(yīng)提供了重要信息,為大麥全基因組水平的起源、進(jìn)化和選擇研究提供的寶貴資源。(3)野生和栽培大麥的葉綠體比較基因組學(xué)分析葉綠體序列是研究植物系統(tǒng)進(jìn)化和物種鑒定的重要工具。本研究利用大麥全基因組重測序數(shù)據(jù),利用自己搭建的分析流程,組裝、獲得了38個野生和18個栽培大麥的葉綠體全基因組序列。全基因組比對分析共鑒定到188個SNPs和108個InDels,平均為1.38個SNP/kb及0.41個In Del/kb;遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)野生材料的遺傳多樣性高于栽培材料,這與核基因組的研究結(jié)果一致;同時,17個變異位點在野生和栽培材料中呈現(xiàn)不同的單倍型,將野生和栽培大麥區(qū)分開,可作為潛在的大麥鑒定的標(biāo)記位點,其中7個為影響水平中等的基因內(nèi)變異位點,2個影響水平中等的內(nèi)含子區(qū)域變異以及8個低影響的同義突變;群體結(jié)構(gòu)分析也將野生和栽培材料聚為兩個分支,野生材料又可依據(jù)地理來源分為不同亞組;系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),葉綠體基因組與重測序的進(jìn)化樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不完全一致,暗示了兩套基因組之間存在進(jìn)化速率上的差異。最后我們探究了遺傳距離與物理距離之間的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)物理距離每增加798.85公里,遺傳距離增加0.1。這為利用葉綠體基因組測序探究大麥的群體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系提供了重要信息,也為大麥葉綠體基因組進(jìn)化研究提供了參考。(4)栽培大麥和野生大麥的群體轉(zhuǎn)錄組研究群體轉(zhuǎn)錄組測序為在轉(zhuǎn)錄層次開展遺傳分化和比較分析提供了重要手段。本研究以26份栽培大麥和29份野生大麥為材料,進(jìn)行了群體比較轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果共鑒定到了12.6×10~6個SNP位點,將其與基因組發(fā)掘的SNP變異進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩種測序結(jié)果得到的數(shù)據(jù)具有較高的一致性,互為驗證。利用SNP進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)野生和栽培材料分為兩個組別。差異基因分析鑒定到395在栽培和野生大麥間顯著差異表達(dá)的基因,這些基因的功能在ncRNA代謝過程、tRNA代謝過程、蛋白質(zhì)翻譯的tRNA氨�；⑦B接酶活性、氨酰-tRNA連接酶活性、連接酶活性、細(xì)胞質(zhì)組成、葉綠體組成等過程顯著富集,該研究為進(jìn)一步開展大麥馴化生物學(xué)研究提供了候選。(5)大麥MAPK級聯(lián)途徑基因家族的鑒定、表達(dá)特性及共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)激酶基因家族成員是大麥馴化過程受選擇基因,為此我們以有絲分裂原激活蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)途徑基因家族為例,對其進(jìn)行了全基因組鑒定、系統(tǒng)進(jìn)化和表達(dá)特性分析,以期為探究大麥馴化相關(guān)基因的生物學(xué)功能鑒定基礎(chǔ)。利用最新發(fā)布大麥基因組數(shù)據(jù),通過全基因組分析共預(yù)測、鑒定了20個MAPK、6個MAPKK和156個MAPKKK基因;系統(tǒng)進(jìn)化樹參照將所有MAPK級聯(lián)途徑基因分為三組,即MAPK,MAPKK和MAPKKK,MAPKKK基因家族又可進(jìn)一步聚集為MEKK,RAF和ZIK亞家族;分子進(jìn)化分析表明,片段和串聯(lián)重復(fù)事件都是MAPK級聯(lián)基因家族的擴(kuò)張的動力,非同義替換(Ka)和同義替換(Ks)的比率發(fā)現(xiàn)復(fù)制的基因?qū)κ艿搅藦?qiáng)烈的純性選擇;利用公共可獲得的RNA-seq數(shù)據(jù),對MAPK級聯(lián)途徑基因在植物生長和發(fā)育及生物和非生物脅迫下的表達(dá)模式進(jìn)行了分析,鑒定到了63個植物組織器官、階段特異性表達(dá)及逆境響應(yīng)相關(guān)的基因;最后,使用靶基因預(yù)測工具和WGCNA方法構(gòu)建了MAPK級聯(lián)途徑基因及其與miRNA之間的互做網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)由46個HvMAPK級聯(lián)途徑基因和11個miRNA參與的共72條互作關(guān)系。本研究首次系統(tǒng)全面地探究了大麥中MAPK,MAPKK和MAPKKK基因家族的特征,為闡明其在植物中的生物學(xué)作用提供寶貴的信息,并有助于更好地了解大麥種馴化相關(guān)基因的功能及參與的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S512.3
【圖文】：

在差異環(huán)境中可表現(xiàn)出顯著的性狀差異，而轉(zhuǎn)為集中培植l. 2004)。理化標(biāo)記和細(xì)胞標(biāo)記因其檢測范圍的局限性，在少使用。分子標(biāo)記可反映個體間核苷酸水平上的變異，具察及多態(tài)性高等巨大優(yōu)勢，在遺傳多樣性研究中得到了8)。為了明確以色列野生大麥的遺傳多樣性及其與栽培大標(biāo)記（SSR和ISJ）對栽培大麥和起源地野生大麥的遺傳多它們間的遺傳多樣性、群體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，并初基因組特征的塑造及馴化對大麥遺傳多樣性的影響。法用的大麥材料為本課題組收集保存，選取了55份來自11個及采集自以色列3個地點（Mehola, Tabigha和 Mount Gilbo試材料詳細(xì)信息見附表 1。

圖 2-2 野生大麥采樣地分布ig. 2-2 The distribution of wild barley populations 提取籽粒飽滿的種子于培養(yǎng)皿中，發(fā)芽后轉(zhuǎn)移至%，溫度白天26℃，晚上20℃，光照強(qiáng)度3000A。基因組DNA提取參照宋等方法(Song et al中加入約100 mg葉片，液氮冷卻后置于渦旋arkosyl 緩沖液（含2%月桂酰肌氨酸鈉，0.1 M將樣品置于冰盒中冰浴15分鐘，加入600 μl的 rpm），吸取上清液轉(zhuǎn)移到新的離心管中；加入）；取上清至新離心管，加入500 μl的預(yù)冷的異1分鐘（10000rpm）；70%酒精清洗兩次，風(fēng)p1000光譜儀測定DNA濃度(Thermo Scientific, 至約100ng.μl-1，以用于PCR分析。應(yīng)和電泳

本文編號：2714067