發(fā)布時(shí)間：2020-08-14 22:05

【摘要】：野生二粒小麥(Triticum dicoccoides)是六倍體普通小麥AB基因組的供體,具有粒大、穗長、抗病、耐逆等優(yōu)良特性。作為小麥重要的基因庫,野生二粒小麥在普通小麥產(chǎn)量、品質(zhì)以及抗逆遺傳改良方面具有重要的利用價(jià)值。MicroRNAs(miRNAs)是植物體內(nèi)一種內(nèi)源小分子量非編碼RNA,作為轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子,能夠調(diào)節(jié)許多分子和生化過程。轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)方法能夠大規(guī)模鑒定植物逆境脅迫相關(guān)基因,解析其表達(dá)模式。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展和生物信息分析方法的進(jìn)步,作物的全基因組測序不斷完善,比較基因組學(xué)分析有助于揭示基因的進(jìn)化速率和結(jié)構(gòu)特征。本研究在系統(tǒng)鑒定、發(fā)掘野生二粒小麥優(yōu)異耐鹽種質(zhì)的基礎(chǔ)上,利用高通量測序技術(shù)高效、快速挖掘和鑒定其鹽脅迫相關(guān)基因及miRNA,并結(jié)合生理生化性狀指標(biāo),比較耐鹽品系和鹽敏感品系在轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)和調(diào)控模式,并結(jié)合野生和栽培二粒小麥的比較基因組學(xué)分析,初步揭示了野生二粒小麥響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制。主要的研究結(jié)果如下:(1)為了系統(tǒng)評(píng)估野生二粒小麥對(duì)鹽脅迫的耐受性,我們選取了30份代表性野生二粒小麥以及14份硬粒小麥為材料,對(duì)其抗鹽性進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。將這些材料進(jìn)行長期鹽脅迫后(30天),對(duì)其在正常條件下和鹽脅迫情況下的形態(tài)性狀、光合特性、生理特性以及K~+,Na~+離子濃度等,共30個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)測定及評(píng)估。利用多元線性回歸擬合了每個(gè)品系的耐鹽脅迫指數(shù)(STI),篩選出了5份高耐鹽型野生二粒小麥種質(zhì)材料,為普通小麥耐鹽性改良提供了重要種質(zhì)。比較分析發(fā)現(xiàn),野生二粒小麥在各個(gè)性狀的變異度均顯著高于硬粒小麥,說明野生材料的遺傳多樣性較高;在所測定的指標(biāo)中,植株地上部分Na~+含量、地上部分K~+/Na~+含量比值、根長、根表面積被證實(shí)可作為合適的耐鹽篩選評(píng)價(jià)指標(biāo);通過比較鹽脅迫和正常條件下的地上部和地下部K~+/Na~+含量,發(fā)現(xiàn)Na~+排出機(jī)制可能是二粒小麥響應(yīng)鹽脅迫的重要方式。(2)為了鑒定、發(fā)掘野生二粒小麥鹽脅迫相關(guān)的miRNA,利用高通量測序技術(shù)對(duì)耐鹽品系(GilbourB5)在鹽脅迫和正常條件下的小RNA表達(dá)譜進(jìn)行了分析。共鑒定到88個(gè)保守miRNA和124個(gè)新的miRNA。差異表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)50個(gè)miRNA在鹽脅迫下表達(dá)差異顯著,32個(gè)上調(diào)表達(dá),18個(gè)下調(diào)表達(dá);其中,Ttd-miR172b、Ttd-miR1120a和Ttd-mi393a差異表達(dá)最顯著,可能在鹽脅迫響應(yīng)中發(fā)揮了重要的作用。在此基礎(chǔ)上,利用psRNATarget工具對(duì)這些miRNA的靶基因進(jìn)行了預(yù)測,共鑒定到1638個(gè)靶基因,富集分析發(fā)現(xiàn)其功能集中于轉(zhuǎn)錄因子以及抗逆代謝物生物合成。通過比較分析野生二粒小麥及其近緣種在鹽脅迫和旱脅迫響應(yīng)的miRNA的表達(dá)模式,發(fā)現(xiàn)miR156、miR171、miR396等在所列小麥屬物種都為鹽、旱脅迫響應(yīng)miRNA,而miR1432,miR474存在物種特異性,只在野生二粒小麥特異表達(dá)。最后,利用RT-PCR研究了7個(gè)耐鹽脅迫相關(guān)miRNA在鹽敏感品系和耐鹽品系中不同鹽處理時(shí)間(0 h,3 h,6 h,12 h,24 h)和不同鹽處理濃度(150 mM,250 mM)的表達(dá)譜,發(fā)現(xiàn)這些miRNA在不同品系、不同鹽處理和不同脅迫時(shí)間的表達(dá)模式變化較大。本研究不僅豐富了野生二粒小麥miRNA的數(shù)據(jù)資源,并且為解析小麥miRNA參與鹽脅迫應(yīng)答的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。(3)利用轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)對(duì)耐鹽品系(GilbourB5)和鹽敏感品系(GilbourA9)在鹽脅迫和正常條件下的基因表達(dá)譜進(jìn)行分析。從耐鹽品系中鑒定到83個(gè)差異表達(dá)基因,在鹽敏感品系中鑒定到了1618個(gè)差異表達(dá)基因,其中,兩者共有的差異基因?yàn)?6個(gè),這些可能是野生二粒小麥鹽脅迫響應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵候選基因。功能富集分析發(fā)現(xiàn),這些差異基因主要參與氧化應(yīng)激反應(yīng)(response to oxidative stress,GO:0006979)、PSII的捕光復(fù)合物II相關(guān)的代謝過程(PSII associated light-harvesting complex II catabolic process,GO:0010304)和葉綠素的分解過程(chlorophyll catabolic process,GO:0015996);進(jìn)一步結(jié)合基因數(shù)目、表達(dá)模式、基因功能多樣性、生理生化特征分析,發(fā)現(xiàn)鹽敏感品系的基因表達(dá)倍數(shù)、根系性狀、光合性狀、氧化應(yīng)激反應(yīng)等更容易受鹽脅迫的影響,且變化差異大于較耐鹽品系。基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)鹽脅迫的RNA編輯和選擇性剪接事件進(jìn)行了分析,在耐鹽品系和鹽敏感品系中分別鑒定到738個(gè)和778個(gè)響應(yīng)鹽脅迫的RNA編輯位點(diǎn),290個(gè)和670個(gè)選擇性剪接事件。以上研究揭示了野生二粒小麥響應(yīng)鹽脅迫的轉(zhuǎn)錄表達(dá)和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控模式,為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供了重要參考。(4)根據(jù)最新發(fā)布的野生二粒小麥及相關(guān)近緣物種的參考基因組信息,運(yùn)用比較基因組學(xué)分析方法,對(duì)其中受正選擇基因進(jìn)行了鑒定和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在野生二粒小麥A、B基因組之間、野生二粒小麥A基因組和硬粒小麥A基因組、野生二粒小麥B基因組和硬粒小麥B基因組以及野生二粒小麥A基因組和烏拉爾圖小麥基因組之間鑒定到的正選擇基因(PSG)分別為439個(gè)、619個(gè)、654個(gè)和1407個(gè)。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)PSG(正選擇基因)相對(duì)于NSG(負(fù)選擇基因)具有較高的非同義核酸替代率和較低的同義核酸替代率,較短的基因、編碼序列、外顯子/內(nèi)含子長度,較低的基因表達(dá)水平和較低的密碼子偏好性,較高的組織表達(dá)特異性,且具有不同的功能分化,說明PSG基因和NSG基因不僅在選擇壓力上存在明顯差異,在進(jìn)化速率基因結(jié)構(gòu)特征、表達(dá)特性和功能分類上也具有明顯差異。同時(shí),各個(gè)組分之間由于分化時(shí)間和進(jìn)化速率的不同,各性狀的表現(xiàn)趨勢和狀態(tài)也有所不同:野生二粒小麥亞基因組A、B之間的進(jìn)化速率和結(jié)構(gòu)特征的差異相對(duì)較高;野生二粒小麥和硬粒小麥A、B相對(duì)于各自對(duì)應(yīng)的亞基因組沒有顯著差別,各結(jié)構(gòu)特征和性狀數(shù)據(jù)差別低于其它兩個(gè)分組。以上研究為大規(guī)模比較基因組分析提供了參照,為了解野生二粒小麥及其近緣物種的進(jìn)化歷程提供了新的視角。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S512.1
【圖文】：

二粒小麥優(yōu)異耐鹽種質(zhì)的鑒定及其相關(guān)基因的發(fā)于種子的收獲。作為小麥的直接近緣祖先后代與普通小麥回交的結(jié)實(shí)率較高，在小普通小麥遺傳改良的重要遺傳資源和基因（Huang et al. 2016; Xie and Nevo 2008）。中東地區(qū)，起源地有著由溫暖濕潤到炎熱地理結(jié)構(gòu)的巨大反差。在長期的適應(yīng)與進(jìn)態(tài)差異，野生二粒小麥形成了與環(huán)境相適，分化出了各種抗逆基因型，蘊(yùn)含著豐富 and Payne 1987; Zohary 1983）。

的耐鹽指數(shù)（STI）值，綠色：30 份野生二粒小麥；藍(lán)色：14 份普通小麥中國春rance index (STI) of 45 wheat accessions (Green: 30 wild emmerRed: 1 bread wheat) under salt stress

耐鹽指數(shù)（STI）值，綠色：30 份野生二粒小麥；藍(lán)色：14普通小麥中國春ce index (STI) of 45 wheat accessions (Green: 30 wild emmRed: 1 bread wheat) under salt stress

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本文編號(hào)：2793601