【摘要】：棉花作為全球三大轉(zhuǎn)基因作物之一,其纖維品質(zhì)和產(chǎn)量受到農(nóng)業(yè)害蟲的影響。隨著轉(zhuǎn)Bt基因棉花推廣,鱗翅目害蟲棉鈴蟲、紅鈴蟲得到控制,但其抗性逐漸喪失。煙粉虱(Bemisia tabaci)等刺吸式口器害蟲對全球棉花生產(chǎn)造成了巨大的危害,但關(guān)于棉花如何感知和防御煙粉虱的信息是非常有限的。本研究以棉花與煙粉虱互作為模型,利用RNA-Seq和sRNA-Seq數(shù)據(jù)挖掘棉花內(nèi)源的抗蟲機制,構(gòu)建棉花響應煙粉虱非編碼RNA共表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。在全基因組水平上,利用全基因關(guān)聯(lián)分析(GWAS)挖掘棉花抗性位點。為了更好地進行棉花遺傳轉(zhuǎn)化,拓展棉花遺傳轉(zhuǎn)化的受體范圍,我們建立了連續(xù)再生馴化體系,獲得了高轉(zhuǎn)化效率棉花受體材料-Jin668,同時系統(tǒng)解析棉花再生和體細胞胚胎發(fā)生表觀遺傳調(diào)控機制。因此本研究分兩大部分內(nèi)容,分別探討棉花內(nèi)源的抗蟲基因鑒定和功能分析以及棉花再生DNA甲基化圖譜。主要結(jié)果如下:1.棉花-煙粉虱互作轉(zhuǎn)錄組分析利用RNA-Seq比較了煙粉虱強抗性品種(HR)和敏感性品種(ZS)在不同侵染時間點轉(zhuǎn)錄組差異。功能富集分析表明棉花對煙粉虱侵染的轉(zhuǎn)錄反應涉及編碼蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子、代謝物合成和植物激素信號的基因。結(jié)合GO和KEGG富集分析,HR和ZS感染煙粉虱后抗性基因的轉(zhuǎn)錄水平不同。RNA-Seq數(shù)據(jù)集構(gòu)建的加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)顯示W(wǎng)RKY40和銅轉(zhuǎn)運蛋白是棉花響應煙粉虱侵染的樞紐基因。通過病毒誘導的基因沉默(VIGS)研究GhMPK3,抑制了MPK-WRKY-JA通路,增強煙粉虱的易感性。本研究為棉花防御煙粉虱響應提供了全面見解,并鑒定了幾類控制韌皮部害蟲的候選基因。2.棉花響應煙粉虱非編碼RNA分子機制解析本研究我們構(gòu)建了抗性材料(HR)和易感材料(ZS)在煙粉虱侵染下小RNA和降解組測序�？偣茶b定出260個miRNA家族和241個靶標。定量PCR分析顯示幾種miRNA及其相應的靶標呈現(xiàn)出動態(tài)的時空表達模式。在RNA-Seq數(shù)據(jù)集鑒定了2,365個基因間區(qū)長鏈非編碼RNA(lincRNAs)。進一步分析發(fā)現(xiàn)29個lincRNA轉(zhuǎn)錄本中產(chǎn)生17個miRNA前體。全基因組分析鑒定出85個同相位干擾小RNA(phasiRNA)位點,9個PHAS基因由6個miRNA觸發(fā),包括編碼富含亮氨酸重復序列(LRR)的抗病蛋白,生長素響應因子(ARF)和MYB轉(zhuǎn)錄因子。通過構(gòu)建模型和實驗數(shù)據(jù),我們探索和擴展了miR390-tasiARF在棉花響應煙粉虱侵染轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制。VIGS沉默ARF8增加了生長素和茉莉酸,導致對煙粉虱侵染耐受性增加。通過對不同的非編碼RNA進行綜合分析,為植蟲互作提供了有用的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)資源。3.關(guān)聯(lián)分析挖掘棉花抗蟲位點本研究收集了269份陸地棉材料組成的自然群體,鑒定了2.88百萬SNPs并進行群體進化樹,群體結(jié)構(gòu),PCA分析和連鎖不平衡分析。269份棉花材料在三個環(huán)境中進行棉花四個抗蟲指數(shù)調(diào)查,葉片危害率(LDR),整體植株危害率(PDR),感抗等級(SRL)以及盲蝽蟓指數(shù)(MI)。我們在三個環(huán)境下鑒定了7個LDR,PDR和SRL顯著候選位點,其中有一個位點共定位。結(jié)合LD分析,整合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),篩選了一個銅轉(zhuǎn)運子CRC1候選基因。4.多組學數(shù)據(jù)揭示棉花再生和體細胞胚發(fā)育表觀基因組學基礎(chǔ)本研究通過連續(xù)再生馴化(SRA)策略,從母體自交系Y668中選育出具有高再生能力的優(yōu)質(zhì)棉花Jin668。我們構(gòu)建了體細胞胚胎發(fā)育過程中的非胚性愈傷組織(NEC),胚性愈傷組織(EC),體細胞胚(SE)以及再生后代植株的葉片全基因組單堿基分辨率甲基化圖譜。結(jié)果表明,Jin668顯示出低DNA甲基化,再生后代中整體甲基化呈下降趨勢。在NEC到EC中DNA甲基化上升由RNA介導的DNA甲基化(RdDM)和H3K9me2途徑協(xié)同調(diào)控。在EC到SE中DNA甲基化下降,24-nt siRNA和H3K9me2豐度不變,進一步分析發(fā)現(xiàn)DNA去甲基化酶ROS1和DME顯著上調(diào),該過程可能依賴于DNA去甲基化途徑。整合RNA-Seq和差異甲基化區(qū)域(DMR),體細胞胚胎發(fā)生過程中低CHH-DMR激活了生長素和WUSCHEL相關(guān)基因表達。在NEC中添加DNA甲基化抑制劑增加了胚胎的數(shù)量。我們多組學數(shù)據(jù)為植物組織培養(yǎng)和再生后代植物中DNA甲基化的動態(tài)提供了新的見解。該研究還表明誘導的低甲基化可以更好的促進植物再生能力并優(yōu)化母本遺傳栽培品種。
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S435.622.9


本文編號：2763288