【摘要】：森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分,在人類生產(chǎn)與生活中扮演了極其重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)角色。近年來,隨著人口劇增及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,我國(guó)對(duì)木材的需求量逐年攀升。目前,年進(jìn)口木材2.5億立方米,對(duì)進(jìn)口木材的依賴程度高達(dá)50%。因此,加速選育優(yōu)良用材種質(zhì),同時(shí)提高木材的產(chǎn)量和質(zhì)量是緩解我國(guó)目前木材短缺形勢(shì)的關(guān)鍵。然而眾多科學(xué)研究表明,林木的生長(zhǎng)及木材品質(zhì)性狀是由多基因與環(huán)境互作所共同調(diào)控的復(fù)雜數(shù)量性狀,具有極其復(fù)雜的遺傳調(diào)控機(jī)制。因此尋找林木中與木材形成相關(guān)的基因,闡明影響木材性狀遺傳的分子機(jī)制,確定控制木材性狀變異的等位位點(diǎn),是改良林木木材品質(zhì)、建立基因輔助選擇育種體系并最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)森林資源可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要基礎(chǔ)。為此,本研究以我國(guó)北方重要用材樹種毛白楊(Populus tomentosa Carr.)為材料,結(jié)合高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)、群體基因組重測(cè)序技術(shù)及生物信息學(xué)分析手段,系統(tǒng)地鑒定了楊樹木材形成相關(guān)候選基因,并進(jìn)一步對(duì)其內(nèi)的插入缺失(InDels)位點(diǎn)進(jìn)行等位變異解析、多樣性評(píng)價(jià)及連鎖不平衡檢測(cè)工作;在此基礎(chǔ)上,利用關(guān)聯(lián)作圖策略在435株毛白楊種質(zhì)資源群體內(nèi)開展InDels變異位點(diǎn)與樹木生長(zhǎng)及木材品質(zhì)性狀的關(guān)聯(lián)分析,并對(duì)其加性、顯性與上位性效應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合遺傳解析。本研究的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.對(duì)毛白楊主干形成層、未成熟木質(zhì)部和成熟木質(zhì)部組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及生物信息學(xué)分析,獲得了 697個(gè)在毛白楊維管組織中差異表達(dá)的基因(FC≤0.5或≥2,P1.0e-03,FDRq0.10),作為木材形成相關(guān)的候選基因。隨機(jī)選取11個(gè)候選基因,對(duì)其在莖尖、未成熟葉片、成熟葉片、形成層、未成熟木質(zhì)部、成熟木質(zhì)部、韌皮部與根等8個(gè)組織中的表達(dá)模式進(jìn)行組織特異性Realtime-PCR檢測(cè),結(jié)果證實(shí)這些候選基因在形成層組織、未成熟木質(zhì)部組織和成熟木質(zhì)部組織中具有較高豐度表達(dá),表明這些基因很可能參與了楊樹的木材形成過程。2.通過比對(duì)毛白楊維管組織中697個(gè)差異表達(dá)基因的序列,本研究在435株毛白楊種質(zhì)資源群體的基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)中共檢測(cè)到679個(gè)差異表達(dá)的候選基因,可覆蓋基因組中2,565.583堿基核苷酸序列并廣布于19條染色體上�；虮倔w論(Gene Ontology,GO)分析顯示,這些基因顯著富集于葡萄糖代謝、多糖生物合成、UDP-葡萄糖轉(zhuǎn)移酶活性及轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的77個(gè)基因功能條目;進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行基因功能注釋表明,多個(gè)差異表達(dá)基因來自控制木材化學(xué)成分(如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等)合成的關(guān)鍵基因或基因家族,如纖維素合酶基因家族(CesA)、蔗糖合酶基因(SuSy)、咖啡酰輔酶A甲基轉(zhuǎn)移酶基因(CCoA OMT)、苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)、生長(zhǎng)素(Aux/IAA)及生長(zhǎng)素響應(yīng)因子(ARF)等。對(duì)候選基因啟動(dòng)子區(qū)的作用元件進(jìn)行富集分析,鑒定到多個(gè)可與bHLH和bZIP等轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合的啟動(dòng)子作用元件。結(jié)果表明679個(gè)候選基因參與了木材纖維素與木質(zhì)素的生物合成過程,并可能受到相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。3.結(jié)合435株毛白楊種質(zhì)資源群體基因組重測(cè)序數(shù)據(jù),本研究在679個(gè)差異表達(dá)候選基因內(nèi)共檢測(cè)到5,482個(gè)InDels變異位點(diǎn),其中插入位點(diǎn)2,495個(gè),缺失位點(diǎn)2,987個(gè),總體發(fā)生頻率為2.14個(gè)/Kb。特征分析顯示,InDels變異位點(diǎn)多發(fā)生于基因的非編碼區(qū)域,包括啟動(dòng)子區(qū)(21.9%)、內(nèi)含子區(qū)(36.8%)、5'非編碼區(qū)(7.7%)、3'非編碼區(qū)(29.4%);而基因編碼區(qū)僅含有4.3%的InDels變異位點(diǎn),其中71%的變異位點(diǎn)呈現(xiàn)3或以3的倍數(shù)為基元的插入或缺失,推測(cè)認(rèn)為編碼區(qū)中InDels變異位點(diǎn)受到強(qiáng)烈的純化選擇作用。進(jìn)一步對(duì)5,482個(gè)InDels變異位點(diǎn)進(jìn)行變異類型統(tǒng)計(jì),顯示有5,260個(gè)雙等位InDels位點(diǎn)和222個(gè)復(fù)雜多等位InDels位點(diǎn)。4.對(duì)毛白楊種質(zhì)資源群體及三個(gè)氣候區(qū)群體分別進(jìn)行InDels多樣性評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示,InDels變異位點(diǎn)在種質(zhì)資源群體內(nèi)具有較高的多樣性水平(πT=0.05434 and θw=0.09078),其中外顯子區(qū)域多樣性水平最低,啟動(dòng)子區(qū)域多樣性水平最高。對(duì)毛白楊三個(gè)氣候區(qū)InDels多樣性檢測(cè)發(fā)現(xiàn),三個(gè)氣候區(qū)域雖然具有一定程度的變異,但其多樣性參數(shù)π與θw的變異模式具有高度的相似性。同時(shí)Tajima's D中性檢測(cè)均表現(xiàn)負(fù)值,表明毛白楊種質(zhì)資源群體內(nèi)存在過剩的低頻InDels并受到強(qiáng)烈的純化選擇。對(duì)毛白楊種質(zhì)資源群體開展連鎖不平衡水平檢測(cè),結(jié)果表明其連鎖不平衡水平較低,并在候選基因內(nèi)部已衰退至不明顯,進(jìn)一步表明在林木群體內(nèi)開展基于候選基因的InDels關(guān)聯(lián)作圖是可行的。5.利用TASSEL軟件中的混合線性模型(MLM)對(duì)候選基因的InDels位點(diǎn)與10個(gè)木材生長(zhǎng)及品質(zhì)性狀進(jìn)行單標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析,共檢測(cè)到81個(gè)基因內(nèi)的89個(gè)InDels位點(diǎn)與10個(gè)表型性狀形成119個(gè)顯著關(guān)聯(lián)(FDR q0.10),每一InDel位點(diǎn)可以解釋表型變異率對(duì)10.4%-24.7%。在此基礎(chǔ)上,對(duì)單標(biāo)記模型下顯著關(guān)聯(lián)的InDel位點(diǎn)進(jìn)行加性和顯性效應(yīng)解析,結(jié)果顯示來自68個(gè)基因中74個(gè)InDels位點(diǎn)表現(xiàn)出加性或顯性效應(yīng)。利用EPISNP軟件對(duì)InDels位點(diǎn)間的上位性效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè),共獲得來自于290個(gè)候選基因中的517個(gè)InDels位點(diǎn)與所有10個(gè)生長(zhǎng)與木材品質(zhì)性狀形成了 1,004個(gè)顯著的InDel-InDel上位性關(guān)聯(lián)組合(P1e-04)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)僅有58(11.3%)個(gè)InDels位點(diǎn)在加性和顯性模型下具有功能效應(yīng),表明InDels位點(diǎn)的單標(biāo)記主效應(yīng)對(duì)InDel-InDel位點(diǎn)間的上位性效應(yīng)沒有直接的影響。此外,對(duì)基因間的上位性遺傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入剖析發(fā)現(xiàn),PtoCCoAOMT6基因和Pto4CL7基因以及PtoCCoAOMT4基因和Pto4CL9間具有顯著的上位性效應(yīng),并對(duì)植株的木質(zhì)素含量具有顯著影響。本研究將為毛白楊木質(zhì)纖維品質(zhì)基因輔助育種體系的改良及其工業(yè)用材林的培育奠定良好的理論與技術(shù)支持,并在樹木基因內(nèi)InDels的連鎖不平衡作圖方面填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外空白,具有重要的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

的功能ＩｎＤｅｌｓ標(biāo)記位點(diǎn)，并可能為最終闡明林木木材品質(zhì)表型控機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。逡逑此，本研宄以我國(guó)北方重要用材樹種毛白楊為研宄料，首先結(jié)合高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)分析方范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)與楊樹木材形成相關(guān)的候選基因，并對(duì)其進(jìn)行功能注釋析。其次，借助毛白楊種質(zhì)資源群體的基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)ＩｎＤｅｌｓ變異位點(diǎn)開展等位變異解析、多樣性評(píng)價(jià)及連鎖不平衡檢上，利用關(guān)聯(lián)作圖策略在４３５株毛白楊種質(zhì)資源群體內(nèi)開展基于Ｄｅｌｓ變異位點(diǎn)與樹木生長(zhǎng)及木材品質(zhì)性狀的關(guān)聯(lián)分析研究，并對(duì)上位性效應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合遺傳解析，發(fā)現(xiàn)與木材生長(zhǎng)及品質(zhì)性狀顯著立點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)ＩｎＤｅｌ標(biāo)記的遺傳效應(yīng)進(jìn)行深入T叄桑飾�。该研究结果遗传调控机诸l難芯亢兔籽钅局氏宋分駛蚋ㄖ痔逑檔撓貌牧值吶嚶於ɡ礪塾爰際躉�，并填补灾o髂凈蚰誑梗桑詈庾魍擠矯嫻目瞻住ｅ義咸宓氖笛榧際趼廢呷繽跡保彼荊哄義希諮釹蛉蝗哄義，

本文編號(hào)：2615229