發(fā)布時間：2020-10-31 22:25

　　 黑楊因其優(yōu)良速生性成為重要的經(jīng)濟(jì)林業(yè)品種,其中在我國引種選育出來的優(yōu)良?xì)W美楊,是北方地區(qū)主要的用材樹種。木材的形成來源于樹木的徑向生長,主要是由于木本植物莖維管束形成層向內(nèi)外不斷分裂和分化導(dǎo)致的,該過程包括了一系列復(fù)雜且重要的生理過程。深入了解這些信息將有利于研究樹木徑向生長的調(diào)控機制以及合理充分地獲得木材生物量的最大化積累。為了闡明樹木徑向生長的分子機理與調(diào)控機制,本研究選取了兩種具有顯著徑向生長差異的歐美楊基因型107(Populus ×euramericana cv.'Neva')和 I-214(Populus × euramericana cv.'I-214')進(jìn)行生長生理比較,然后再利用高通量測序技術(shù)分析兩種楊樹的形成層轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜,并構(gòu)建基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)模型,挖掘并分析與楊樹徑向生長活動特性相關(guān)的特征模塊。同時還克隆了特性相關(guān)的重要基因,并通過基因過表達(dá)和CRISPR/Cas9基因敲除技術(shù)對基因功能進(jìn)行分析。主要的研究結(jié)果如下所示:(1)利用植物生長測量儀dendrometer對一個生長季(六月至九月)中兩種楊樹的徑向生長進(jìn)行連續(xù)實時測量。結(jié)果顯示兩種楊樹都呈現(xiàn)出相似的S型生長曲線,并且速生楊107相較于對照楊1-214表現(xiàn)出更快的徑向生長趨勢。同時107楊較高的光合能力還能夠積累更多有機物用于植物的生長。在速生前期(六月初),107楊顯示出較高的蒸騰速率,同時也表現(xiàn)出較大的莖最大日收縮量。而在速生期(八月初)和速生后期(九月末),1-214楊則展現(xiàn)出更高的蒸騰速率和莖收縮量。在整個生長過程中,1-214楊都呈現(xiàn)出較高的莖段相對含水量。這表明在相同的生長時期107楊獲得了更大的干物質(zhì)量積累。(2)通過Illumina測序平臺對楊樹107和1-214形成層轉(zhuǎn)錄組測序分析,分別獲得了 286612666和297145856條長度為100 bp的讀長序列。將這些測序數(shù)據(jù)拼接后進(jìn)行基因功能注釋發(fā)現(xiàn),表達(dá)基因主要分布在RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯后修飾、信號傳導(dǎo)、碳水化合物運輸和代謝以及胞內(nèi)分泌和膜泡運輸?shù)壬磉^程中。這些過程都與細(xì)胞循環(huán)、生長以及細(xì)胞壁發(fā)育過程緊密相關(guān)。差異表達(dá)分析顯示差異基因主要聚集在肌醇合成、防御響應(yīng),以及包括淀粉酶活性、葡聚糖代謝和木糖葡聚糖基轉(zhuǎn)移酶活性等碳水化合物代謝中。這些結(jié)果表明從總體上看兩種楊樹的生長差異主要存在于碳水化合物的相關(guān)代謝過程。(3)本研究選取了速生前期、速生期和速生后期三個時間點的兩種楊樹形成層材料進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜分析。將處理后的測序數(shù)據(jù)比對到楊樹參考基因組上,共檢測到34937個表達(dá)基因。通過比較不同生長時期間的差異表達(dá)基因,發(fā)現(xiàn)在不同生長階段轉(zhuǎn)變的過程中,兩種楊樹都表現(xiàn)出相似的基因功能模式和生物過程變化。在速生前期到速生期的轉(zhuǎn)變過程中,上調(diào)差異表達(dá)基因主要富集在細(xì)胞循環(huán)相關(guān)的生物過程中,而在速生期到速生后期的轉(zhuǎn)變過程中,則主要聚集在代謝和刺激響應(yīng)過程中,而細(xì)胞成分合成過程中大量基因則下調(diào)表達(dá)。同時還在三個生長時期中兩種楊樹間分別篩選到了 1542,2295和2110個差異表達(dá)基因。在速生前期,速生楊107中的上調(diào)差異基因主要集中在植物細(xì)胞壁相關(guān)過程中,而對照楊1-214,則主要聚集在脅迫和防御響應(yīng)過程中。進(jìn)入速生期,107楊差異基因主要聚集在細(xì)胞交流和信號傳導(dǎo)過程中,而1-214楊則在應(yīng)激和防御響應(yīng),以及細(xì)胞壁合成過程中表現(xiàn)出基因上調(diào)表達(dá)。到了速生后期,107楊更多基因集中于日晝節(jié)律的調(diào)控,而1-214楊基因則集中于光響應(yīng)相關(guān)過程。同時利用 WGCNA(Weighted Gene Coexpression Network Analysis)程序進(jìn)行的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析還展現(xiàn)了一個整體的基因表達(dá)變化過程。本研究共鑒定出18個共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)模塊。根據(jù)不同模塊中基因在不同生長時期的兩種楊樹中的表達(dá)模式差異及GO功能注釋,發(fā)現(xiàn)blue模塊的基因大量參與細(xì)胞周期和分裂等相關(guān)過程,且兩種楊樹的基因表達(dá)水平與其徑向生長速率的變化相一致。這表明該部分基因的表達(dá)與生長速率的變化有著顯著相關(guān)性,而且在兩種楊樹的生長過程中都相對保守。在與細(xì)胞壁發(fā)育合成相關(guān)的tan模塊分析中,發(fā)現(xiàn)該模塊基因在速生前期的兩種楊樹中有顯著表達(dá)差異,主要富集在細(xì)胞壁發(fā)育,以及木質(zhì)素和多糖的合成代謝過程中。而對于與基因型相關(guān)的red模塊的分析則篩選出一些在兩種楊樹間顯著性差異表達(dá)的基因。(4)在楊樹基因組中共鑒定出35個楊樹TALE轉(zhuǎn)錄因子家族基因,其中包括20個BELL基因和15個KNOX基因�；蛉旧w定位和基因復(fù)制的分析表明,楊樹進(jìn)化過程中的全基因組復(fù)制過程導(dǎo)致了楊樹TALE基因家族成員的擴增。同時楊樹和擬南芥TALE基因家族的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析顯示在BELL和KNOX兩個亞家族分離后,還各自分別產(chǎn)生了兩個分支。結(jié)合楊樹基因表達(dá)數(shù)據(jù)的分析預(yù)示了不同分支可能在楊樹莖組織生長發(fā)育過程中存在著不同作用。(5)根據(jù)之前的分析,本研究還首次從速生楊107中克隆了一個BELL轉(zhuǎn)錄因子基因PdnBELL15。該基因在整個生長季的107楊中都顯著上調(diào),且在楊樹莖中顯示出組織特異性表達(dá)。過表達(dá)楊樹莖的橫向切片結(jié)果顯示,該基因能夠促進(jìn)韌皮纖維和木質(zhì)部細(xì)胞的提早木質(zhì)化,加快次生維管組織結(jié)構(gòu)的形成。同時還利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對楊樹BELL15基因上兩個靶位點的堿基序列進(jìn)行了成功地編輯。但是基因敲除楊樹并沒有表現(xiàn)出明顯的生長變化。這表明該基因可能存在著基因功能的冗余現(xiàn)象。本研究從植物生理特性差異比較開始,利用高通量測序技術(shù),分析基因差異表達(dá)模式,結(jié)合生理特性構(gòu)建基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),挖掘基因表達(dá)與生理性狀的相關(guān)性。揭示了活躍的維管形成層細(xì)胞分裂和擴增活動以及更早的次生維管組織建成將促進(jìn)楊樹莖的徑向生長。同時還首次克隆了一個楊樹BELL轉(zhuǎn)錄因子家族基因PdnBELL15,并初步鑒定其參與維管組織生長發(fā)育調(diào)控過程中的作用。這些工作將為研究木本植物生長生理性狀與基因表達(dá)的關(guān)系以及揭示林木生長發(fā)育分子機制提供了實踐經(jīng)驗與理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：S792.11
【部分圖文】：

細(xì)胞膜和初生細(xì)胞壁之間的次生細(xì)胞壁成分開始沉積。首先是Ｓ１層的沉積，隨之而來??的是Ｓ２層和Ｓ３層的沉積。然而，次生細(xì)胞壁并沒有包裹住整個細(xì)胞表面，而是在紋??孔處有所缺失（圖１－１）。在這個位置的紋孔膜允許水分和溶質(zhì)從一個細(xì)胞到另一個??３??

而在夏季活躍（Ｄｅｌｐｉｅｒｒｅｅｔａｌ．，?２０１６）。而在低諱度熱帶地區(qū)，形成層可??能在旱季休眠，而在雨季活躍（Ｂｒｅｉｔｓｐｒｅｃｈｅｒ?ａｎｄ?Ｂｅｔｈｅｌ，?１９９０）。??冬季休眠狀態(tài)的形成層由少數(shù)幾層細(xì)胞構(gòu)成（圖１－２Ａ）。到了春天，當(dāng)日照長度??增加且溫度升高，形成層母細(xì)胞的分裂開始恢復(fù)活性（Ｐｒｉｓｌａｎｅｔａｌ．，２０１３）。在生長??季中，活動的形成層主要由大量分裂細(xì)胞組成（６至１８層），并呈現(xiàn)出薄的切向細(xì)胞??壁（圖１－２Ｂ）。在形成層細(xì)胞分裂開始后的幾天或者幾周，新生的木質(zhì)部細(xì)胞出現(xiàn)。??增大的細(xì)胞依然只有初生細(xì)胞壁，但是呈現(xiàn)出比分裂細(xì)胞更寬的徑向直徑。這些最先??增大的細(xì)胞的出現(xiàn)表明了木質(zhì)部徑向生長以及木材形成的開始。在它們出現(xiàn)后的幾??周，這些細(xì)胞開始增厚，形成次生細(xì)胞壁。因為次生細(xì)胞含有豐富的生物質(zhì)，所以首??批細(xì)胞壁增厚的細(xì)胞被認(rèn)為是木材固定碳的有效開始。最終，在木質(zhì)部細(xì)胞出現(xiàn)后的??—或兩個月，分化中的木質(zhì)部細(xì)胞達(dá)到了成熟狀態(tài)，形成了功能完善的由加厚次生細(xì)??胞壁所包圍的空腔木質(zhì)部管狀分子（Ｒａｔｈｇｅｂｅｒｅｔａｌ．

２．２．１．徑向生長變化??在一年內(nèi)的楊樹生長季中，利用植物生長測量儀記錄了兩種歐美楊莖從６月初到??９月底的實時連續(xù)徑向變化情況（圖２－１）。從總體的測量結(jié)果看，兩種楊樹表現(xiàn)出??相似的徑向生長節(jié)律。隨著生長時間的推移，氣溫的升高，徑向生長量（Ｓｔｅｍｒａｄｉａｌ??ｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）不斷積累。生長速率也逐漸增大，在七八月達(dá)到了最大值。當(dāng)進(jìn)入九月??份，隨著環(huán)境溫度的下降，生長速率逐漸減慢，直至九月底停滯生長。雖然兩種楊樹??的整體生長模式相似，但１０７楊在生長季中的徑向生長優(yōu)于１－２１４楊。??＾?５??｜?１０７??７?４??〇?１－２１４??Ｉ?３??Ｅ??１?２??．２??２?１??Ｅ??Ｏ??５５??Ｊｕｎ?１?Ｊｕｎ?１５?Ｊｕｌ?１?Ｊｕｌ?１５?Ａｕｇ?１?Ａｕｇ?１５?Ｓｅｐ?１?Ｓｅｐ?１５??Ａ－ｇ－?？．ｉ?Ｂ＾?４?０－ｇ－?５??￡?Ｅ
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 萬雪琴;夏新莉;尹偉倫;慈龍俊;張新時;;北美雜交楊在北京引種的苗期生態(tài)適應(yīng)性[J];四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報;2008年01期

2 張綺紋;楊樹優(yōu)良紙漿材和生態(tài)防護(hù)林新品種歐美楊107號[J];林業(yè)科學(xué)研究;1999年03期

本文編號：2864590