發(fā)布時(shí)間：2020-06-26 11:26

【摘要】：目的:株型結(jié)構(gòu)是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要綜合性狀。開(kāi)花標(biāo)志著植株從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段向生殖生長(zhǎng)階段的轉(zhuǎn)換,是開(kāi)花植物對(duì)內(nèi)部信號(hào)和外部刺激作出的響應(yīng),也深刻影響植物的生長(zhǎng)特性和株型結(jié)構(gòu)。自然條件下,棉花植株由主莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)持續(xù)產(chǎn)生側(cè)枝和花序,形成無(wú)限生長(zhǎng)的株型結(jié)構(gòu)。棉花的枝包括營(yíng)養(yǎng)枝和果枝兩種,果枝又可分為有限果枝和無(wú)限果枝。零式果枝是典型的有限果枝類(lèi)型,其主莖直接著生花蕾,或僅有一個(gè)短果節(jié),果節(jié)頂端為單生花或叢生花,從而形成非常緊湊的株型結(jié)構(gòu)。本文圍繞棉花零式果枝性狀,對(duì)其遺傳控制基因進(jìn)行精細(xì)定位和初步驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,對(duì)棉花零式果枝控制基因所屬的植物PEBP基因家族進(jìn)行系統(tǒng)地生物信息學(xué)和適應(yīng)性進(jìn)化分析,以揭示植物PEBP基因家族的進(jìn)化特征、進(jìn)化動(dòng)力和關(guān)鍵分子信息,重建棉花PEBP基因家族進(jìn)化模式和歷史,為全面解析PEBP基因家族在棉花中的多樣化功能,闡明棉花零式果枝遺傳的分子機(jī)制,指導(dǎo)棉花株型育種奠定基礎(chǔ)。方法:(1)本研究中,采用集團(tuán)分離分析法(BSA)并結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)(NGS),通過(guò)零式果枝海島棉品種新海18號(hào)與無(wú)限果枝陸地棉材料TM-1雜交,獲得海陸雜種F_2代作圖群體,構(gòu)建精細(xì)圖譜對(duì)棉花零式果枝控制基因進(jìn)行精細(xì)定位;(2)通過(guò)轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)表達(dá),初步確定零式果枝控制基因;(3)根據(jù)棉花全基因組測(cè)序與注釋結(jié)果,采用序列比對(duì)和同源克隆的方法,對(duì)各主要棉種基因組中(包括10個(gè)二倍體物種和5個(gè)四倍體物種)的PEBP家族基因進(jìn)行鑒定、克隆,以獲得PEBP基因家族在棉屬主要基因組(或物種)中的分布情況,并對(duì)棉花PEBP基因家族進(jìn)行生物信息學(xué)分析;(4)采用分枝模型(Branch model)、位點(diǎn)模型(Site model)和枝-位點(diǎn)模型(Branch-site model),分別對(duì)棉屬和薔薇類(lèi)植物PEBP基因家族進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化分析;(5)結(jié)合植物進(jìn)化中所發(fā)生的歷次全基因組加倍事件,通過(guò)祖先基因鑒定、直系同源基因鑒定分組、系統(tǒng)發(fā)育分析、分化分析等方法,闡明棉花PEBP基因家族擴(kuò)張、刪除與分化的進(jìn)化模式,重建棉花PEBP基因家族的進(jìn)化歷史。結(jié)果與結(jié)論:(1)遺傳分析表明,棉花零式果枝性狀由單位點(diǎn)隱性基因gb_nb1控制;采用簡(jiǎn)化基因組測(cè)序技術(shù),獲得父、母本間等位單核苷酸多態(tài)性(SNPs),并對(duì)SNP位點(diǎn)在F_2代零式果枝和無(wú)限果枝群體中的分布特征進(jìn)行了鑒定;通過(guò)分離分析,發(fā)現(xiàn)一個(gè)包含42個(gè)SNP標(biāo)記的、長(zhǎng)度約~9.0Mb的候選區(qū)域與零式果枝控制基因gb_nb1存在關(guān)聯(lián),最終將gb_nb1定位于陸地棉Chr16上一長(zhǎng)度約600kb的區(qū)間。(2)擬南芥互補(bǔ)試驗(yàn)表明,位于該區(qū)間內(nèi)的擬南芥ATC同源基因GhNB(Gh_D07G1075)為零式果枝控制基因,該基因?qū)儆谥参颬EBP基因家族。(3)采用序列比對(duì)和同源克隆方法,鑒定、克隆了棉屬15個(gè)種內(nèi)的PEBP家族基因共計(jì)160個(gè);系統(tǒng)發(fā)育分析表明,棉屬PEBP家族基因分為MFT-Like、FT-Like和TFL1-Like等3個(gè)亞家族,包括MFT-L1、MFT-L2、FT、BFT-L1、BFT-L2、TFL1-L1、TFL1-L2、CEN等8個(gè)直系同源組;二倍體棉種基因組含有8個(gè)分別屬于不同直系同源組的單拷貝PEBP基因,而四倍體棉種基因組則含有16個(gè)分別屬于8個(gè)直系同源組的雙拷貝PEBP基因。(4)生物信息學(xué)分析表明,在基因長(zhǎng)度、基因結(jié)構(gòu)、DNA序列、CDS序列、蛋白質(zhì)序列等方面,不同直系同源組之間存在明顯差異,而來(lái)自于不同棉種的、同一直系同源組內(nèi)的PEBP基因高度相似甚至完全一致;棉花PEBP基因具有典型的PEBP家族基因結(jié)構(gòu),包括4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子;陸地棉PEBP基因時(shí)空表達(dá)模式分析表明,不同PEBP基因的時(shí)空表達(dá)模式存在顯著差異;對(duì)PEBP基因啟動(dòng)子的生物信息學(xué)分析表明,光響應(yīng)順式作用元件在PEBP家族基因啟動(dòng)子區(qū)域普遍存在;植物原始祖先膠球藻和小立碗蘚的PEBP基因啟動(dòng)子區(qū)域的光響應(yīng)順式作用元件的數(shù)量明顯少于棉花PEBP基因;棉花PEBP家族基因上游順式作用元件呈不均衡分布,不同PEBP直系同源組間啟動(dòng)子所包含的順式作用元件種類(lèi)和數(shù)量存在明顯差異,而直系同源組內(nèi)PEBP基因上游的順式作用元件分布則具有極高的相似性。(5)棉屬PEBP基因家族的適應(yīng)性進(jìn)化分析表明,棉屬PEBP基因家族的平均選擇壓力ω僅為0.12396,表明棉屬PEBP基因家族是一個(gè)極端保守的、呈高度負(fù)向(純化)選擇的基因家族;分枝模型分析表明,棉屬PEBP基因家族中的MFT-L1、MFT-L2與FT分枝(直系同源組)在進(jìn)化中所受到的選擇壓力與背景枝存在顯著的異質(zhì)性差異;采用枝-位點(diǎn)模型在棉屬PEBP家族MFT-L2和FT分枝分別檢測(cè)到7個(gè)和2個(gè)正向選擇位點(diǎn),而MFT-L1分枝未檢測(cè)到正向選擇位點(diǎn)。(6)薔薇類(lèi)植物PEBP基因家族適應(yīng)性進(jìn)化檢測(cè)表明,薔薇類(lèi)植物PEBP基因家族受到的選擇壓力ω均值為0.09675,印證了PEBP基因家族的進(jìn)化保守特性;分枝模型分析表明,薔薇類(lèi)植物PEBP基因家族中MFT和FT分枝的選擇壓力與背景枝存在顯著的異質(zhì)性差異;采用枝-位點(diǎn)模型在MFT分枝和FT分枝分別檢測(cè)到13個(gè)、6個(gè)正向選擇位點(diǎn);蛋白質(zhì)分子三維模擬表明,除VvFT蛋白質(zhì)分子中的69V(對(duì)應(yīng)于VvTFL1中的65T)外,所檢測(cè)到的正向選擇位點(diǎn)都分布在PEBP蛋白質(zhì)分子表面。(7)植物PEBP基因家族在藻類(lèi)祖先中至少包含2個(gè)拷貝;植物MFT-L1分支與MFT-L2分支的分化對(duì)應(yīng)于被子植物祖先ε全基因組加倍事件,而棉花TFL1-L1與TFL1-L2、BFT-L1與BFT-L2則來(lái)自于棉屬祖先的全基因組加倍事件;隨著植物中全基因組加倍事件的持續(xù)發(fā)生,PEBP基因家族亦不斷發(fā)生基因的復(fù)制、刪除和分化等進(jìn)化事件,現(xiàn)存棉花PEBP基因家族是歷次植物全基因組加倍以及基因刪除、分化的結(jié)果;在此基礎(chǔ)上,重建了棉花PEBP基因家族的復(fù)制、刪除和分化的進(jìn)化模式和歷史。
【學(xué)位授予單位】：石河子大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S562
【圖文】：

圖 1-1 基因復(fù)制的模式Figure 1-1 Mechanisms of gene duplication.重復(fù)和多倍化；B，串聯(lián)重復(fù)或通過(guò)非同源位點(diǎn)充足導(dǎo)致的基因重復(fù)；C，轉(zhuǎn)座子介重復(fù)；E，反轉(zhuǎn)錄復(fù)制 (Panchy et al. 2016).

分子系統(tǒng)發(fā)育分析表明，組成棉屬的所有物種來(lái)自于單一天然譜系（Cronn et al.2002），與棉屬親緣關(guān)系最近的植物是來(lái)自非洲-馬達(dá)加斯加的 Gossypioides 屬和來(lái)自夏威夷的 Kokia 屬，大約在第三紀(jì)中新世（約 10-15 百萬(wàn)年），棉屬與 Gossypioides 屬和Kokia 屬分離出來(lái)，并迅速在世界各地?cái)U(kuò)散，并形成 3 個(gè)主要的二倍體類(lèi)群：新世界類(lèi)群（D 基因組）、亞非類(lèi)群（A、B、E、F 基因組）和澳洲類(lèi)群（C、G、K 基因組），其中包括若干跨洋擴(kuò)散事件，也與相關(guān)的形態(tài)學(xué)、生態(tài)學(xué)、染色體分化等證據(jù)相互印證（Seelanan et al. 1997；Cronn et al. 2002；Wendel et al. 2009）。迄今所發(fā)現(xiàn)的天然四倍體棉種，均為由 AD 染色體組組成的異源四倍體，其染色體組包括來(lái)自于亞洲或非洲的 A 亞基因組（亞洲棉或草棉）和來(lái)自于美洲的 D 亞基因組（雷蒙德氏棉）�，F(xiàn)在通常認(rèn)為，異源四倍體 A 染色體組的真正供體已經(jīng)滅絕，現(xiàn)存的亞洲棉或草棉與異源四倍體種的 A 染色體組的親緣距離相當(dāng)，而對(duì)于 D 染色體組的供體，目前較為公認(rèn)的是雷蒙德氏棉。結(jié)合形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、分子學(xué)、地理分布等方面的相關(guān)證據(jù)，F(xiàn)ryxell 認(rèn)為大約 1-2 百萬(wàn)年的中更新世，A 染色體組祖先種，通過(guò)大西洋擴(kuò)圖 1-4 PEBP 基因家族的功能分化(Wang et al. 2015)Figure1-4 Functional differentiation of PEBP gene family

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳勇;柳亦松;曾建國(guó);;植物基因組測(cè)序的研究進(jìn)展[J];生命科學(xué)研究;2014年01期

2 朱巖;彭振英;張斌;畢玉平;;PEBP家族基因在植物中功能的研究進(jìn)展[J];山東農(nóng)業(yè)科學(xué);2013年02期

3 孫紅正;葛頌;;重復(fù)基因的進(jìn)化--回顧與進(jìn)展[J];植物學(xué)報(bào);2010年01期

4 彭貴子;陳玲玲;田大成;;基因重復(fù)的研究進(jìn)展[J];遺傳;2006年07期

5 劉三宏,王坤波,宋國(guó)立;四倍體棉種的起源與演化[J];棉花學(xué)報(bào);2003年05期

6 李少昆,王崇桃;作物株型和冠層結(jié)構(gòu)信息獲取與表述的方法(綜述)[J];石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1997年03期

7 杜雄明;棉花果枝類(lèi)型劃分的統(tǒng)一化[J];中國(guó)棉花;1996年04期

8 朱紹琳;李秀章;;棉花株型育種[J];棉花;1980年03期

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1 仲巖;果蠅、線蟲(chóng)基因組中基因重復(fù)的適應(yīng)性演化[D];南京大學(xué);2013年

2 張亮生;SET基因家族的分子進(jìn)化機(jī)制和基于RNA-Seq技術(shù)的擬南芥花轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2012年

3 楊澤峰;基于生物信息學(xué)方法的水稻TLP、SBP-box、CPP-like、Cystatin和HAK基因家族的分子進(jìn)化研究[D];揚(yáng)州大學(xué);2008年

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1 劉杰;棉花零式果枝性狀候選基因功能的初步分析[D];塔里木大學(xué);2017年

2 劉治隆;脊椎動(dòng)物串接復(fù)制基因的比較基因組學(xué)分析[D];西南大學(xué);2017年

3 翟騰飛;棉花短果枝基因cl的精細(xì)定位[D];西南大學(xué);2015年

4 王明輝;叉頭框基因家族結(jié)構(gòu)域分析及O亞家族的進(jìn)化研究[D];上海交通大學(xué);2009年

5 王海嬌;天藍(lán)色鏈霉菌和阿維鏈霉菌的基因組比較及系統(tǒng)發(fā)育分析[D];天津大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2730246