本文關(guān)鍵詞： 蚓果芥 適應性進化 轉(zhuǎn)錄組 干旱 PEG-6000 響應模式　出處：《甘肅農(nóng)業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：適應性進化的分子機制是適應性進化最本質(zhì)的部分,是理解物種適應性進化的關(guān)鍵。在分子水平上,根據(jù)編碼蛋白質(zhì)基因的功能和含量是否發(fā)生變化,可將適應性進化分為:(1)基因序列水平和(2)基因表達調(diào)控水平兩種。受到正選擇的基因和基因表達量的變異介導了物種適應性表型的形成,對物種的適應性進化有著重要的貢獻�；谛乱淮鷾y序技術(shù)的轉(zhuǎn)錄組學是一種高效而精確的研究方法,為適應性進化提供了更為廣闊的視野,通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析物種在基因序列水平和基因表達水平上的差異,可以很好得理解物種的適應性進化分子機制。干旱對植物生長發(fā)育、農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境都造成很大影響。植物耐旱的機制和策略千差萬別,對植物耐干旱機制的研究已經(jīng)從多角度多層面展開。近年來,荒漠植物耐旱機制的研究發(fā)展很快,但是主要集中于一些典型的荒漠植物比如紅砂、沙冬青、白刺等上,而對干旱適應性很強的低矮草本植物的研究卻相對較少,且對蚓果芥的研究完全空白。分別生長于青藏高原和西北干旱區(qū)的兩種蚓果芥在表型上發(fā)生了明顯的分化,并對這兩種環(huán)境具有很強的適應性,所以它們是研究植物對高原和干旱區(qū)環(huán)境適應性分化和進化的良好材料。另外因其很強的耐旱,它們的耐旱機制也值得研究。本研究中,為了研究青�；ブ�(HZ)和蘭州白虎山(BSH)兩種生態(tài)型蚓果芥適應性分化、進化的分子機制,我們結(jié)合兩種生態(tài)型蚓果芥在控制條件下表型(種子發(fā)芽、生長發(fā)育)和染色體的差異,對兩種生態(tài)型蚓果芥轉(zhuǎn)錄組結(jié)果進行組裝,注釋,分析兩者的差異表達基因,篩選兩者的適應性正選擇基因;另外,為了研究耐旱性更強的HZ型蚓果芥的耐旱機制,我們對HZ型蚓果芥幼苗用PEG-6000溶液進行滲透脅迫處理,對其葉片各項生理指標進行測定,并對一個響應滲透脅迫的基因(BhCIPK12)進行克隆和表達分析,最后對一批與抗氧化相關(guān)基因的表達模式進行分析,以期從生理、分子層面對HZ型蚓果芥耐旱機制得以初步地探索。本研究得到以下主要結(jié)論:1.兩種生態(tài)型蚓果芥表型和染色體的差異:(1)HZ型蚓果芥具有更強的種子活力;(2)BHS型蚓果芥生長發(fā)育較HZ快,HZ型蚓果芥未能在室內(nèi)所控條件下抽薹;(3)BHS型蚓果芥為2倍體(n=14),HZ型蚓果芥為4倍體(n=28)。2.hz和bhs兩種生態(tài)型蚓果芥轉(zhuǎn)錄組的測序、組裝與注釋:(1)hz和bsh型蚓果芥轉(zhuǎn)錄組測序分別獲得大約22.4mb和21.6mb的干凈reads。hz型共獲得40,762個unigenes,平均長度為833bp;bhs型獲得46,485個unigenes,平均長度為764bp。兩種生態(tài)型總共獲得72,833個不冗余基因,平均長度812bp;(2)蚓果芥與十字花科物種擬南芥、深山擬南芥和芥菜的相似度最高;大多數(shù)基因可獲得注釋且多數(shù)與響應環(huán)境或者激素誘導的生物學過程,比如響應鹽脅迫和鈣離子等有關(guān),這些基因在正常生長發(fā)育階段的高表達可能對蚓果芥適應各種逆境環(huán)境有很大幫助。3.兩種生態(tài)型蚓果芥轉(zhuǎn)錄差異表達分析:(1)總共有7,499個unigenes在bhs和hz型中發(fā)生差異表達,其中大多數(shù)與響應環(huán)境脅迫有關(guān),主要是響應鹽脅迫、鈣離子、冷脅迫、aba通路、脫水脅迫的基因,這些基因的差異表達可能是兩種生態(tài)型蚓果芥產(chǎn)生分化的原因。(2)33個轉(zhuǎn)錄子家族中發(fā)現(xiàn)差異表達基因,其中,最多的4個家族分別是ap2/erf,bhlh,myb,和wrky家族,這些轉(zhuǎn)錄資家族基因可能在兩種生態(tài)型分化過程中起著重要作用;(3)43個與開花相關(guān)的基因發(fā)生差異表達,18個與光周期、生物鐘和光信號有關(guān),8個與赤霉素信號通路和代謝有關(guān),13個與春化和自主通路有關(guān),4個與分生組織響應和發(fā)育有關(guān),這些基因的差異表達可能與hz型不能在室內(nèi)抽薹有直接關(guān)系。4.兩種生態(tài)型蚓果芥適應性正選擇基因分析:(1)共獲得145個正選擇基因,主要是與響應鹽脅迫和寒冷脅迫有關(guān)的基因,這些基因?qū)τ隍竟孢m應逆境環(huán)境至關(guān)重要;(2)25個基因為正選擇差異表達基因,其中包括兩個與脅迫和荷爾蒙相關(guān)的基因ein2和keg以及一個調(diào)控開花時間相關(guān)的基因elf6,這些基因?qū)煞N蚓果芥適應各自環(huán)境至關(guān)重要。5.互助型蚓果芥對滲透脅迫的生理響應:(1)hz型蚓果芥對peg-6000的耐受極限在20%~30%之間,高于這個耐受極限,植物會在短期內(nèi)嚴重失水并會受到嚴重氧化損傷;反之,水分和氧化損傷水平會在很長時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定的水平;(2)可溶性蛋白含量結(jié)果表明,植株在脅迫后期仍然保持很高的活性,另外,可溶性蛋白可能在脅迫后期參與滲透調(diào)節(jié)活動;(3)sod和cat酶主要在脅迫早期對植株起保護作用,而pod在脅迫晚期,尤其在受到嚴重損傷的植株中作用更為突出。6.互助型蚓果芥響應滲透脅迫基因(BhCIPK12)的分離、克隆和表達分析:(1)在30%/4h的葉片材料中發(fā)現(xiàn)了長大約為1600 bp的差異表達片段。該片段的ORF序列為1060 bp,預測蛋白氨基酸490個,預測分子量54.99 kDa,pI為7.66;(2)我們推測BhCIPK12的表達模式為:隨著葉片中水分的降低表達水平會先增加后減少,并且表達豐度的顯著增加與葉片在短時間內(nèi)水分的驟減有很大關(guān)系。7.互助型蚓果芥抗氧化相關(guān)基因響應滲透脅迫的表達分析:(1)59個目的基因中有35個基因表達上調(diào),包括12個抗氧化物基因,12個信號基因和轉(zhuǎn)錄子基因,11個光合相關(guān)基因。23個基因表達下調(diào),包括4個抗氧化基因,1個信號基因和18個光合作用相關(guān)基因;(2)大多數(shù)抗氧化物基因在早、中期的表達活躍可能在蚓果芥的抗氧化機制中起到重要作用;大量信號通路基因在脅迫早、中期的高表達對蚓果芥啟動抗氧化等保護機制有重要作用;光合活動在脅迫過程中受到了嚴重抑制,GHLH,PPDK2以及PHYA,B等少數(shù)光合基因可能在脅迫過程中,對維護蚓果芥光合活動有重要作用。
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本文編號：1473601