【摘要】：叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)可與地球上大多數(shù)植物根系形成一種獨(dú)特的互惠共生體——叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)。AM可以顯著改善宿主植物的營養(yǎng)、水分代謝及其抗逆性,因而對現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。AMF屬于專性活體營養(yǎng)型(Obligate biotrophy)生物,其生物學(xué)及遺傳學(xué)復(fù)雜性極大的限制了人們對其發(fā)育的分子生物學(xué)機(jī)制研究。盡管模式種Rhizophagus irregularis組學(xué)數(shù)據(jù)的發(fā)布為我們了解AMF遺傳組成的全貌打開了第一扇門,然而AMF作為一支獨(dú)立而古老的真菌進(jìn)化分支(Glomeromycota,球囊菌門),其中包含了豐富的遺傳多樣性和生理生態(tài)多樣性,因而R.irregularis組學(xué)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出來的特點(diǎn)能否代表整個AMF類群的普遍特征目前還不得而知。為了更全面地了解AMF遺傳構(gòu)成的特點(diǎn)和探索其共生發(fā)育的分子生物學(xué)機(jī)制,本研究選取一個在遺傳和生理生態(tài)特征上與模式種R.irregularis(Glomerales)有著顯著差異的菌根真菌物種Gigaspora rosea(Diversisporales)作為研究對象,采用二代核酸測序技術(shù)(RNA-sequencing)及相關(guān)生物信息學(xué)分析技術(shù),對其轉(zhuǎn)錄組結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了全面的研究,主要結(jié)果如下:1.針對G.rosea的生理特征,本研究優(yōu)化了相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法并運(yùn)用這些方法成功制備了高質(zhì)量、能代表各個典型發(fā)育階段的高通量測序核酸(RNA)樣本,克服了以往AMF分子生物學(xué)研究尤其是大規(guī)模組學(xué)研究中一直存在的AMF核酸含量不足和質(zhì)量不高的問題。2.運(yùn)用CLC genomics workbench軟件對高通量測序所得的讀段序列(reads)進(jìn)行分類和從頭拼接(de novo assembly),得到86332個非冗余G.rosea虛擬轉(zhuǎn)錄本序列,平均長度643bp。通過與Refseq蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫比對,只有15346個轉(zhuǎn)錄本可以被注釋成數(shù)據(jù)庫中已知基因,表明AMF中存在著大量的家系特異的孤兒基因(Lineage-specific orphan genes)。蛋白質(zhì)功能注釋(GO和KOG)及與其他不同類群的真菌比較顯示AMF中顯著富集了大量的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因,這表明其與宿主植物互作過程中可能涉及密集的信號交換過程。全局性代謝通路(KEGG)分析結(jié)果表明AMF仍保留了絕大多數(shù)的初級代謝基因,而缺失的少數(shù)代謝基因可能造成了AMF的專性活體營養(yǎng)特性。AMF中重要生理特性相關(guān)基因的深度注釋表明AMF的基因構(gòu)成具有一些不同于其他類群真菌的鮮明特點(diǎn),這在很大程度上反映了它們特殊的生理生態(tài)學(xué)特征和進(jìn)化優(yōu)勢�；诙嗷虮葘Φ南到y(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究(phylogenomics)清晰地表明了AMF與毛霉亞門(Mucoromycotina)真菌關(guān)系更近,而非之前所認(rèn)為的雙核亞界真菌。3.通過比較根內(nèi)共生發(fā)育階段和根外菌絲階段的轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)G.rosea在根內(nèi)發(fā)育過程中有上千個轉(zhuǎn)錄本出現(xiàn)顯著的差異表達(dá)。其中上調(diào)表達(dá)的基因主要涉及氧化還原過程(oxidation-reduction process)、蛋白質(zhì)水解(proteolysis)、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)(transmembrane transport)等過程。通過比較進(jìn)化距離遙遠(yuǎn)的兩種宿主植物共生條件下G.rosea轉(zhuǎn)錄組的異同發(fā)現(xiàn),G.rosea基因在不同宿主中的表達(dá)調(diào)控表現(xiàn)出異乎尋常的一致性:有將近一半的基因出現(xiàn)了相似的表達(dá)模式。這種一致性說明G.rosea很可能采用了一種非常保守的基因表達(dá)調(diào)控策略來實(shí)現(xiàn)其對所有宿主植物的侵染和定殖。此外,通過與親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的模式種R.irregularis的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比較分析本文還發(fā)現(xiàn)了四十多個表達(dá)模式高度保守的AMF基因:這些基因在不同AMF種類、不同宿主植物種類中都呈現(xiàn)明顯上調(diào)。這些表現(xiàn)出保守表達(dá)模式的G.rosea核心基因的注釋表明分泌性蛋白(Secreted protein)介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Transporter)介導(dǎo)的營養(yǎng)交換、脂肪酸鏈延長及修飾相關(guān)酶類介導(dǎo)的脂類合成等過程在AM共生的建立過程可能發(fā)揮著非常核心的作用。在AMF組學(xué)數(shù)據(jù)仍然十分有限的情形下,這些研究結(jié)果不僅為將來的AMF基因功能研究提供了海量的基因數(shù)據(jù)資源,也為Glomeromycota類群內(nèi)部及其與其他真菌的比較基因組或轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究提供了可能。
[Abstract]:Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can form a unique mutualistic symbiotic with most of the roots of the earth - Arbuscular mycorrhiza (AM).AM can significantly improve the nutrition, water metabolism and resistance of the host plant. Therefore, it is of great significance to modern sustainable agriculture. The biological and genetic complexity of the specific living body (Obligate biotrophy) organisms greatly restricts the study of molecular biological mechanisms for its development. Although the publication of the model Rhizophagus irregularis data has opened the first door to our understanding of the complete picture of the genetic composition of AMF, AMF is an independent one. The ancient fungal evolutionary branch (Glomeromycota), which contains rich genetic diversity and ecophysiological diversity, is not yet known whether the characteristics of the R.irregularis group data represent the general characteristics of the whole AMF group. In order to understand the characteristics of the AMF genetic composition and explore it more comprehensively The molecular biological mechanism of symbiotic development, this study selects a mycorrhizal fungal species, Gigaspora rosea (Diversisporales), which has significant differences in genetic and physiological characteristics with the pattern species R.irregularis (Glomerales) as the research object, using two generation nucleic acid sequencing technology (RNA-sequencing) and related bioinformatics analysis techniques. The main results are as follows: 1. in view of the physiological characteristics of G.rosea, this study optimizes the relevant experimental methods and uses these methods to successfully prepare high quality and high throughput sequencing nuclear acid (RNA) samples representing various typical developmental stages and overcome the previous AMF molecular biology research. In particular, the problem of insufficient AMF nucleic acid content and poor quality that existed in large-scale omics research,.2. uses CLC genomics workbench software to classify read segment sequence (reads) and splice (de novo assembly) from high throughput sequencing (de novo assembly), and obtains 86332 non redundant G.rosea virtual transcriptional sequences, the average length 643bp. passes through. Compared with the Refseq protein database, only 15346 transcripts can be annotated into a known gene in the database, indicating a large number of family specific orphan genes in AMF (Lineage-specific orphan genes). Protein functional annotations (GO and KOG) and comparison with other different groups of fungi show that a large number of letters have been enriched in AMF. Signal transduction related genes, which suggest that their interaction with host plants may involve intensive signal exchange processes. The results of the global metabolic pathway (KEGG) analysis show that AMF still retain most of the primary metabolic genes, and the missing few metabolic genes may cause important physiological characteristics in the specific active nutrition of AMF.AMF. The deep annotation of related genes indicated that the gene composition of AMF had some distinct characteristics different from other groups of group fungi, which largely reflected their special ecophysiological characteristics and evolutionary advantages. The phylogenetic relationship based on multiple gene alignment (phylogenomics) clearly indicated that AMF and Mucor (Mucoromycot) INA) the fungal relationship was closer, but not the previously considered biuclear subboundary fungus.3. found that there were significant differences in the expression of G.rosea during the development of the root, including the redox process (oxidation-reductio), which was mainly involved in the redox process (oxidation-reductio). N process), protein hydrolysis (proteolysis), transmembrane transport (transmembrane transport) and other processes. By comparing the similarities and differences of the G.rosea transcriptome in the two species of host plants that are far distant, the expression of the G.rosea gene in different hosts shows uncommon consistency: nearly half of the genes appear. Similar expression patterns. This consistency indicates that G.rosea is likely to use a very conservative gene expression regulation strategy to achieve its infection and colonization of all host plants. In addition, more than 40 expression patterns are also found by comparison of the transcriptional data of R.irregularis, a pattern species that is far closer to the relationship. The conserved AMF gene: these genes are obviously up-regulated in different species of AMF and in different species of host plants. These show that the annotation of G.rosea core genes in the conservative expression pattern indicates that secretory protein (Secreted protein) mediated signal transduction, transport protein (Transporter) mediated nutrition exchange, fatty acid chain extension and repair are shown. The process of lipid synthesis mediated by related enzymes may play a very important role in the establishment of AM symbiosis. Under the condition that the data of AMF are still very limited, these results not only provide a large amount of genetic data for the future research of AMF gene function, but also for the internal and other Glomeromycota groups. Comparative genomics or transcriptome studies of fungi provide the possibility.
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q93

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本文編號：2169873