【摘要】：作為植物生長發(fā)育必需的微量營養(yǎng)元素,硼廣泛參與了各類生理生化過程。甘藍(lán)型油菜對硼脅迫(特別是缺硼)極其敏感。土壤缺硼嚴(yán)重抑制了油菜的生長并導(dǎo)致油菜籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)顯著下降。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中,施用化學(xué)硼肥是解決土壤缺硼的主要措施。然而,硼礦石屬于一種非再生資源,礦藏量正在不斷減少。在14種必需礦質(zhì)營養(yǎng)元素中,土壤硼缺乏和毒害之間濃度范圍最小;高濃度的硼極易對植物的組織和器官造成嚴(yán)重的生理毒害。因此,鑒定油菜硼脅迫抗性品種克隆硼脅迫抗性基因進(jìn)而揭示油菜抵抗硼脅迫的遺傳與分子機(jī)制對油菜的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義�；谏鲜鲅芯勘尘昂湍康�,本研究首先從油菜響應(yīng)低硼脅迫的形態(tài)生理和轉(zhuǎn)錄組差異以及全基因組水平上的遺傳變異等角度全面解析了硼高效(抗低硼脅迫)品種QY10和硼低效(低硼脅迫敏感)品種W10的差異;然后,在課題組前期鑒定的硼效率主效QTL q BEC-A3a及其近等基因系的基礎(chǔ)上,對q BEC-A3a進(jìn)行了精細(xì)定位并克隆了低硼脅迫抗性基因;最后從全基因組的轉(zhuǎn)錄水平上解析了油菜對缺硼和硼毒脅迫的差異響應(yīng)。研究獲得的主要結(jié)果如下:(1)不同硼效率品種響應(yīng)缺硼脅迫的形態(tài)生理和轉(zhuǎn)錄組差異以及遺傳變異營養(yǎng)液培養(yǎng)系統(tǒng)下,低硼脅迫導(dǎo)致W10的葉片和根系生長嚴(yán)重受阻,植株總干重和硼含量均顯著低于QY10。受缺硼刺激,W10根尖累積大量活性氧,非根毛區(qū)顯著變短,葉片和根系均遭受嚴(yán)重的脂質(zhì)過氧化損傷。葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn),缺硼脅迫下,W10出現(xiàn)細(xì)胞畸形質(zhì)壁分離葉綠體排列紊亂以及細(xì)胞壁加厚腫脹等生理缺陷。在成熟期,W10的雌雄生殖器官均發(fā)育畸形而且籽粒產(chǎn)量嚴(yán)重下降。通過全基因組重測序,我們在全基因組水平上共鑒定到1,605,747個單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(SNPs)和218,755個插入/缺失(In Dels)位點(diǎn),它們不均勻地分布在油菜的19條染色體上,而且呈現(xiàn)出An亞基因組多態(tài)性高于Cn亞基因組的特點(diǎn)。通過數(shù)字基因表達(dá)譜測序,我們在QY10和W10的葉片和根系中分別鑒定了21,743個和14,343個差異表達(dá)基因,它們主要參與了硼的高效吸收轉(zhuǎn)運(yùn)與分配活性氧的清除以及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和質(zhì)膜完整性的維持。(2)硼高效主效QTL q BEC-A3a的精細(xì)定位與克隆在課題組前期鑒定的硼高效主效QTL q BEC-A3a及其近等基因系(BC4F2)的研究基礎(chǔ)上,我們利用苗期營養(yǎng)液培養(yǎng)成熟期盆栽試驗(yàn)以及懸浮細(xì)胞培養(yǎng)證實(shí)了q BEC-A3a能夠顯著提高油菜的抗低硼脅迫能力,并利用QTL-seq方法對q BEC-A3a的唯一存在性進(jìn)行了驗(yàn)證。隨后,我們通過基因型分析篩選BC4F3的重組單株并調(diào)查其衍生的BC4F3:4家系硼效率將q BEC-A3a區(qū)間由6.6 c M縮小至1.74 c M;同樣的方法,我們利用BC4F4/BC4F4:5家系將q BEC-A3a進(jìn)一步縮小至119 kb的物理區(qū)間內(nèi)。該QTL區(qū)間內(nèi)共有21個注釋基因,其中的ORF16(Bna A03g24370D)與擬南芥內(nèi)向型硼酸通道基因At NIP5;1高度同源(92.4%)。課題組前期通過嫁接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油菜的硼效率主要由根系調(diào)控,因此我們把硼高效候選基因限定為硼高效基因型和硼低效基因型在根內(nèi)的差異表達(dá)基因。數(shù)字基因表達(dá)譜分析顯示,僅有Bna A03g24370D在硼高效親本QY10和硼高效近等基因系NILQ根內(nèi)的表達(dá)量顯著高于硼低效親本W(wǎng)10,因此我們將Bna A03g24370D作為硼高效候選基因,并將其命名為Bna A3.NIP5;1。比較測序發(fā)現(xiàn),QY10和W10中Bna A3.NIP5;1基因編碼的氨基酸序列完全相同;QY10和W10在5'UTR區(qū)存在十一個SNPs和一個In Del位點(diǎn),它們可能參與了不同油菜硼效率品種中Bna A3.NIP5;1基因的差異表達(dá)調(diào)控。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明Bna A3.NIP5;1蛋白屬于MIP超家族的NIP II亞家族成員,起源于其二倍體祖先白菜的Bra A3.NIP5;1蛋白。進(jìn)化選擇壓力結(jié)果顯示Bna A3.NIP5;1和At NIP5;1基因的Ka/Ks大于1,表明其受到強(qiáng)烈的正向選擇。油菜硼吸收轉(zhuǎn)運(yùn)與分配基因的共表達(dá)分析表明Bna A3.NIP5;1在根系對硼的高效吸收網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮核心作用。另外,我們利用以QY10和W10為親本構(gòu)建的190個雙單倍體群體株系進(jìn)行QTL-seq分析,在C2染色體上鑒定到兩個新的硼高效QTLs位點(diǎn)q BEC-C2a和q BEC-C2b;同時,結(jié)合目標(biāo)區(qū)間內(nèi)注釋基因的差異表達(dá)分析,預(yù)測了的一個NIP5;1-like基因Bna C2.NIP5;1和一個ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子基因Bna C2.ABCG21作為硼高效候選基因。本研究中高通量測序輔助的QTL-seq和RNA-seq分析方法為復(fù)雜基因組物種數(shù)量性狀位點(diǎn)的高精度檢測和數(shù)量性狀基因的快速克隆提供了有效借鑒。(3)甘藍(lán)型油菜對缺硼和硼毒脅迫的差異轉(zhuǎn)錄組響應(yīng)以低硼脅迫敏感品種W10為材料,我們分析了其在缺硼和硼毒條件下的轉(zhuǎn)錄組差異。缺硼和硼毒條件下,油菜生物量根長硼累積量和光合色素濃度均顯著下降,葉片中的花青素濃度卻顯著增加。在葉片中,分別有2,950個和2,439個基因在缺硼和硼毒條件下發(fā)生差異表達(dá),顯著多于根中的差異表達(dá)基因數(shù)目。轉(zhuǎn)錄組分析表明,油菜可能主要是通過調(diào)控硼轉(zhuǎn)運(yùn)子基因Bna BOR1sBna BOR2s和Bna BOR4s與硼酸通道蛋白基因Bna NIPsBna TIPs和Bna PIPs的表達(dá)來調(diào)控硼的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)分配以及區(qū)室化分隔,進(jìn)而維持油菜體內(nèi)硼含量的動態(tài)平衡并增強(qiáng)油菜抵抗硼脅迫的能力。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分類號】：S565.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2348360