【摘要】：光合作用是自然界最重要的生物化學(xué)反應(yīng)之一,是生物體生命活動(dòng)的生理與物質(zhì)基礎(chǔ)。因此,解析光合作用形成的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)一直是該領(lǐng)域科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。而隨著生物技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)光合作用遺傳調(diào)控機(jī)制認(rèn)識(shí)的逐步加深,近年來(lái)對(duì)于光合作用的研究重點(diǎn)開始向植物核基因組與葉綠體基因組、核基因組與其它細(xì)胞器互作調(diào)控機(jī)制等方面轉(zhuǎn)移；但在多年生林木中,對(duì)于光合作用形成的基因與等位變異遺傳調(diào)控的研究則少見報(bào)道。為此,本論文以我國(guó)北方地區(qū)重要用材與綠化樹種毛白楊(Populus tomentosa Carr.)群體為實(shí)驗(yàn)材料,組合利用混合分群分析法(Bulked Segregant Analysis, BSA)-全基因組表達(dá)譜基因芯片技術(shù)與關(guān)聯(lián)遺傳學(xué)方法對(duì)毛白楊核基因組光合作用相關(guān)基因進(jìn)行了發(fā)現(xiàn)與等位變異解析。研究工作為闡明林木光合作用調(diào)控機(jī)制、優(yōu)化楊樹光合效率奠定了重要的理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下：1、以1,200株毛白楊F1代雜交群體為實(shí)驗(yàn)材料,根據(jù)群體凈光合速率(Netphotosysthetic rate, Pn)性狀變異,利用混合分群分析法選擇其中具有高光合與低光合速率極端差異的個(gè)體構(gòu)建基因池,并結(jié)合Affmetrix楊樹全基因組表達(dá)譜基因芯片雜交技術(shù),快速檢測(cè)到了楊樹核基因組光合作用相關(guān)基因。通過(guò)比較極高/低Pn值群體基因池的表達(dá)譜,共檢測(cè)出具有顯著差異的基因515個(gè)(FC≥2或FC≤0.5,P□0.05)。其中,在高Pn值基因池中上調(diào)表達(dá)的基因162個(gè),下調(diào)表達(dá)的基因353個(gè)。對(duì)差異表達(dá)基因的注釋與分析顯示在白楊雜交群體中參與光合形成差異表達(dá)的基因包括很多類型,主要有：(1)核基因組與細(xì)胞器(葉綠體和/或線粒體)的互作(葉綠素、類PsbP蛋白、乙酰輔酶A水解酶/異構(gòu)酶等)；(2)植物細(xì)胞壁的修飾、合成及降解(纖維素合酶、木葡聚糖內(nèi)切轉(zhuǎn)移酶、擴(kuò)展蛋白等)；(3)物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程(MFS基因家族、ABC基因家族、生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、鉀離子通道蛋白等)；(4)植物應(yīng)激反應(yīng)(幾丁質(zhì)酶、過(guò)氧化物酶、WRKY轉(zhuǎn)錄因子等)；(5)植物代謝過(guò)程(ADP-核糖焦磷酸酶、NADH/甫酶/質(zhì)體醌等)。2、基于楊樹表達(dá)譜基因芯片結(jié)果,本論文以參與植物細(xì)胞壁代謝、逆境脅迫響應(yīng)及激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等差異表達(dá)的6個(gè)基因(XET、Dabb、GASA、SAUR、CGS以及PI)作為候選基因進(jìn)行SNP位點(diǎn)的連鎖分析。在毛白楊Fl代雜交群體中通過(guò)單因素方差分析,確定了來(lái)自于5個(gè)候選基因(XET、Dabb、GASA、SAUR、CGS)內(nèi)的9個(gè)SNP位點(diǎn)與4個(gè)光合性狀顯著連鎖,構(gòu)成了19個(gè)關(guān)聯(lián)(P□0.05,FDR0.10),每一標(biāo)記位點(diǎn)可解釋表型變異的2.3%-12.6%。檢測(cè)到的SNP位點(diǎn)可作為影響光合效率的核基因組分子標(biāo)記用于后續(xù)的林木分子標(biāo)記輔助育種。本文結(jié)果不但揭示了核基因組對(duì)光合作用的調(diào)控與植物細(xì)胞壁代謝、逆境脅迫響應(yīng)以及激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑密切相關(guān)；同時(shí)也說(shuō)明了結(jié)合混合分群分析法與基因芯片技術(shù)在發(fā)掘調(diào)控林木復(fù)雜性狀相關(guān)基因的重要功效。3、層次聚類分析將515個(gè)差異表達(dá)的基因分成了5個(gè)群,其中Cluster 3中所涉及的基因都與生物大分子代謝有關(guān),包括多糖代謝過(guò)程(GO：0005976)與碳水化合物代謝過(guò)程(GO：0005975),且所含基因其生物學(xué)功能主要與植物細(xì)胞壁的修飾、合成及降解有關(guān),揭示了Cluster 3中細(xì)胞壁代謝相關(guān)基因的表達(dá)可能受相同因素影響,存在基因的共調(diào)控。后續(xù)分析顯示,此共調(diào)控因素可能是這些基因5□UTR區(qū)域有光響應(yīng)順勢(shì)作用調(diào)控元件的分布。通過(guò)KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)分析了Cluster 3中89個(gè)差異表達(dá)基因,結(jié)果顯示其所編碼的蛋白質(zhì)參與的30個(gè)化學(xué)反應(yīng)來(lái)自于產(chǎn)生光合產(chǎn)物的代謝過(guò)程,如碳水化合物代謝(Carbohydrate metabolism)、脂類代謝(Lipid metabolism)、氨基酸代謝(Amino acid metabolism)、其他氨基酸的代謝(Metabolism of other amino acids)、多酮類化合物和萜類化合物代謝(Metabolism of terpenoids and polyketides)等過(guò)程。而在碳水化合物代謝通路中,共有8個(gè)基因被定位在淀粉和蔗糖代謝(00500, Starch and sucrose metabolism)通路以及氨基糖和核苷酸糖代謝(00520, Amino sugar and nucleotide sugar metabolism)通路中,說(shuō)明這些基因可能是光合效率與細(xì)胞壁相關(guān)過(guò)程中的關(guān)鍵基因。4、為進(jìn)一步探究光合效率與細(xì)胞壁相關(guān)過(guò)程中的關(guān)鍵基因,本論文以Cluster 3中差異表達(dá)基因?yàn)楹蜻x基因,在毛白楊種質(zhì)資源庫(kù)中對(duì)36個(gè)候選基因內(nèi)3,394個(gè)SNP位點(diǎn)利用混合線性模型進(jìn)行了單標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果顯示來(lái)自于12個(gè)候選基因的13個(gè)位點(diǎn)與11個(gè)表型性狀(4個(gè)光合性狀、3個(gè)生長(zhǎng)性狀以及4個(gè)木材品質(zhì)性狀)顯著連鎖,構(gòu)成了13個(gè)關(guān)聯(lián)(P0.05,FDR0.10),每一SNP標(biāo)記位點(diǎn)可解釋表型變異的2.5%-36.2%。應(yīng)用MDR軟件對(duì)全部SNP位點(diǎn)進(jìn)行上位性分析,共檢測(cè)到來(lái)自44個(gè)SNP位點(diǎn)所組成的85個(gè)SNP-SNP存在上位效應(yīng),其效應(yīng)值范圍是0.0001-0.0479。其中,Pn、Trmmol、微纖絲角度以及地徑5個(gè)表型性狀中所檢測(cè)到的SNP-SNP信息獲取值(Information gain)均為負(fù)值,說(shuō)明此SNP-SNP對(duì)于上述5個(gè)表型性狀存在信息冗余的現(xiàn)象,研究結(jié)果可為林木多性狀聯(lián)合選擇提供理論指導(dǎo)。5、基于上述對(duì)核基因組光合作用調(diào)控基因復(fù)雜遺傳機(jī)制的認(rèn)識(shí),本論文利用混合線性模型對(duì)93個(gè)己知的光合作用通路(光系統(tǒng)Ⅰ、光系統(tǒng)Ⅱ、暗反應(yīng)以及蔗糖代謝通路)上的基因內(nèi)4,603個(gè)SNP位點(diǎn)(最小等位頻率≥5%)與生長(zhǎng)、木材品質(zhì)及光合性狀進(jìn)行了單標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析,最終確定了來(lái)自42個(gè)基因內(nèi)的90個(gè)SNP位點(diǎn)與10個(gè)表型性狀(Pn、Cond、Ci、Trmmol、木質(zhì)素含量、綜纖維素含量、α-纖維素含量、微纖絲角度、地徑和材積)顯著連鎖(P0.05, FDR0.10),構(gòu)成92個(gè)關(guān)聯(lián),每一標(biāo)記位點(diǎn)可解釋表型變異的0.4%-37.0%。所獲得的SNP分子標(biāo)記可用于后續(xù)的分子標(biāo)記輔助育種。利用可同時(shí)解析數(shù)量性狀加性、顯性與上位性效應(yīng)的epiSNP模型,本論文對(duì)光合通路上的基因進(jìn)行了進(jìn)一步的遺傳效應(yīng)解析。epiSNP模型揭示了697個(gè)表型-基因型顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)(P0.05)。其中,所有表型性狀中均檢測(cè)到了加性效應(yīng)的表型-SNP(來(lái)自57個(gè)基因的305個(gè)SNP位點(diǎn),構(gòu)成了459個(gè)表型-SNP),效應(yīng)值范圍是-13.6%-16.8%；在10個(gè)表型性狀(除Pn外)中共檢測(cè)到了238個(gè)顯性效應(yīng)的表型-SNP(來(lái)自52個(gè)基因的196個(gè)SNP位點(diǎn)),其顯性效應(yīng)值范圍是-18.0%-18.6%。并首次對(duì)光合作用通路上相關(guān)基因的SNP-SNP進(jìn)行上位性分析,結(jié)果顯示464個(gè)SNP-SNP位點(diǎn)間存在顯著的互作關(guān)系(P0.05)。這些SNP-SNP互作來(lái)源于41個(gè)基因內(nèi)的92個(gè)SNP位點(diǎn),與全部11個(gè)表型性狀都存在顯著關(guān)聯(lián)(P0.05)。上述結(jié)果有助于選擇性組合SNP位點(diǎn)從而為林木光合效率分子輔助育種提供理論指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S792.11

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本文編號(hào)：2764728