【摘要】：胡楊(Populus euphratica)和灰楊(P.pruinosa)是一對近期分化的姊妹物種,對鹽脅迫有著極強的耐受能力;但灰楊對鹽脅迫的耐受能力更強。兩個物種均分布在干旱鹽堿的荒漠地區(qū),是我國西北荒漠重要的造林物種,對西北沙漠與荒漠生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的維持起著關鍵作用。我們利用第二代測序轉錄組研究手段對胡楊和灰楊的鹽脅迫下的基因表達變化式樣進行了深入研究。1.胡楊與灰楊與其他非耐鹽楊樹對鹽脅迫響應的差異與胡楊和灰楊相反,毛果楊和毛白楊是兩個鹽敏感的楊樹。為了鑒定這些楊樹對鹽脅迫的不同響應基因,我們比較了四種楊樹愈傷組織在持續(xù)鹽脅迫下轉錄水平的差異表達狀況。四種楊樹鑒定的直系同源基因有7822條,在其中找到了702條差異表達基因。通過層級聚類得到的基因共表達模式顯示,這鹽敏感楊樹和兩種耐鹽楊樹在鹽脅迫下的基因表達有顯著的差別。在鹽敏感楊樹物種,我們找到了6個基因對鹽脅迫有一致性響應,包括6磷酸葡萄糖酸內酯酶(6-phosphogluconolactonase 4),棉子糖合成酶(raffinose synthase),熱激蛋白20(hsp20),WRKY,過氧化物酶15(peroxidase 15),脂肪酸去飽和酶(fatty acid desaturase),這些基因與植物廣譜的抗逆以及能量代謝相關。在兩個耐鹽楊樹中我們找到了5個基因在鹽脅迫中保持一致的響應,包括氧化還原酶(oxidoreductase activity),過氧化物酶(peroxidase),NADH,細胞色素p450(cytochrome P450)和GDSL脂肪酶(lipase GDSL);已有研究表明這些基因與植物耐鹽高度相關。2.胡楊和灰楊鹽脅迫下萌發(fā)種子的比較轉錄組比較胡楊和灰楊都具有耐鹽能力,但是在耐鹽能力上灰楊要略勝一籌。我們利用比較轉錄組學來研究不同鹽濃度處理下兩個物種萌發(fā)種子的表達譜,來探究他們耐鹽的異同。我們發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的升高,兩個物種細胞內核糖體以及能量代謝相關基因的表達量均受到了顯著的抑制,包括14個核糖體相關基因(圖3.10)、糖酵解反應中非常關鍵的果糖1-6二磷酸脫氫酶(MSTRG.17398.2)和一個參與到光呼吸中的氨基轉移酶(CCG021502.1)。兩個物種同時響應鹽脅迫高表達與二者耐鹽脅迫相關的共有基因包括海藻糖磷酸化酶(TRP,MSTRG.15348.2)、去泛素化特異性蛋白酶(UBP9,MSTRG.23479.3)以及GDSL脂肪酶(GLIP1,CCG030033.1)�；覘畋群鷹罡幽望}的主要原因可能是該物種在高濃度脅迫下能夠維持更多抗逆相關基因轉錄本的表達,如SCARECROW-like 8基因(CCG030097.1)、維生素B6合成酶(PDX1,CCG023950.1)、幾丁質誘導子受體激酶(CERK1,MSTRG.17436.3)、過氧化氫酶2(CATALASE 2,MSTRG.2944.19)以及乙酰乳酸合成催化酶(CSR1,CCG012489.1);特別是灰楊關閉了兩個耐鹽有害基因的轉錄,一個是蛋氨酸裂解酶(MGL,MSTRG.26043.4),該基因的高表達使擬南芥對氧化脅迫更加敏感;另外一個是一個NUDX家族的水解酶,擬南芥中敲除該基因會使擬南芥的NADPH循環(huán)效率增高、耐鹽性增加。關閉這兩個基因有可能是灰楊更加耐鹽的關鍵原因之一,當然這還需要進一步的實驗支持。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S792.11;Q943.2
【圖文】：

圖 2.1 胡楊、灰楊、毛果楊和毛白楊的轉錄組中基因表達量分布結果Figure 2.1 The RPKM distribution in each time point for four Populus.物種聚在一起，這也就說明這兩個鹽耐受物種和兩個鹽敏感物種的基因表達模式具有顯著的差異。這說明胡楊和灰楊這兩個鹽耐受物種與毛果楊和毛白楊這兩個鹽敏感物種，可能在各自的祖先分枝上就存在不同的基因表達適應性進化。另外，我們還發(fā)現(xiàn)胡楊和灰楊的兩個 0h 樣本聚在了一起，而這兩個物種的鹽脅迫樣品卻分開了；這說明在適應不同的鹽生境時，這胡楊和灰楊這對近緣種存在不同的調節(jié)式樣，在代謝通路中存在適應性分化。這些結果也與之前的研究結果相一致[25, 27, 28]表 2.2 四個物種的蛋白編碼基因和直系同源基因數(shù)量Table 2.2 Summary of gene number and orthologous pairsFeature ValueNumber of predicted genes (CDS)

15圖 2.2 胡楊、灰楊、毛果楊和毛白楊的 7752 個直系同源基因的 RPKM 層級聚類分析。Figure 2.2 Hierarchical clustering of all samples by spearman correlations based on RPKM of7,752 orthologous genes.接下來，我們利用軟件 edgeR 對每個物種的時間序列鑒定差異表達基因。我們選擇的差異表達基因需要滿足以下三個條件:（1）Rpkm 值在所有樣本的分布中標準差大于 1（2）log2 (FPKMtime1/FPKMtime2) was > 1 或者 < -1，（3）顯著性檢驗的 p 值（FDR）＜0.05。最終在胡楊、灰楊、毛果楊和毛白楊中分別共鑒定了 1461，1906，1776，2400 個上調或下調的差異表達基因（圖 2.3a，2.3b）。為了進一步對四個物種進行比較轉錄組學分析，我們將所有的差異表達基因和 7822 個 1:1 的直系同源基因集取交集，共得到 1335 個差異表達的直系同源基因，然后我們篩選在任何物種中都要滿足 RPKM 值至少在一個時間點上＞0 的差異表達基因，最后共有 702 個差異表達的直系同源基因用于后續(xù)的分

圖 2.3 胡楊、灰楊、毛果楊和毛白楊兩個時間點的差異表達基因數(shù)量。黃色為上調，藍色為下調(倍數(shù)變化> 2 或< 0.5, FDR < 0.05)。(a) 兩個耐鹽物種差異表達基因（胡楊（下半部分）和灰楊（上半部分）.(b) 兩個鹽敏感物種差異表達基因（毛果楊（下半部分）和毛白楊（上半部分）。(c)兩個時間點兩兩物種直系同源基因差異表達基因餅圖。Figure 2.3 Number of differentially expressed genes showing up- (orange) or down- (blue)regulationbetween two time points (foldchange>2 or< 0.5, FDR < 0.05). (a)Thenumber of DEGsin the two salt-tolerant species (P. euphratica (Lower half) and P. pruinosa (Upper half)). (b) Thenumber of DEGs in the two salt-sensitive species (P. trichocarpa (Lower half) and P. tomentosa(Upper half)). (c) Venn diagram of differentially expressed orthologous genes in the four species atany pair of time points.析研究（圖 2.3c）；其中有 109 個是兩個鹽耐受物種特有的，287 個和 159 個基因分別只在灰楊和胡楊中特異性表達；73 個是兩個鹽敏感物種共有的、不同于鹽耐受物種的差異表達基因，另有 378 個和 46 個基因分別只在毛白楊和毛果楊中特異性表達（圖 2.3c）。

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本文編號：2800090