【摘要】：光合作用是自然界最重要的生物化學反應之一,是生物體生命活動的生理與物質基礎。因此,解析光合作用形成的分子遺傳學基礎一直是該領域科學研究的熱點問題。而隨著生物技術的發(fā)展以及對光合作用遺傳調控機制認識的逐步加深,近年來對于光合作用的研究重點開始向植物核基因組與葉綠體基因組、核基因組與其它細胞器互作調控機制等方面轉移；但在多年生林木中,對于光合作用形成的基因與等位變異遺傳調控的研究則少見報道。為此,本論文以我國北方地區(qū)重要用材與綠化樹種毛白楊(Populus tomentosa Carr.)群體為實驗材料,組合利用混合分群分析法(Bulked Segregant Analysis, BSA)-全基因組表達譜基因芯片技術與關聯(lián)遺傳學方法對毛白楊核基因組光合作用相關基因進行了發(fā)現(xiàn)與等位變異解析。研究工作為闡明林木光合作用調控機制、優(yōu)化楊樹光合效率奠定了重要的理論基礎。主要研究結果如下：1、以1,200株毛白楊F1代雜交群體為實驗材料,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體構建基因池,并結合Affmetrix楊樹全基因組表達譜基因芯片雜交技術,快速檢測到了楊樹核基因組光合作用相關基因。通過比較極高/低Pn值群體基因池的表達譜,共檢測出具有顯著差異的基因515個(FC≥2或FC≤0.5,P□0.05)。其中,在高Pn值基因池中上調表達的基因162個,下調表達的基因353個。對差異表達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的基因包括很多類型,主要有：(1)核基因組與細胞器(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/異構酶等)；(2)植物細胞壁的修飾、合成及降解(纖維素合酶、木葡聚糖內(nèi)切轉移酶、擴展蛋白等)；(3)物質運輸過程(MFS基因家族、ABC基因家族、生長素轉運蛋白、鉀離子通道蛋白等)；(4)植物應激反應(幾丁質酶、過氧化物酶、WRKY轉錄因子等)；(5)植物代謝過程(ADP-核糖焦磷酸酶、NADH/甫酶/質體醌等)。2、基于楊樹表達譜基因芯片結果,本論文以參與植物細胞壁代謝、逆境脅迫響應及激素信號轉導等差異表達的6個基因(XET、Dabb、GASA、SAUR、CGS以及PI)作為候選基因進行SNP位點的連鎖分析。在毛白楊Fl代雜交群體中通過單因素方差分析,確定了來自于5個候選基因(XET、Dabb、GASA、SAUR、CGS)內(nèi)的9個SNP位點與4個光合性狀顯著連鎖,構成了19個關聯(lián)(P□0.05,FDR0.10),每一標記位點可解釋表型變異的2.3%-12.6%。檢測到的SNP位點可作為影響光合效率的核基因組分子標記用于后續(xù)的林木分子標記輔助育種。本文結果不但揭示了核基因組對光合作用的調控與植物細胞壁代謝、逆境脅迫響應以及激素信號轉導等途徑密切相關；同時也說明了結合混合分群分析法與基因芯片技術在發(fā)掘調控林木復雜性狀相關基因的重要功效。3、層次聚類分析將515個差異表達的基因分成了5個群,其中Cluster 3中所涉及的基因都與生物大分子代謝有關,包括多糖代謝過程(GO：0005976)與碳水化合物代謝過程(GO：0005975),且所含基因其生物學功能主要與植物細胞壁的修飾、合成及降解有關,揭示了Cluster 3中細胞壁代謝相關基因的表達可能受相同因素影響,存在基因的共調控。后續(xù)分析顯示,此共調控因素可能是這些基因5□UTR區(qū)域有光響應順勢作用調控元件的分布。通過KEGG數(shù)據(jù)庫分析了Cluster 3中89個差異表達基因,結果顯示其所編碼的蛋白質參與的30個化學反應來自于產(chǎn)生光合產(chǎn)物的代謝過程,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)等過程。而在碳水化合物代謝通路中,共有8個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,說明這些基因可能是光合效率與細胞壁相關過程中的關鍵基因。4、為進一步探究光合效率與細胞壁相關過程中的關鍵基因,本論文以Cluster 3中差異表達基因為候選基因,在毛白楊種質資源庫中對36個候選基因內(nèi)3,394個SNP位點利用混合線性模型進行了單標記關聯(lián)分析。結果顯示來自于12個候選基因的13個位點與11個表型性狀(4個光合性狀、3個生長性狀以及4個木材品質性狀)顯著連鎖,構成了13個關聯(lián)(P0.05,FDR0.10),每一SNP標記位點可解釋表型變異的2.5%-36.2%。應用MDR軟件對全部SNP位點進行上位性分析,共檢測到來自44個SNP位點所組成的85個SNP-SNP存在上位效應,其效應值范圍是0.0001-0.0479。其中,Pn、Trmmol、微纖絲角度以及地徑5個表型性狀中所檢測到的SNP-SNP信息獲取值(Information gain)均為負值,說明此SNP-SNP對于上述5個表型性狀存在信息冗余的現(xiàn)象,研究結果可為林木多性狀聯(lián)合選擇提供理論指導。5、基于上述對核基因組光合作用調控基因復雜遺傳機制的認識,本論文利用混合線性模型對93個己知的光合作用通路(光系統(tǒng)Ⅰ、光系統(tǒng)Ⅱ、暗反應以及蔗糖代謝通路)上的基因內(nèi)4,603個SNP位點(最小等位頻率≥5%)與生長、木材品質及光合性狀進行了單標記關聯(lián)分析,最終確定了來自42個基因內(nèi)的90個SNP位點與10個表型性狀(Pn、Cond、Ci、Trmmol、木質素含量、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),構成92個關聯(lián),每一標記位點可解釋表型變異的0.4%-37.0%。所獲得的SNP分子標記可用于后續(xù)的分子標記輔助育種。利用可同時解析數(shù)量性狀加性、顯性與上位性效應的epiSNP模型,本論文對光合通路上的基因進行了進一步的遺傳效應解析。epiSNP模型揭示了697個表型-基因型顯著關聯(lián)的位點(P0.05)。其中,所有表型性狀中均檢測到了加性效應的表型-SNP(來自57個基因的305個SNP位點,構成了459個表型-SNP),效應值范圍是-13.6%-16.8%；在10個表型性狀(除Pn外)中共檢測到了238個顯性效應的表型-SNP(來自52個基因的196個SNP位點),其顯性效應值范圍是-18.0%-18.6%。并首次對光合作用通路上相關基因的SNP-SNP進行上位性分析,結果顯示464個SNP-SNP位點間存在顯著的互作關系(P0.05)。這些SNP-SNP互作來源于41個基因內(nèi)的92個SNP位點,與全部11個表型性狀都存在顯著關聯(lián)(P0.05)。上述結果有助于選擇性組合SNP位點從而為林木光合效率分子輔助育種提供理論指導。
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S792.11

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2 周露;化文平;王U喼

本文編號：2764728