毛白杨木材形成相关基因内插入缺失的发生及遗传效应解析
发布时间：2020-04-05 16:12
【摘要】：森林作为陆地生态系统不可或缺的组成部分,在人类生产与生活中扮演了极其重要的经济和生态角色。近年来,随着人口剧增及社会经济的迅速发展,我国对木材的需求量逐年攀升。目前,年进口木材2.5亿立方米,对进口木材的依赖程度高达50%。因此,加速选育优良用材种质,同时提高木材的产量和质量是缓解我国目前木材短缺形势的关键。然而众多科学研究表明,林木的生长及木材品质性状是由多基因与环境互作所共同调控的复杂数量性状,具有极其复杂的遗传调控机制。因此寻找林木中与木材形成相关的基因,阐明影响木材性状遗传的分子机制,确定控制木材性状变异的等位位点,是改良林木木材品质、建立基因辅助选择育种体系并最终实现我国森林资源可持续经营的重要基础。为此,本研究以我国北方重要用材树种毛白杨(Populus tomentosa Carr.)为材料,结合高通量转录组测序技术、群体基因组重测序技术及生物信息学分析手段,系统地鉴定了杨树木材形成相关候选基因,并进一步对其内的插入缺失(InDels)位点进行等位变异解析、多样性评价及连锁不平衡检测工作;在此基础上,利用关联作图策略在435株毛白杨种质资源群体内开展InDels变异位点与树木生长及木材品质性状的关联分析,并对其加性、显性与上位性效应进行联合遗传解析。本研究的主要研究内容和结果如下:1.对毛白杨主干形成层、未成熟木质部和成熟木质部组织进行转录组测序及生物信息学分析,获得了 697个在毛白杨维管组织中差异表达的基因(FC≤0.5或≥2,P1.0e-03,FDRq0.10),作为木材形成相关的候选基因。随机选取11个候选基因,对其在茎尖、未成熟叶片、成熟叶片、形成层、未成熟木质部、成熟木质部、韧皮部与根等8个组织中的表达模式进行组织特异性Realtime-PCR检测,结果证实这些候选基因在形成层组织、未成熟木质部组织和成熟木质部组织中具有较高丰度表达,表明这些基因很可能参与了杨树的木材形成过程。2.通过比对毛白杨维管组织中697个差异表达基因的序列,本研究在435株毛白杨种质资源群体的基因组重测序数据中共检测到679个差异表达的候选基因,可覆盖基因组中2,565.583碱基核苷酸序列并广布于19条染色体上。基因本体论(Gene Ontology,GO)分析显示,这些基因显著富集于葡萄糖代谢、多糖生物合成、UDP-葡萄糖转移酶活性及转录因子相关的77个基因功能条目;进一步对其进行基因功能注释表明,多个差异表达基因来自控制木材化学成分(如纤维素、半纤维素、木质素等)合成的关键基因或基因家族,如纤维素合酶基因家族(CesA)、蔗糖合酶基因(SuSy)、咖啡酰辅酶A甲基转移酶基因(CCoA OMT)、苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)、生长素(Aux/IAA)及生长素响应因子(ARF)等。对候选基因启动子区的作用元件进行富集分析,鉴定到多个可与bHLH和bZIP等转录因子相结合的启动子作用元件。结果表明679个候选基因参与了木材纤维素与木质素的生物合成过程,并可能受到相关转录因子的调控。3.结合435株毛白杨种质资源群体基因组重测序数据,本研究在679个差异表达候选基因内共检测到5,482个InDels变异位点,其中插入位点2,495个,缺失位点2,987个,总体发生频率为2.14个/Kb。特征分析显示,InDels变异位点多发生于基因的非编码区域,包括启动子区(21.9%)、内含子区(36.8%)、5'非编码区(7.7%)、3'非编码区(29.4%);而基因编码区仅含有4.3%的InDels变异位点,其中71%的变异位点呈现3或以3的倍数为基元的插入或缺失,推测认为编码区中InDels变异位点受到强烈的纯化选择作用。进一步对5,482个InDels变异位点进行变异类型统计,显示有5,260个双等位InDels位点和222个复杂多等位InDels位点。4.对毛白杨种质资源群体及三个气候区群体分别进行InDels多样性评价。结果显示,InDels变异位点在种质资源群体内具有较高的多样性水平(πT=0.05434 and θw=0.09078),其中外显子区域多样性水平最低,启动子区域多样性水平最高。对毛白杨三个气候区InDels多样性检测发现,三个气候区域虽然具有一定程度的变异,但其多样性参数π与θw的变异模式具有高度的相似性。同时Tajima's D中性检测均表现负值,表明毛白杨种质资源群体内存在过剩的低频InDels并受到强烈的纯化选择。对毛白杨种质资源群体开展连锁不平衡水平检测,结果表明其连锁不平衡水平较低,并在候选基因内部已衰退至不明显,进一步表明在林木群体内开展基于候选基因的InDels关联作图是可行的。5.利用TASSEL软件中的混合线性模型(MLM)对候选基因的InDels位点与10个木材生长及品质性状进行单标记关联分析,共检测到81个基因内的89个InDels位点与10个表型性状形成119个显著关联(FDR q0.10),每一InDel位点可以解释表型变异率对10.4%-24.7%。在此基础上,对单标记模型下显著关联的InDel位点进行加性和显性效应解析,结果显示来自68个基因中74个InDels位点表现出加性或显性效应。利用EPISNP软件对InDels位点间的上位性效应进行检测,共获得来自于290个候选基因中的517个InDels位点与所有10个生长与木材品质性状形成了 1,004个显著的InDel-InDel上位性关联组合(P1e-04)。进一步分析发现仅有58(11.3%)个InDels位点在加性和显性模型下具有功能效应,表明InDels位点的单标记主效应对InDel-InDel位点间的上位性效应没有直接的影响。此外,对基因间的上位性遗传网络进行深入剖析发现,PtoCCoAOMT6基因和Pto4CL7基因以及PtoCCoAOMT4基因和Pto4CL9间具有显著的上位性效应,并对植株的木质素含量具有显著影响。本研究将为毛白杨木质纤维品质基因辅助育种体系的改良及其工业用材林的培育奠定良好的理论与技术支持,并在树木基因内InDels的连锁不平衡作图方面填补国内外空白,具有重要的科学与应用价值。
【图文】：
的功能ＩｎＤｅｌｓ标记位点，并可能为最终阐明林木木材品质表型控机制奠定理论基础。逡逑此，本研宄以我国北方重要用材树种毛白杨为研宄料，首先结合高通量转录组测序技术和生物信息学分析方范围内发现与杨树木材形成相关的候选基因，并对其进行功能注释析。其次，借助毛白杨种质资源群体的基因组重测序数据进一步对ＩｎＤｅｌｓ变异位点开展等位变异解析、多样性评价及连锁不平衡检上，利用关联作图策略在４３５株毛白杨种质资源群体内开展基于Ｄｅｌｓ变异位点与树木生长及木材品质性状的关联分析研究，并对上位性效应进行联合遗传解析，发现与木材生长及品质性状显著立点，并对每个ＩｎＤｅｌ标记的遗传效应进行深入T叄桑饰觥８醚芯拷峁糯骺鼗频难芯亢兔籽钅局氏宋分驶蚋ㄖ痔逑档挠貌牧值呐嘤於ɡ砺塾爰际趸。⑻畈乖谑髂净蚰诳梗桑詈庾魍挤矫娴目瞻住ｅ义咸宓氖笛榧际趼废呷缤迹保彼荆哄义希谘钕蛉蝗哄义，
本文编号：2615229
【图文】：
的功能ＩｎＤｅｌｓ标记位点，并可能为最终阐明林木木材品质表型控机制奠定理论基础。逡逑此，本研宄以我国北方重要用材树种毛白杨为研宄料，首先结合高通量转录组测序技术和生物信息学分析方范围内发现与杨树木材形成相关的候选基因，并对其进行功能注释析。其次，借助毛白杨种质资源群体的基因组重测序数据进一步对ＩｎＤｅｌｓ变异位点开展等位变异解析、多样性评价及连锁不平衡检上，利用关联作图策略在４３５株毛白杨种质资源群体内开展基于Ｄｅｌｓ变异位点与树木生长及木材品质性状的关联分析研究，并对上位性效应进行联合遗传解析，发现与木材生长及品质性状显著立点，并对每个ＩｎＤｅｌ标记的遗传效应进行深入T叄桑饰觥８醚芯拷峁糯骺鼗频难芯亢兔籽钅局氏宋分驶蚋ㄖ痔逑档挠貌牧值呐嘤於ɡ砺塾爰际趸。⑻畈乖谑髂净蚰诳梗桑詈庾魍挤矫娴目瞻住ｅ义咸宓氖笛榧际趼废呷缤迹保彼荆哄义希谘钕蛉蝗哄义，
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