不同生长速率欧美杨形成层基因表达分析及杨树BELL基因功能研究

发布时间：2020-10-31 22:25

　　 黑杨因其优良速生性成为重要的经济林业品种,其中在我国引种选育出来的优良欧美杨,是北方地区主要的用材树种。木材的形成来源于树木的径向生长,主要是由于木本植物茎维管束形成层向内外不断分裂和分化导致的,该过程包括了一系列复杂且重要的生理过程。深入了解这些信息将有利于研究树木径向生长的调控机制以及合理充分地获得木材生物量的最大化积累。为了阐明树木径向生长的分子机理与调控机制,本研究选取了两种具有显著径向生长差异的欧美杨基因型107(Populus ×euramericana cv.'Neva')和 I-214(Populus × euramericana cv.'I-214')进行生长生理比较,然后再利用高通量测序技术分析两种杨树的形成层转录组表达谱,并构建基因共表达网络模型,挖掘并分析与杨树径向生长活动特性相关的特征模块。同时还克隆了特性相关的重要基因,并通过基因过表达和CRISPR/Cas9基因敲除技术对基因功能进行分析。主要的研究结果如下所示:(1)利用植物生长测量仪dendrometer对一个生长季(六月至九月)中两种杨树的径向生长进行连续实时测量。结果显示两种杨树都呈现出相似的S型生长曲线,并且速生杨107相较于对照杨1-214表现出更快的径向生长趋势。同时107杨较高的光合能力还能够积累更多有机物用于植物的生长。在速生前期(六月初),107杨显示出较高的蒸腾速率,同时也表现出较大的茎最大日收缩量。而在速生期(八月初)和速生后期(九月末),1-214杨则展现出更高的蒸腾速率和茎收缩量。在整个生长过程中,1-214杨都呈现出较高的茎段相对含水量。这表明在相同的生长时期107杨获得了更大的干物质量积累。(2)通过Illumina测序平台对杨树107和1-214形成层转录组测序分析,分别获得了 286612666和297145856条长度为100 bp的读长序列。将这些测序数据拼接后进行基因功能注释发现,表达基因主要分布在RNA转录、蛋白翻译后修饰、信号传导、碳水化合物运输和代谢以及胞内分泌和膜泡运输等生理过程中。这些过程都与细胞循环、生长以及细胞壁发育过程紧密相关。差异表达分析显示差异基因主要聚集在肌醇合成、防御响应,以及包括淀粉酶活性、葡聚糖代谢和木糖葡聚糖基转移酶活性等碳水化合物代谢中。这些结果表明从总体上看两种杨树的生长差异主要存在于碳水化合物的相关代谢过程。(3)本研究选取了速生前期、速生期和速生后期三个时间点的两种杨树形成层材料进行转录组表达谱分析。将处理后的测序数据比对到杨树参考基因组上,共检测到34937个表达基因。通过比较不同生长时期间的差异表达基因,发现在不同生长阶段转变的过程中,两种杨树都表现出相似的基因功能模式和生物过程变化。在速生前期到速生期的转变过程中,上调差异表达基因主要富集在细胞循环相关的生物过程中,而在速生期到速生后期的转变过程中,则主要聚集在代谢和刺激响应过程中,而细胞成分合成过程中大量基因则下调表达。同时还在三个生长时期中两种杨树间分别筛选到了 1542,2295和2110个差异表达基因。在速生前期,速生杨107中的上调差异基因主要集中在植物细胞壁相关过程中,而对照杨1-214,则主要聚集在胁迫和防御响应过程中。进入速生期,107杨差异基因主要聚集在细胞交流和信号传导过程中,而1-214杨则在应激和防御响应,以及细胞壁合成过程中表现出基因上调表达。到了速生后期,107杨更多基因集中于日昼节律的调控,而1-214杨基因则集中于光响应相关过程。同时利用 WGCNA(Weighted Gene Coexpression Network Analysis)程序进行的基因共表达网络分析还展现了一个整体的基因表达变化过程。本研究共鉴定出18个共表达网络模块。根据不同模块中基因在不同生长时期的两种杨树中的表达模式差异及GO功能注释,发现blue模块的基因大量参与细胞周期和分裂等相关过程,且两种杨树的基因表达水平与其径向生长速率的变化相一致。这表明该部分基因的表达与生长速率的变化有着显著相关性,而且在两种杨树的生长过程中都相对保守。在与细胞壁发育合成相关的tan模块分析中,发现该模块基因在速生前期的两种杨树中有显著表达差异,主要富集在细胞壁发育,以及木质素和多糖的合成代谢过程中。而对于与基因型相关的red模块的分析则筛选出一些在两种杨树间显著性差异表达的基因。(4)在杨树基因组中共鉴定出35个杨树TALE转录因子家族基因,其中包括20个BELL基因和15个KNOX基因。基因染色体定位和基因复制的分析表明,杨树进化过程中的全基因组复制过程导致了杨树TALE基因家族成员的扩增。同时杨树和拟南芥TALE基因家族的系统发育关系分析显示在BELL和KNOX两个亚家族分离后,还各自分别产生了两个分支。结合杨树基因表达数据的分析预示了不同分支可能在杨树茎组织生长发育过程中存在着不同作用。(5)根据之前的分析,本研究还首次从速生杨107中克隆了一个BELL转录因子基因PdnBELL15。该基因在整个生长季的107杨中都显著上调,且在杨树茎中显示出组织特异性表达。过表达杨树茎的横向切片结果显示,该基因能够促进韧皮纤维和木质部细胞的提早木质化,加快次生维管组织结构的形成。同时还利用CRISPR/Cas9系统对杨树BELL15基因上两个靶位点的碱基序列进行了成功地编辑。但是基因敲除杨树并没有表现出明显的生长变化。这表明该基因可能存在着基因功能的冗余现象。本研究从植物生理特性差异比较开始,利用高通量测序技术,分析基因差异表达模式,结合生理特性构建基因共表达网络,挖掘基因表达与生理性状的相关性。揭示了活跃的维管形成层细胞分裂和扩增活动以及更早的次生维管组织建成将促进杨树茎的径向生长。同时还首次克隆了一个杨树BELL转录因子家族基因PdnBELL15,并初步鉴定其参与维管组织生长发育调控过程中的作用。这些工作将为研究木本植物生长生理性状与基因表达的关系以及揭示林木生长发育分子机制提供了实践经验与理论基础。
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S792.11
【部分图文】：

细胞膜和初生细胞壁之间的次生细胞壁成分开始沉积。首先是Ｓ１层的沉积，随之而来??的是Ｓ２层和Ｓ３层的沉积。然而，次生细胞壁并没有包裹住整个细胞表面，而是在纹??孔处有所缺失（图１－１）。在这个位置的纹孔膜允许水分和溶质从一个细胞到另一个??３??

而在夏季活跃（Ｄｅｌｐｉｅｒｒｅｅｔａｌ．，?２０１６）。而在低讳度热带地区，形成层可??能在旱季休眠，而在雨季活跃（Ｂｒｅｉｔｓｐｒｅｃｈｅｒ?ａｎｄ?Ｂｅｔｈｅｌ，?１９９０）。??冬季休眠状态的形成层由少数几层细胞构成（图１－２Ａ）。到了春天，当日照长度??增加且温度升高，形成层母细胞的分裂开始恢复活性（Ｐｒｉｓｌａｎｅｔａｌ．，２０１３）。在生长??季中，活动的形成层主要由大量分裂细胞组成（６至１８层），并呈现出薄的切向细胞??壁（图１－２Ｂ）。在形成层细胞分裂开始后的几天或者几周，新生的木质部细胞出现。??增大的细胞依然只有初生细胞壁，但是呈现出比分裂细胞更宽的径向直径。这些最先??增大的细胞的出现表明了木质部径向生长以及木材形成的开始。在它们出现后的几??周，这些细胞开始增厚，形成次生细胞壁。因为次生细胞含有丰富的生物质，所以首??批细胞壁增厚的细胞被认为是木材固定碳的有效开始。最终，在木质部细胞出现后的??—或两个月，分化中的木质部细胞达到了成熟状态，形成了功能完善的由加厚次生细??胞壁所包围的空腔木质部管状分子（Ｒａｔｈｇｅｂｅｒｅｔａｌ．

２．２．１．径向生长变化??在一年内的杨树生长季中，利用植物生长测量仪记录了两种欧美杨茎从６月初到??９月底的实时连续径向变化情况（图２－１）。从总体的测量结果看，两种杨树表现出??相似的径向生长节律。随着生长时间的推移，气温的升高，径向生长量（Ｓｔｅｍｒａｄｉａｌ??ｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）不断积累。生长速率也逐渐增大，在七八月达到了最大值。当进入九月??份，随着环境温度的下降，生长速率逐渐减慢，直至九月底停滞生长。虽然两种杨树??的整体生长模式相似，但１０７杨在生长季中的径向生长优于１－２１４杨。??＾?５??｜?１０７??７?４??〇?１－２１４??Ｉ?３??Ｅ??１?２??．２??２?１??Ｅ??Ｏ??５５??Ｊｕｎ?１?Ｊｕｎ?１５?Ｊｕｌ?１?Ｊｕｌ?１５?Ａｕｇ?１?Ａｕｇ?１５?Ｓｅｐ?１?Ｓｅｐ?１５??Ａ－ｇ－?？．ｉ?Ｂ＾?４?０－ｇ－?５??￡?Ｅ
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 万雪琴;夏新莉;尹伟伦;慈龙俊;张新时;;北美杂交杨在北京引种的苗期生态适应性[J];四川农业大学学报;2008年01期

2 张绮纹;杨树优良纸浆材和生态防护林新品种欧美杨107号[J];林业科学研究;1999年03期

本文编号：2864590