基于WGCNA和全基因组重测序对谷子晋谷21和G1品种的抗病差异分析

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谷子白发病是由禾生指梗霉引起的一种卵菌病害,在谷子整个生育阶段均有发生,且会表现出不同的发病症状,严重时可以极大地降低谷子产量和品质。目前国内外对谷子白发病的机制研究较少。因此,本研究拟通过WGCNA对晋谷21(高感白发病)和G1(高抗白发病)两个品种苗期的转录组数据及对两品种重测序数据的分析和比较,从两方面阐明晋谷21和G1品种的抗病差异,以及初步阐释谷子抗感白发病菌的分子机制。主要研究内容如下:(1)通过对谷子LRR-RLK的家族基因分析,包括:谷子LRR-RLK类基因的鉴定及基因定位、基因的结构、基因的保守基序及保守结构域、系统进化及基因组间共线性分析。谷子LRR-RLK类家族基因共250个,大多数的LRR-RLK类家族基因主要分布在第8号染色体上;且结构域有10段保守序列,并且该家族系统进化树被分为3类;通过基因结构分析表明,Motif1和Motif3在较其他Motif是最为保守的;有许多个个LRR-RLK家族基因与狗尾草存在共线性。(2)通过对接种白发病菌的抗感谷子品种(晋谷21和G1)的苗期36份转录组数据的差异表达基因和得到的LRR-RLK家族抗病基因进行WGCNA分析,确定差异基因最多的模块,晋谷21和G1的幼苗在受谷子白发病菌的侵染后,共有17077个差异表达基因,这些基因可划分为44个模块,随后选取其中的3个与抗病相关的模块进行网络可视化分析,利用Tbtools软件对特异模块中的基因进行GO富集分析,这些模块基因分别富集到蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶的调控,激素介导的调节及细胞程序性死亡等相关通路,最后挖掘出了12个hub基因Seita.9G071200、Seita.9G456400、Seita.7G183700、Seita.8G148400、Seita.9G307500、Seita.9G115300、Seita.9G090900、Seita.9G101200、Seita.2G372300、Seita.9G485400、Seita.6G000400、Seita.5G323800,预测出8个候选基因Seita.9G307500、Seita.9G456400、Seita.9G163300、Seita.9G203800、Seita.9G386400、Seita.9G273500、Seita.9G525900、Seita.9G101200,在谷子抗病过程中,这些基因有可能发挥非常重要的作用。(3)基于高感品种晋谷21和高抗品种G1的重测序数据,以Setaria_italica_v2.2为参考基因组,从重测序数据分析方面进一步分析两品种差异,如:数据评估、与参考基因组比对、变异检测等。本研究通过生物信息学方法探索晋谷21和G1两个谷子品种在纯合突变、杂合突变、非同义突变、SV结构变异中插入、缺失以及外显子区变异、移码突变,以及在GO富集分析中的催化活性、细胞部分、细胞外区域、细胞过程、免疫系统的过程、对刺激的反应、代谢过程和核酸结合的转录因子活性等条目中有很大的差异,这些差异很有可能就是导致两品种抗感机制不同的原因。综上所述,通过对250个LRR-RLK家族基因进行生物信息学分析,为进一步对谷子抗病基因的研究、鉴定和功能验证提供了理论基础。通过WGCNA分析,我们挖掘到谷子抗病相关的候选基因,为深入研究谷子的抗病性机制提供了重要的理论依据。通过重测序分析,发现G1品种的各变异位点、非同义突变及变异基因等均多于晋谷21品种,尤其是非同义突变、In Del杂合突变等在G1品种中的数量远大于晋谷21,其研究结果为进一步探究晋谷21和G1品种的抗感差异及晋谷21抗病改良提供一定的理论借鉴。
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