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基因表达的调控是多水平、多基因、多因素共同有序协调参与的复杂过程,对生物体生长发育、逆境胁迫响应、性状形成等有着重要作用。木材品质性状是多基因共同调控的数量性状,涉及多个复杂的生物学过程,受到一系列调控途径的协同作用。其遗传调控机制非常复杂,而解析木材形成生物学过程的调控机制和遗传变异,不仅有助于理解木材形成的生物学过程,同时对改良木材品质性状具有重要意义。因此,本文以我国优良乡土树种毛白杨(Populus tomentosa Carr.)为研究对象,从转录水平、转录后水平与基因组水平等,采用应力木模型,运用转录组、甲基化、小RNA、降解组和全基因重测序等高通量测序技术对毛白杨应力木转录调控的分子机制进行解析,结合毛白杨种质资源群体进行等位遗传变异发现和解析,旨在揭示毛白杨应力木木材品质性状调控网络及遗传变异。论文主要研究结果与结论如下:1、分别对应拉木(tensionwood,TW)、对应木(oppositewood,OW)与正常木(normal wood,NW)的转录组进行分析,共检测到361、2658和2417个显著差异表达的基因(差异2倍且P≤0.05和FDR≤0.05),表明应力木和正常木基因表达水平存在着显著差异。在差异表达的基因中,有97、40、33、21和43个基因分别编码转录因子、激素相关蛋白、木质素单体生物合成通路酶、类黄酮和纤维素生物合成关键酶。39和50个转录因子基因的表达量分别在TW和OW中上调4倍,表明了转录因子基因参与了应力木形成。在33个显著差异表达的木质素生物合成重要基因中,有28个基因的表达量相比TW,在OW中上调,这与TW中木质素含量较少相一致;纤维素生物合成基因在NW、TW和OW存在着不同的表达模式,表明纤维素生物合成相关基因参与到应力木形成过程,显示了该类基因存在表达和功能的分化。对差异基因进行基因间表达相关性分析显示,有218对显著共表达的基因对,以此为基础构建了 Pt-MYB156等转录因子调控纤维素和木质素生物合成网络,发现了起着重要调控作用的转录因子和调控模式。2、对TW、OW与NW的microRNAs(miRNAs)进行了测序与比较分析,分别发现了 317个已知和35个新的miRNAs。共筛选到217个具有两倍以上显著差异表达的miRNAs,预测到1 196个候选靶基因。候选靶基因功能分析发现其参与了细胞大物质生物合成、基因表达调控等生物学过程。对miRNA和候选靶基因进行表达相关性分析发现72对显著共表达(相关系数绝对值大于0.8且P≤0.05),GO分析结果显示其参与细胞间生物合成和大分子生物合成过程等。其中,通过降解组测序共检测到60个作用位点。结合毛白杨种质资源群体基因组重测序数据,分别在139个miRNA基因(编码miRNA前体及上下游lkbp基因组序列)和819个候选靶基因(靶位点及上下游lkbp基因组序列)中检测到5383和31037个常见单核苷酸多态性位点(single nucleotide polymorphism,SNPs)(频率≥0.05),单标记遗传贡献率最高可达39.74%。单标记关联分析发现共有189对miRNA和其候选靶基因上的SNPs关联上同一个性状。多标记关联分析,共发现102对在miRNA和其候选靶基因上的SNPs表型性状显著关联(P≤1×10-5)。综合共表达、降解组、单标记关联和多标记关联结果,构建了 8个miRNAs调控和9个关键基因相互作用网络,结果表明miR156i、miR156j、miR396a和miR6445b等在木材形成过程中起着重要的作用。3、采用甲基化测序技术对TW和OW的甲基化水平进行分析,发现OW(8.1%)比TW(6.1%)含有更高的甲基化水平。结合转录组测序结果发现,甲基化水平影响到基因表达。对甲基化水平进行统计分析,共发现了 60654个显著差异甲基化位点。在种质资源群体中对这些显著差异甲基化位点及上下游lOObp序列进行重测序共发现5566个常见SNPs。单标记关联分析共发现141个显著关联(P≤0.05且Q≤0.05),单标记遗传贡献率平均为19.11%;多标记关联分析共发现290个显著关联(P≤1 ×10-7)。结果表明TW和OW甲基化水平显著差异,且差异甲基化位点及附近区域的SNPs能够与木材品质性状显著关联。本论文针对林木优良木材树种培育的问题,围绕木材形成的转录调控和遗传变异的科学问题,发现Pt-MYB156等转录因子通过调控木质纤维生物合成基因参与应力木形成调控;检测到在应力木差异表达的miRNAs中,miR156i等参与应力木形成调控,挖掘到与表型显著关联的1614个SNPs位点;发现应拉木甲基化程度显著低于对应木,检测到显著差异甲基化位点及其上下游100bp区域的134个SNPs位点显著关联上表型;挖掘控制木材品质性状的遗传位点及遗传效应,丰富了木材形成分子生物学基础理论,为林木材性品质改良的分子设计提供依据,为新品种培育提供理论和物质基础。