论文部分内容阅读
森林是陆地生态系统的重要组成部分,具有广泛的工业用途与重要的生态价值。近年来,人们对木材的需求量在不断增加,对木材质量的要求也越来越高。因此,林木育种的主要目标之一就是提高木材产量,改善木材品质。而赤霉素是一类重要的植物激素,在植物生长和发育过程中发挥着重要的调控作用。在林木中,赤霉素可以影响树木的生长、光合作用和木材形成,但产生这些影响的具体机制还需要进一步探索和揭示。因此,在林木中系统地开展响应赤霉素转录调控的机制研究具有重要意义。为此,本论文以模式树木杨树为材料,利用RNA-seq技术和生物信息学系统地研究了毛白杨响应赤霉素的转录调控模式,并结合关联作图策略解析赤霉素响应基因和非编码RNA基因内的等位变异效应,发现与光合、生长和木材品质显著关联的SNP标记,揭示lncRNA-miRNA-mRNA对林木生长与木材品质性状的遗传调控网络。本论文为林木响应赤霉素的遗传调控研究与分子标记辅助育种提供了理论基础与技术支持。主要研究内容与结论如下：1.对赤霉素处理后的毛白杨进行生理生化指标、光合、生长和木材品质性状的测定与统计分析。结果显示,在赤霉素处理24 h之内,赤霉素处理对毛白杨的总蛋白含量、蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量均产生显著影响,其中赤霉素处理后6 h毛白杨的生理变化最明显。处理后28天,赤霉素可以显著提高毛白杨的Pn、Gs、Tr树高、地茎、综纤维素含量和纤维长,同时降低毛白杨的木质素含量。实验结果表明赤霉素可以显著影响毛白杨的生理、光合、生长与木材品质性状。2.利用RNA-seq技术检测到响应赤霉素的1,268个基因。通路富集分析显示有87个基因与细胞壁、叶绿体分裂、细胞分裂、细胞膨胀及光合作用相关。启动子区域作用元件的富集分析显示有37个与光合作用相关的赤霉素响应基因的启动子区域包含两个赤霉素响应作用元件：GARE和嘧啶盒。结合已知的赤霉素信号转导途径,推测出一个参与光合作用的赤霉素响应通路。单标记关联分析发现该通路中40个基因内的142个SNP与光合、生长和木材品质性状显著关联（Q<0.10）,每一个SNP位点可解释表型变异的0.01%-20.89%,上位性效应分析检测到有310对SNP-SNP互作对这些性状产生影响,为光合作用的赤霉素响应通路中基因之间的互作提供了证据。3.利用RNA-seq技术在全基因组范围内发现7,655个毛白杨lncRNA,这些lncRNA表现出比编码蛋白的mRNA长度较短、表达量较低并且种间保守性较差。共发现响应赤霉素的410个lncRNA,靶基因预测发现939个潜在的顺式靶基因和965个潜在的反式靶基因。基因功能注释与通路富集分析显示这些lncRNA的潜在靶基因可能参与林木生长和木材形成。利用单标记关联分析技术检测到20个lncRNA基因内的38个SNP和158个靶基因内的363个SNP位点与生长和木材品质性状显著关联（Q<0.10）,每一个SNP位点可解释表型变异的2.50%-5.40%。上位效应分析发现312对SNP-SNP代表lncRNA与靶基因之间的上位效应,为lncRNA与靶基因的互作提供了间接证据。4.利用miRNA-seq从毛白杨叶片中发现292个已知的miRNA和103个novel miRNA,其中25个已知的miRNA和33个novel miRNA是响应赤霉素差异表达的miRNA.靶基因预测发现这58个响应赤霉素的miRNA可能与345个靶基因互作,靶基因功能注释与通路富集分析发现这些靶基因可能与生长相关。SNP多样性分析表明miRNA成熟区以及靶基因中靶位点区域保守性较高。利用单标记关联分析检测到27个miRNA内的38个SNP以及87个靶基因内的176个SNP与生长和光合性状显著关联（Q<0.10）,每一个SNP位点可解释表型变异的2.97%-7.13%,推测这些SNP可能对生长和光合性状有影响。上位效应发现82对SNP-SNP代表miRNA与靶基因之间的上位效应,为miRNA与靶基因的互作提供了证据。5.基因、lncRNA与niRNA之间的互作分析发现有10个lncRNA被预测为17个已知miRNA的前体,这17个miRNA可能与167个潜在靶基因互作；192个lncRNA被预测为191个miRNA的靶位点；TCONS00264314是ptc-miR6459b的target mimic,而TCONS00015177和TCONS00013311是ptc-miR169y的target mimics。本文发现生长素信号转导通路中的基因、lncRNA与miRNA之间存在复杂的互作关系,表明lncRNA和miRNA可能参与生长素的信号转导。