白菜类作物抗坏血酸和开花相关基因的系统进化及QTL定位分析

摘要

抗坏血酸(AsA)，又称维生素C，是一种多功能代谢物质，参与植物体内多个代谢途径。由于人体不能合成AsA，只能从植物中荻取，因此AsA含量是评价蔬菜品质的重要指标。此外，在植物中，开花对物种的繁衍和进化至关重要，开花时期的早晚对叶类蔬菜产量影响较大。AsA和开花都是由多种不同途径进行调控的，在植物体内构成了复杂的基因互作网络。目前AsA和开花相关基因在模式植物拟南芥中已经被透彻研究，但是不同物种在复杂的环境中进行了漫长的选择进化过程，因此有针对性的研究不同物种的重要基因能更透彻的了解其特性，同时为具有经济和食用价值的作物的栽培和育种提供理论支持。白菜类主要作物，包括大白菜（B.rapa ssp.pekinensis）和不结球白菜(B.rapa ssp.chinensis)，属于芸薹属(Brassica)重要经济作物。本研究，主要利用比较基因组学、分子进化以及组织表达分析在白菜基因组中鉴定AsA及开花相关基因，并分析它们的差异，从而揭示相关基因的进化规律和复制分化，挖掘关键基因。同时，为了进一步获得不结球白菜中AsA和开花性状关键基因，利用重测序技术对不结球白菜进行QTL定位分析。研究结果如下:
　　1.抗坏血酸相关基因在白菜基因组三倍化过程中的进化保守性
　　在白菜中共鉴定到102个AsA相关基因，这些基因的分化发生在12-18百万年前;在复制过程中，相对于真核生物核心基因，随机基因以及AsA相关基因的周围基因，AsA相关基因是被优先保留下来的;编码不同酶的同源基因高度保守，但是表达模式发生了分化;虽然白菜基因组中AsA相关基因的数目比拟南芥基因组多，但是其含量和相关基因在组织中的表达数目是相似的，根据结果可以推测不表达的AsA相关基因应属于备份基因。
　　2.抗坏血酸L-半乳糖途径基因在白菜中的保守性和适应性研究
　　L-半乳糖途径，是植物体内主要抗坏血酸生物合成途径。在禹氏三角的A基因组和C基因组中L-半乳糖途径基因具有相似的保留程度。在该途径中，编码不同酶的基因数目不同，如编码GMP酶的基因有9个，而编码其它酶的基因从1个到4个不等。此外，同源基因间功能分化现象普遍:i）VTC2和VTC5为同源基因，但只有VTC5会被FLC影响表达;ii）在光照处理下PMI1基因与途径中的其它基因协同调控植物中的AsA含量，而PMI2则只在黑暗中表达;iii）在NaCl、Cu2+、MeJA以及伤害处理中，大部分同源基因都表现出了不同的表达模式，在这些处理下，GME和GPP是AsA合成的关键限速酶。
　　3.AKR基因分子进化分析及在不结球白菜克隆鉴定
　　醛酮还原酶(AKR)基因家族参与了植物体内多种代谢过程，该家族中的GalUR亚组参与抗坏血酸生物合成途径。本研究通过系统进化分析将AKRs分为A和B两组，其中A组基因是GalUR的同源基因。通过核苷酸差异，选择压力和蛋白结构分析证实A组比B组AKR基因更加保守。随后在不结球白菜cDNA逆境文库中克隆得到12条A组AKR基因，并发现其在多种逆境下该家族基因发生了明显的表达分化。其中，BrcAKR22表达趋势和AsA含量变化具有一定的相关性，BrcAKR23可与多个基因共表达。
　　4.白菜PG和PME基因综合比较分析揭示了其不同进化模式
　　多聚半乳糖醛酸酶(PG)和果胶酯酶(PME)是果胶重塑和拆卸网络的重要组成部分，它们的分解产物参与了AsA半乳糖醛酸生物合成途径并且这类基因在植物发育的多个阶段特别是花粉发育中具有重要作用。本研究通过全基因组筛选，在白菜中共鉴定到100个PG基因和110个PME基因，证实它们主要在12-18百万年前与拟南芥的同源基因发生了分化，并且PME基因要比PG基因保留程度高。通过和其他8个物种中鉴定得到的305个PG基因和348个PME基因综合分析，共发现了两种不同的进化模式:PG基因家族的A组在裸子植物和被子植物分化之后出现了一个新的分支导致基因数目的大量增加;而PME基因家族中则在进化过程中存在pro结构域丢失和再获得的现象。此外，通过表达分析说明PG和PME基因也发生了严重的功能分化。
　　5.综合比较白菜开花相关基因并在植物界推演CO-like基因的进化模式
　　本研究通过在单双子叶中对开花基因的特征及保留分析，推测光周期和花形态建成基因对白菜具有较大影响，之后在白菜中鉴定获得25个CONSTANS-like（COL）基因。这类基因的结构域和系统分组在低等陆地植物中比较稳定，在经历过全基因组加倍事件的被子植物中也存在着结构域的丢失现象。在十字花科和禾本科植物中，CO蛋白序列具有物种特异性，在拟南芥和白菜中蛋白结构具有相似性，显著区别于水稻，这就导致了这个直系同源基因的功能差异。最后，通过实时定量分析，获得了白菜中光周期调控的关键基因。
　　6.白菜MADS-box基因家族全基因组分析鉴定
　　MADS-box基因家族在植物的生长发育特别是花发育过程中都起到了重要作用。本研究在白菜基因组中共鉴定得到160个MADS-box转录因子。通过白菜、拟南芥和水稻MADS基因系统进化树分析，这些基因被分为两大类，typeⅠ(Mα、Mβ和Mγ)和typeⅡ（MIKCC和MIKC*），而MIKCC又被分为13个亚组。白菜中含有95个typeⅡ类基因，是拟南芥的2倍，这说明白菜的typeⅡ要比typeⅠ类基因保留频率更大。BrMADS基因在不同组织中的转录组数据表明它们的表达具有明显的组织特异性，这和拟南芥同源基因类似。此外，部分BrMADS基因可以响应不同的逆境胁迫，说明它们不仅对植物的生长发育起作用，同时对于复杂环境也起到了适应作用。
　　7.不结球白菜高密度遗传图谱构建及AsA和开花性状的QTL定位分析
　　AsA含量和开花时间直接影响了不结球白菜的质量和产量。本研究通过对不结球白菜AsA差异群体的100个重组自交系(RIL)进行全基因组重测序，获得了5440个单核苷酸多态性位点(SNPs)，并结合这些SNP构建了高密度的连锁图谱。这个图谱总共1915.07厘摩尔(cM)，两个标记间平均为0.35 cM。通过与白菜基因组物理图谱进行共线分析，将这些标记位点注释在基因及其周围区域。基于这个高密度遗传图谱以及AsA含量和开花时间指标，识别和定位到6个潜在的QTLs。随后通过表达数据和功能注释对候选基因进一步筛选，为不结球白菜的遗传育种打下坚实的基础。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

第一章 文献综述

1 抗坏血酸在植物体内的生物合成代谢及调控途径

1．1 抗坏血酸生物合成途径

1．2 抗坏血酸在植物体内的调控作用

1．3 抗坏血酸相关基因的调控机制

2 开花途径及开花基因在体内的调控途径

2．1 成花调控途径

2．2 花形态建成模式

2．3 果胶的代谢过程对花粉发育和抗坏血酸合成的重要作用

3 十字花科重要植物基因组发展概况

3．1 白菜基因组研究进展

3．2 甘蓝基因组的研究进展

3．3 甘蓝型油菜基因组的研究进展

3．4 比较基因组学的研究方案

4 基因剂量假说及复制基因类型

4．1 复制基因的产生

4．2 复制基因的分化特征

5 分子标记技术发展概况

5．1 分子标记技术的重要发展阶段

5．2 连锁图谱构建技术的发展

第二章 抗坏血酸相关基因在白菜基因组三倍化过程中的进化保守性分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 AsA相关基因在拟南芥和白菜基因组中的鉴定

3．2 AsA相关基因在白菜基因组中的保留情况

3．3 AsA共线基因碱基同义突变频率(Ks)的计算

3．4 AsA转运基因的进化历程

3．5 白菜和拟南芥AsA转运基因结构和功能的鉴定

3．6 L-半乳糖生物合成途径的复制和分化

3．7 白菜和拟南芥AsA代谢循环途径相关基因特征和表达分析

3．8 白菜和拟南芥AsA相关基因功能和表达分析

4 讨论

第三章 抗坏血酸L-半乳糖途径基因在白菜中的保守性及功能分化性研究

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 芸薹属植物中L-半乳糖基因的复制和分化

3．2 L-半乳糖基因的特征分析

3．3 不结球白菜FLC基因调控VTC5基因的表达

3．4 光照下L-半乳糖途径基因的表达模式分析

3．5 四种逆境胁迫对L-半乳糖途径基因的影响

4 讨论

第四章 AKR基因分子进化分析及在不结球白菜克隆鉴定

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 ARK基因家族分组鉴定

3．2 ARK基因家族进化及特征分析

3．3 植物进化过程中AKRs分支选择压力的鉴定

3．4 AKRs在白菜基因组三倍化过程中的分化特征

3．5 白菜和拟南芥AKRs基因结构特征和组织表达分析

3．6 A组AKR基因在不结球白菜中克隆分析

3．7 逆境对克隆得到的BrcAKR基因表达趋势与AsA含量相关性的影响

4 讨论

第五章 白菜PG和PME基因综合比较分析揭示了其不同进化模式

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 白菜基因组三倍化过程中PG和PME基因拷贝数的变异分析

3．2 白菜基因组中PG和PME复制类型及与拟南芥同源基因Ks值分析

3．3 白菜基因组中PG和PME基因特征分析

3．4 PME基因在植物中的进化模式

3．5 PG基因在植物中的进化历程

3．6 PG和PME基因在分化过程中的选择压力

3．7 PG和PME基因拟南芥和白菜中组织表达分化比较分析

4 讨论

第六章 综合比较白菜开花途径相关基因并分析CO-like基因的进化模式

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 单双子叶中开花相关基因鉴定分析

3．2 白菜COL基因综合比较分析

3．3 COL基因在植物中的起源和进化历程

3．4 十字花科和禾本科植物中CO基因综合比较分析

3．5 生物钟途径调控基因的表达模式分析

4 讨论

第七章 白菜MADS-box基因家族全基因组分析鉴定

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 MADS基因鉴定及比较分析

3．2 MADS基因在白菜基因组中不同保留程度分析

3．3 白菜MADS基因系统进化比较分析

3．4 白菜MADS基因保守结构域和基因结构分析

3．5 MADS直系同源基因对、染色体分布以及重复基因分析

3．6 白菜MADS基因组织表达分析

3．7 白菜MADS基因在逆境下表达分析

4 讨论

第八章 不结球白菜高密度遗传图谱构建及AsA和开花性状的QTL定位分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 全基因组重测序和SNP位点鉴定

3．2 连锁图谱的构建

3．3 连锁图谱与物理图谱的共线关系以及SNP位点注释

3．4 AsA含量和开花时间的调查

3．5 OTL定位分析

4 讨论

全文结论

创新点

参考文献

论文发表情况

致谢