与棉花脂肪酸代谢相关的三个基因家族全基因组鉴定与表达分析

摘要

棉花不仅是重要的纤维，也是重要的油料作物。脂肪酸合成相关代谢在棉花种子的油分含量和组分、纤维发育，抗病抗逆等调控进程中起着重要作用。近年来棉花分子生物学研究得到长足进展，尤其是在棉花纤维的产量和品质改良的研究方面取得了较多成果，但在棉籽油的含量和组分改良的研究方面相对匮乏。本研究以最新公布的二倍体雷蒙德氏棉全基因组序列为背景，结合相关生物信息学软件和技术，分别鉴定与棉花脂肪酸代谢相关的三个基因的家族成员，并对这其进行系统进化、基因结构以及表达特征等方面分析:
　　1、通过鉴定分别获得8个LPAT，9个SAD，19个FAD基因家族成员。根据其在染色体上的位置顺序分别命名为GrLPAT1-GrLAPT8，GrSAD1-GrSAD9和GrFAD1-GrFAD19。系统进化分析表明棉花8个LPAT基因分为4类，分布在6条染色体上;9个SAD基因分为两类，分布于5条染色体上;19个FAD基因分为两类，分布于11条染色体上。在基因结构上:所有棉花的LPAT基因都存在2个以上的内含子;SAD基因的Ⅰ类除GrSAD1没有内含子，其他6个基因都含有2个内含子，而Ⅱ类都含有一个内含子;FAD基因的Ⅰa类都有7个内含子，Ⅰb类基因中除了GrFAD17和GrFAD18有内含子外，其他四个基因的编码区均无内含子的存在，Ⅱ类基因中四个有内含子，另外四个则没有内含子。这种基因结构上的多样性，可能与基因的功能有关。
　　2、以陆地棉7235的根、茎、叶以及不同发育时期的胚珠和纤维为材料，通过荧光定量PCR技术，研究了上述基因家族成员的表达特征。表达分析发现，三个基因家族的基因表达特征都呈现多样性。其中，SAD2，SAD4和FAD19在不同发育时期的棉花胚珠中优势表达;8个LPAT基因均在纤维中优势表达，同时SAD9、FAD3、FAD6、FAD7、FAD13以及FAD16也在纤维中优势表达。说明这些基因的表达与棉纤维发育及种子发育相关。
　　3、分别选择棉花种子高油和低油材料对GrSAD2，GrSAD4和GrFAD19进行表达特征分析，发现三个基因在高油和低油棉花材料中的表达均有明显差异，尤其是在种子发育后期。进一步从高油和低油材料中克隆了三个基因的基因组序列，测序分析后发现高油和低油材料中SAD4基因A亚组序列存在两处碱基的差异位点。基于该位点差异开发基因专化的SNP标记，分析含286个不同棉花品种的自然群体中该基因差异与脂肪酸含量和纤维品质等性状指标的关联，结果表明第二处差异(TT/--)与油酸，亚油酸，O/L值以及纤维的马克隆值存在显著(P＜0.05)或极显著相关(P＜0.01)。推测SAD4基因与棉花纤维和种子品质相关。

目录

声明

摘要

本文所用主要缩略词

第一章 棉花脂肪酸合成过程及其相关基因的研究进展

1 植物脂肪酸的分类

1．1 植物脂肪酸的种类

1．2 植物脂肪酸的功能

2 植物脂肪酸的合成

2．1 脂肪酸的从头合成

2．2 三酰甘油的合成

3 植物脂肪酸合成相关基因研究进展

3．1 从头合成的关键基因

3．2 TAG合成途径中的关键基因

第二章 植物脂肪酸去饱和酶及相关基因的研究进展

1 植物脂肪酸的脱饱和作用

1．1 脂肪酸的第一步脱饱和

1．2 脂肪酸的进一步脱饱和

2 脂肪酸脱饱和酶的分类

3 脂肪酸脱饱和酶基因的研究进展

3．1 硬脂酰-ACP脱饱和酶(SAD)

3．2 油酸脱氢酶(FAD2)

4 脂肪酸组分改良的价值

4．1 营养和食用品质

4．2 工业价值

5 植物基因组测序

本研究的目的与意义

第三章 棉花LPAT基因家族的全基因组鉴定与组织表达分析

1 实验材料

1．1 材料

1．2 棉花总RNA的提取

1．3 cDNA第一链合成

1．4 生物信息学分析

1．5 实时荧光定量RT-PCR分析

2 结果和分析

2．1 棉花LPAT家族基因的发掘与分类

2．2 雷蒙德氏棉LPAT家族基因的生物信息学分析

2．3 棉花LPAT家族基因的表达特征分析

3 讨论

第四章 棉花硬脂酰ACP脱氢酶(SAD)基因家族的全基因组鉴定及组织表达分析

1 实验材料

1．1 材料

1．2 实验引物

1．3 棉花基因组DNA的提取

1．4 RNA的提取

1．5 生物信息学分析

1．6 基因家族成员的荧光定量PCR分析

1．7 PCR扩增及检测

2 结果与讨论

2．1 雷蒙德氏棉中SAD基因的鉴定结果

2．2 SAD基因家族的基因结构及分类

2．3 棉花SAD基因的同源分子进化

2．4 棉花SAD基因的表达分析

2．5 SAD2和SAD4基因组序列的克隆

2．6 关联分析

3 讨论

3．1 SAD基因家族的分类和表达特征

3．2 棉花ASD4基因的功能初步分析

第五章 棉花脂肪酸脱饱和酶(FAD)基因家族的全基因组鉴定及表达分析

1 材料和方法

1．1 材料

1．2 FAD基因家族成员识别、亚细胞定位预测和基因结构分析

1．3 序列比较及系统进化分析

1．4 RNA的提取及cDNA链的合成

1．5 实时荧光定量RT-PCR分析

2 结果和分析

2．1 棉花FAD基因的鉴定和相关生物信息学分析

2．2 棉花和其它油料作物以及拟南芥中的脂肪酸脱饱和酶的比较

2．3 棉花FAD基因分类和的结构分析

2．4 棉花FAD家族基因的表达特征分析

2．5 高油和低油棉花材料中FAD19的表达分析

3 讨论

全文结论

参考文献

附录

致谢

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