兰科植物景天酸代谢(CAM)途径研究

摘要

本研究从兰科植物CAM代谢途径分布趋势、CAM代谢途径关键基因PEPC基因家族进化、兰科最大的属之一石斛属代表性物种铁皮石斛（兼性CAM植物）干旱胁迫转录组分析等三个层次，通过碳稳定同位素技术、生物信息学手段进行进化分析，对兰科植物景天酸(CAM)代谢进化模式、关键调控基因筛选进行了逐层推进、多角度探讨。主要研究结果如下:
　　(1)通过对我国兰科植物叶片碳稳定同位素研究发现，隔距兰亚族植物全部表现为典型的强CAM植物。该亚族植物的叶片δ13C值分布表现为单峰模式，大部分植物的叶片δ13C值为-15.0‰左右。本研究新发现Acampe等其他22个属植物为强CAM植物，使兰科植物中具有强CAM植物的属增至112个。即使是在人们普遍认为CAM途径植物集中分布的附生类群中，强CAM植物并非平均分布，而是主要集中在某些亚族或属，而另一些类群中强CAM植物的比例很低，或几乎没有，呈现明显的两极化。兰科植物CAM光合途径功能很有可能在某些类群分化之前就已经分化形成，或在很多类群中多次独立进化。
　　(2)绿色植物PEPC基因家族的进化历史分析表明:绿色植物PEPC基因家族共分为三支，本研究首次发现了位于最基部的PPC-3，它由Klebsormidium和苔藓组成。PPC-1中的双子叶植物和单子叶植物各自拥有共同的祖先，古老的或近代的基因组重复使双子叶植物PPC-1产生很多拷贝，并分化成为PPC-1E1和PPC-1E2两支;单子叶植物PPC-1也由于古老的基因重复形成PPC-1M1和PPC-1M2两支;CAM植物不同器官转录组表达量分析发现，执行CAM光合途径功能相关的PEPC拷贝位于PPC-1M1，与C4-型PEPC聚在一起。单子叶植物与CAM和C4光合途径相关的PEPC就起源于PPC-1M1这一支。基因组重复造成了PEPC基因拷贝数量的增加，但它可能不是推动PEPC获得固定二氧化碳功能的主要动力。由于兰科植物中与执行CAM功能相关的PEPC来源于单子叶植物古老重复，单子叶中CAM植物可能进化得很早，是C4植物的前驱，最古老的CAM植物可能在单子叶分化不久后就已分化。
　　(3)采用Illumina第二代测序技术对铁皮石斛干旱胁迫不同阶段7个叶片样品分别建库进行转录组测序，原始数据经过滤后采用Trinity从头组装，最终拼接得到186，431条Unigene。Unigene序列平均长度为698 bp，其中长度大于500 bp的有66，271条，约占35.5％，而长度大于1K的有30，228条，约占16.2％。利用NR、Swiss-Prot、KEGG、COG和GO等多个蛋白质数据库依次对Unigene序列进行蛋白功能注释，经过与多个已知蛋白数据库的逐级比对，共有164，086条Unigenes与已知数据库比对成功，得到功能注释信息，占铁皮石斛转录组全部Unigene的88.01％。另有22，345条Unigenes，约占11.9％，未得到鉴定，为未来进一步挖掘并鉴定新的功能基因提供了丰富的数据基础。同时，干旱处理不同阶段7个叶片样品共筛选得到818个差异表达基因，这些基因进行GO分类发现，与细胞、细胞组分、binding、催化、转录调控等功能相关。
　　本研究为了解我国兰科植物光合代谢途径概况、理解CAM代谢途径的进化及光合途径转变相关基因及其调控机制提供了重要参考，对提高水分利用效率、高效固碳，更好的提高园艺生产具有重要的理论意义和实践意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究的目的与意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 植物的光合代谢途径

1．2．2 CAM代谢途径的不同阶段

1．2．3 CAM代谢途径环境适应性特点

1．2．4 CAM代谢途径的不同表现形式

1．2．5 兰科植物CAM代谢途径研究

1．2．6 CAM代谢途径分子机制研究

1．3 研究目标和主要内容

1．3．1 关键的科学问题与研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．4 研究技术路线

第二章 兰科植物CAM代谢途径分布研究

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 结果

2．2．2 讨论

2．3 小结

第三章 PEPC基因家族分析

3．1 材料与方法

3．1．1 数据来源

3．1．2 同源基因鉴定和多序列比对

3．1．3 系统进化关系重建和共线性分析

3．1．4 总RNA提取和转录组测序

3．1．5 从头组装和单基因簇拼接

3．1．6 RNA-Seq表达量分析

3．2 结果与分析

3．2．1 绿色植物PEPC基因的进化历史

3．2．2 双子叶植物PPC-1系统进化分析

3．2．3 单子叶植物PPC-1系统进化分析

3．2．4 PPC-1M1中CAM和C4功能相关PEPC分析

3．2．5 单子叶植物PEPC基因的古老重复事件和CAM功能PEPC基因起源

3．3 小结

第四章 铁皮石斛干旱胁迫转录组分析

4．1 材料与方法

4．1．1 植物材料及干旱处理

4．1．2 RNA提取及转录组测序

4．1．3 转录组数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 测序结果评估和组装

4．2．2 基因注释

4．2．3 编码蛋白框(CDS)预测

4．2．4 干旱胁迫差异基因表达

4．3 小结

第五章 结论

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

在读期间的学术研究

致谢