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《江苏师范大学》 2017年
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甘薯块根花青素含量的关联转录组学研究与MYB基因家族的初步分析

王茹媛  
【摘要】:甘薯[Ipomoea batatas(L.)Lam.]是我国重要的农作物之一,同时被世界卫生组织列为最健康的蔬菜。然而,甘薯是一个自交不亲和的六倍体植物,遗传组成复杂,迄今为止仍未完成全基因组测序。相比其他几大农作物,甘薯分子遗传学与功能基因组学研究落后,众多甘薯农艺性状的分子调控机制仍不清楚。关联转录组学是一种鉴定调控目标性状候选基因的新方法,特别适用于无参考基因组的复杂物种,在橡树、油菜等物种中已经得到了成功的应用。MYB基因家族是植物中最大的基因家族之一,它是生物体内一类重要的转录因子。MYB转录因子通过调控基因的表达,能够介导植物生长发育、维持植物体内初级代谢和次级代谢稳定、提高植物体对胁迫的抗逆性等。在拟南芥、玉米、葡萄等完成基因组测序的物种中,人们已经鉴定了大量的MYB基因家族成员,并研究了其中一部分基因的功能。本研究在甘薯中首次应用关联转录组学,研究了调控甘薯块根花青素含量的遗传基础,初步分析了甘薯MYB基因家族。我们的工作主要包括如下四个方面:1、我们分析了77个甘薯栽培种(其中41个非紫薯、36个紫薯)块根的花青素含量,开展转录组测序和关联转录组学分析,鉴定到了大量与花青素性状显著关联的转录本,并对这些显著关联转录本进行KEGG富集分析、基因共表达网络分析,初步揭示了调控甘薯花青素含量的复杂遗传网络。2、通过比较生物学分析,我们鉴定了与甘薯花青素积累相关分子途径中的重要基因,包括转录调控因子、花青素合成结构基因、花青素转运蛋白等,构建了甘薯花青素积累的分子通路,并对其中关键基因做了进一步的验证。这些研究结果初步揭示了调控甘薯花青素含量的遗传网络与其他物种相比具有很高的保守性。3、鉴于MYB转录因子对花青素积累具有重要功能,我们进一步分析了甘薯MYB基因家族。通过分析多个转录组数据库,我们鉴定到了145个MYB基因家族成员,分析了这些基因的Pfam蛋白结构、系统进化关系等;基于这些分析结果,我们将其分成了4个亚家族:81个R2R3 MYB亚家族成员4个R1R2R3亚家族成员,2个4R亚家族成员,58个MYB-related亚家族成员。4、为了初步研究甘薯R2R3 MYB基因亚家族的功能分化,我们分析了甘薯与模式植物拟南芥R2R3 MYB基因之间的系统进化关系,研究了它们在77个甘薯种质的成熟块根中、两个甘薯种质的不同组织部位中的转录本表达数据。这些分析初步揭示了甘薯R2R3 MYB基因在不同种质和不同组织中的差异表达模式,显示了它们在基因复制后发生的功能分化。总体上,本文通过关联转录组学研究,系统地鉴定了一系列与花青素积累相关的基因,初步揭示了其分子调控网络,为进一步研究甘薯花青素积累的分子调控机制提供了重要候选基因;通过基于转录组数据的基因家族分析,我们初步分析了甘薯MYB基因家族及其功能分化,为在甘薯中进一步研究这一重要转录因子家族的生物学功能提供了基础数据。
【关键词】:甘薯 关联转录组学 花青素 MYB基因家族 系统发育分析
【学位授予单位】:江苏师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S531;Q943.2
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-12
  • 1 引言12-28
  • 1.1 转录组学和比较生物学研究进展12-15
  • 1.1.1 转录组学12
  • 1.1.2 转录组学研究流程12-14
  • 1.1.3 比较基因组学研究概述14-15
  • 1.2 关联分析的研究进展15-18
  • 1.2.1 全基因组关联分析的原理和优势15-16
  • 1.2.2 全基因组关联分析的应用16-17
  • 1.2.3 关联转录组学能有效应用于无参考基因组的复杂物种17-18
  • 1.3 甘薯的研究现状18-19
  • 1.3.1 甘薯的物种特异性18
  • 1.3.2 紫薯的药用价值18-19
  • 1.4 花青素的结构及生物合成途径19-23
  • 1.4.1 花青素的结构19-20
  • 1.4.2 花青素的合成途径20-23
  • 1.5 MYB转录因子基因家族研究现状23-27
  • 1.5.1 MYB基因的结构特征23-25
  • 1.5.2 植物MYB基因的进化25-26
  • 1.5.3 MYB转录因子在花青素合成途径的作用26-27
  • 1.6 本文的研究内容和意义27-28
  • 2 实验材料与方法28-38
  • 2.1 本研究的材料28
  • 2.2 转录组测序28-31
  • 2.2.1 总RNA提取28-30
  • 2.2.2 mRNA反转录30
  • 2.2.3 Illumina二代测序30
  • 2.2.4 Illumina二代测序数据和转录组组装的质量过滤30-31
  • 2.2.5 序列分析与注释31
  • 2.3 甘薯块根花青素含量的测定31-32
  • 2.4 SNP发现和关联分析32-33
  • 2.5 GEM关联转录组分析33
  • 2.6 甘薯MYB基因家族成员的鉴定和分析33-35
  • 2.6.1 甘薯MYB基因家族成员的鉴定33-34
  • 2.6.2 系统发育分析34
  • 2.6.3 Pfam结构域分析34-35
  • 2.6.4 转录本表达谱分析35
  • 2.6.5 不同组织数据库DB1635
  • 2.7 实时定量PCR实验35-38
  • 2.7.1 实验材料35-36
  • 2.7.2 RNA提取36
  • 2.7.3 引物设计36
  • 2.7.4 实时定量PCR体系36-38
  • 3 实验结果与分析38-66
  • 3.1 甘薯转录组测序与关联分析38-49
  • 3.1.1 转录组测序38
  • 3.1.2 甘薯块根花青素含量测定38-39
  • 3.1.3 SNP与GEM关联分析39-41
  • 3.1.4 KEGG富集分析41-42
  • 3.1.5 基因共表达网络分析42-43
  • 3.1.6 构建甘薯花青素转录调控、合成与转运的分子途径43-45
  • 3.1.7 甘薯花青素相关途径中的重要候选基因鉴定45-49
  • 3.2 获取甘薯的MYB基因家族蛋白49-66
  • 3.2.1 多物种的MYB基因家族研究情况以及数量对比49-50
  • 3.2.2 甘薯的MYB基因家族蛋白特点50-51
  • 3.2.3 R2R3 MYB蛋白基序结构分析51-53
  • 3.2.4 甘薯R2R3 MYB基因亚家族分析与功能预测53-55
  • 3.2.5 甘薯与拟南芥R2R3 MYB基因家族系统发育分析55-58
  • 3.2.6 甘薯MYB基因家族成员的表达谱分析58-63
  • 3.2.7 与块根花青素含量显著关联的MYB基因表达量分析63-66
  • 4 讨论66-74
  • 4.1 不同关联转录组学分析手段的评价66-67
  • 4.1.1 SNP关联分析在转录组学研究中局限66-67
  • 4.1.2 GEM关联分析在转录组学中的优势67
  • 4.2 甘薯花青素高度关联基因讨论67-68
  • 4.3 不同物种MYB结构域的进化分析68-69
  • 4.4 MYB基因家族成员在甘薯不同种质和组织的功能分化69-71
  • 4.4.1 MYB基因具有维持甘薯正常生长的重要功能69-70
  • 4.4.2 MYB基因在不同种质中出现差异表达70
  • 4.4.3 MYB基因在不同组织中的表达模式分析70-71
  • 4.5 甘薯中MYB基因生物学功能的预测71-74
  • 4.5.1 转录抑制因子IbMYB53的功能预测71
  • 4.5.2 显著关联MYB基因的功能分析71-74
  • 结论74-76
  • 附录76-84
  • 参考文献84-94
  • 致谢94-96
  • 作者简介96-98
  • 学位论文数据集98

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