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刺榆细胞器基因组分析及耐旱分子机制

刘华波  
【摘要】:刺榆(Hemiptelea davidii(Hance)Planch.)是我国干旱半干旱沙地重要的造林树种。当前,刺榆分子生物学方面的研究十分缺乏,关于刺榆的进化起源及逆境胁迫响应机制仍不清楚。本研究利用高通量测序技术,开展刺榆细胞器基因组遗传信息解析,构建基于细胞器基因组数据的系统发育分析,同时利用转录组数据探讨核质基因响应干旱胁迫的分子机制。本研究主要结果如下:(1)组装完成首个刺榆叶绿体和线粒体基因组。刺榆叶绿体基因组全长160195bp,包含132个基因,基因组总GC含量35.28%,包含6543 bp的重复序列。刺榆线粒体基因组全长460941 bp,包含59个基因,基因组总GC含量44.84%,包含10299 bp的重复序列。刺榆细胞器基因组水平基因转移分析发现,线粒体基因组中有9个片段区域来源于叶绿体,迁移序列总长度8014 bp,分别占线粒体和叶绿体基因组总长的1.74%和5.00%。(2)刺榆细胞器基因组密码子分析揭示偏性特征。刺榆不同细胞器基因密码子位置上的碱基组成均呈现GC_1GC_2GC_3的特点,密码子第三位置上的碱基组成表现明显的A/T偏性。细胞器基因密码子偏性整体较弱,但叶绿体较线粒体偏性更强。中性绘图分析、ENC绘图分析、PR2分析和对应性分析结果表明,自然选择较突变压在细胞器基因密码子偏性形成中起主要作用。(3)首次基于细胞器全基因组数据针对刺榆开展系统发育学研究。基于叶绿体基因组序列、线粒体基因组序列及细胞器基因密码子使用频率三种数据类型开展刺榆系统发育学分析,支持APG IV分类系统将刺榆属与榉属、榆属划分为榆科单系群,而糙叶树属、朴属和白颜树属等另外8个属划为大麻科的分类方式。(4)基于转录组数据分析刺榆核质基因在干旱胁迫下的表达调控机制。干旱转录组中鉴定出2860个DEGs,其中1333个为上调表达,1527个为下调表达。光合作用相关通路、植物激素信号转导通路和次生代谢物合成通路受干旱胁迫影响最大。在97个转录因子DEGs,69个转录因子受干旱胁迫诱导上调表达。在细胞器基因组中,92.11%的叶绿体基因和94.44%的线粒体基因受干旱胁迫诱导下调表达,其中rps18、rpl32、mat K基因的表达量降低了5倍以上,这些基因表达量的降低直接或间接影响能量代谢水平,减少电子传递链过程中活性氧的产生。(5)核染色质调节因子Trx G-like基因的功能分析。过表达Trx G-like基因有效提高了转基因烟草对干旱胁迫的抗性,转基因植株的叶绿素含量和游离脯氨酸含量相对于野生型具有更高的水平,而相对电导率和MDA含量则具有更低的水平,初步证实Trx G-like基因参与刺榆干旱胁迫响应,调控干旱胁迫响应基因的表达,提高植株的抗旱性。


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