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紫花苜蓿在转录组水平响应低温胁迫的差异表达基因研究

齐晓  
【摘要】:冬季严寒是我国东北、西北等地区种植紫花苜蓿的最主要限制因子之一。除了采取必要的田间管理措施外,选育抗寒性强的品种是降低低温对紫花苜蓿生产不利影响的重要手段。目前,育种家仍主要使用传统育种手段来提高紫花苜蓿品种的抗寒性,分子水平抗寒育种的研究成果和应用均较少。本研究利用Illumina Hi-Seq 4000高通量测序平台,在转录组水平详尽分析了不同抗寒能力紫花苜蓿品种响应低温胁迫的分子机制,并在此基础上,鉴定分析了紫花苜蓿响应低温胁迫转录因子家族以及目前研究较少的紫花苜蓿b ZIP家族转录因子的进化、基因结构、表达谱等,主要研究结果如下:1.对ZG9830(抗寒)和CUF101(不抗寒)紫花苜蓿品种幼苗进行4℃低温胁迫,将处理0h(CK)和48h(处理)的叶片进行转录组测序,共获得106.38Gb clean data。经de novo组装得到78,925个Unigenes,其中的43,930个在Nr、Swiss-Prot、KEGG、COG、KOG、GO和Pfam公共数据库的得到注释。ZG9830和CUF101品种经历低温胁迫后各被鉴定出3,448和2,912个差异表达基因(DEGs),其中各有3,235个和2,713个DEGs在Nr等7个数据库获得功能注释。GO功能注释结果主要集中在生物学过程、细胞元件、分子功能3个大类中的9个亚类,COG注释表明,这些DEGs主要参与“未知基因组功能”、“转录、信号转导、复制、重组和修复”、“氨基酸运输与代谢”、“碳水化合物运输”与“代谢、翻译、核糖体结构与形成”,参与最多的KEGG代谢通路为“核糖体”、“氨基酸生物合成”、“植物激素信号转导”、“碳代谢”、“真核细胞核糖体生物起源”、“淀粉和蔗糖代谢”等。两个品种中共有的DEGs为2,122个,并且其上调/下调差异表达模式相同,差异表达倍数相近;抗寒品种ZG9830特有的DEGs为1,326个,其中有1,220个获得了Nr等7个数据库的注释信息。2.测序获得的实验品种全部Unigenes中存在59个家族、共1,730个转录因子编码基因,其中PHD、ABI3VP1、AP2/EREBP等10个家族基因数量较多;抗寒品种ZG9830的DEGs中,有251个基因编码PHD等34个家族转录因子,其中98个基因为ZG9830特有,且不同转录因子家族基因在紫花苜蓿不同器官中的表达模式有差异,暗示这些转录因子可能通过不同的调控途径参与调控ZG9830响应低温胁迫的过程。3.通过全转录组分析,在紫花苜蓿共鉴定出138个编码b ZIP家族转录因子基因,这些转录因子被划分为10个亚家族。除核心结构域外,还存在由R/Kxx S/T结构域、S/Txx D/E结构域和脯氨酸富集结构域组成的保守结构域。Msb ZIP基因的密码子更偏向于使用A/T碱基,这可能与功能具有较高的相关性。不同b ZIP亚家族的基因在紫花苜蓿不同器官中的表达模式具有差异性,说明这些基因在紫花苜蓿生长发育及响应低温胁迫过程中发挥着不同的生物学功能。上述研究成果为进一步研究紫花苜蓿抗寒性的分子机理、发掘抗寒关键基因及开展抗寒分子育种提供了理论依据。


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