兩個(gè)二倍體棉種CDPK和FAD基因家族的全基因組鑒定與基因結(jié)構(gòu)功能分析.pdf

1、棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉纖維是天然紡織纖維最主要的來源，棉籽中含有豐富的脂肪和蛋白質(zhì)，現(xiàn)在也被廣泛用于加工生產(chǎn)成食用油、工業(yè)用油和動(dòng)物飼料等。棉花是一種起源于熱帶和亞熱帶的喜溫作物，它的栽培范圍已經(jīng)由熱帶和亞熱帶逐步擴(kuò)展至較冷的區(qū)域，而溫度低于15℃就會(huì)嚴(yán)重影響棉花的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致種子萌發(fā)率降低、棉株易感病，最終造成大幅度減產(chǎn)。植物對(duì)外界環(huán)境壓力的適應(yīng)過程主要包括對(duì)壓力信號(hào)的感知和隨后的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終引起各種生理生化反應(yīng)和代謝反應(yīng)的

2、激活，使植物建立新的物質(zhì)和能量代謝平衡，從而維持其在溫度較低環(huán)境下穩(wěn)定地生長(zhǎng)。而在這些生理生化過程中，質(zhì)膜變化占據(jù)極其重要的地位。細(xì)胞膜是植物與外界聯(lián)系的界面，各種逆境對(duì)細(xì)胞的影響首先作用于質(zhì)膜，而低溫脅迫對(duì)膜系統(tǒng)不可逆?zhèn)Φ脑醴磻?yīng)發(fā)生在生物膜類脂分子的相變上。鈣依賴蛋白激酶(CDPK)是一類僅依賴Ca2+而不依賴鈣調(diào)素的蛋白激酶，參與調(diào)控多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，而膜結(jié)合脂肪酸脫氫酶(membrane-bound FAD)是一類不飽和脂肪酸

3、合成途徑的關(guān)鍵酶。這兩類基因分別在低溫環(huán)境脅迫下的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和穩(wěn)定質(zhì)膜性質(zhì)中起著非常重要的作用。本研究在二倍體棉種D基因組雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii）和A基因組亞洲棉（Gossypium arboreum）全基因組測(cè)序完成的基礎(chǔ)上，對(duì)棉花CDPK和膜結(jié)合FAD基因家族在全基因組水平上進(jìn)行了鑒定和綜合比較分析，并探索其受低溫脅迫過程中的應(yīng)答反應(yīng)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、爬酌傻率厦藁蚪MCDPK基因家族的鑒定

4、與低溫脅迫應(yīng)答分析。利用二倍體D組雷蒙德氏棉基因組數(shù)據(jù)，對(duì)其CDPK基因家族進(jìn)行全基因組的鑒定與分析，結(jié)果表明:①雷蒙德氏棉基因組中有41個(gè)CDPK基因，分散分布在雷蒙德氏棉13條染色體上，分為四個(gè)不同的功能亞家族;②片段復(fù)制導(dǎo)致了雷蒙德氏棉CDPK基因數(shù)目的擴(kuò)增，而且雷蒙德氏棉CDPK復(fù)制基因在進(jìn)化過程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的純化選擇作用，基因功能的分化受到嚴(yán)重抑制;③絕大多數(shù)雷蒙德氏棉CDPK基因啟動(dòng)子區(qū)域含有低溫應(yīng)答元件，選定的11個(gè)雷蒙德

5、氏棉CDPK基因在低溫脅迫下，8個(gè)基因上調(diào)表達(dá)，說明CDPK基因在棉花低溫脅迫響應(yīng)反應(yīng)中起著重要作用。
　?、苼喼廾藁蚪MCDPK基因家族的鑒定與比較。利用雷蒙德氏棉和亞洲棉基因組數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)棉種中CDPK基因家族進(jìn)行綜合比較，結(jié)果表明:①亞洲棉全基因組中共檢索到43個(gè)CDPK基因，比雷蒙德氏棉基因組多2個(gè)CDPK基因，其中42個(gè)基因分散分布在12條染色體上，1個(gè)定位在還不能確定其染色體位置的scaffold序列上;②除了多出的2

6、個(gè)CDPK基因，雷蒙德氏棉41個(gè)CDPK基因在亞洲棉基因組中均有對(duì)應(yīng)的直系同源基因，而且它們的基因結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)都非常保守;③大部分CDPK直系同源基因在不同組織以及低溫誘導(dǎo)下的表達(dá)模式存在一定差異，說明CDPK直系同源基因在雷蒙德氏棉和亞洲棉中的表達(dá)已經(jīng)開始分化，推測(cè)可能與雷蒙德氏棉和亞洲棉經(jīng)過物種特異的進(jìn)化后適應(yīng)不同的生存環(huán)境有關(guān)。
　　⑶雷蒙德氏棉膜結(jié)合FAD基因家族的全基因組分析。對(duì)雷蒙德氏棉膜結(jié)合FAD基因家族進(jìn)行全基

7、因組分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雷蒙德氏棉基因組中共鑒定出19個(gè)膜結(jié)合FAD基因，定位在雷蒙德氏棉11條染色體上，進(jìn)化分析將它們分為四個(gè)功能不同的亞家族；串聯(lián)復(fù)制導(dǎo)致雷蒙德氏棉FAD2基因數(shù)目的擴(kuò)增，而鞘脂類脫氫酶和Front-end脫氫酶亞家族的擴(kuò)增是由片段復(fù)制引起的；雷蒙德氏棉GrFAD2.1推測(cè)可能是一個(gè)沒有功能的假基因；組織特異性表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn)，GrFAD2.2、GrFAD3.1、GrFAD8.2和GrDSD2在胚珠中表達(dá)量最高，尤其是G

8、rFAD2.2在胚珠中表達(dá)最為顯著，在其它組織中表達(dá)量較低，可以作為基因工程技術(shù)改善棉籽油品質(zhì)的候選基因；在低溫誘導(dǎo)下，雷蒙德氏棉膜結(jié)合FAD基因中7個(gè)基因顯著上調(diào)表達(dá)，而5個(gè)基因顯著下調(diào)表達(dá)，說明膜結(jié)合FAD基因確實(shí)參與棉株對(duì)低溫脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。
　?、葋喼廾弈そY(jié)合FAD基因家族的全基因組分析與比較。膜結(jié)合FAD基因家族在雷蒙德氏棉和亞洲棉基因組中的綜合比較分析發(fā)現(xiàn)：亞洲棉全基因組中共檢索到20個(gè)膜結(jié)合FAD基因，定位在12條染

9、色體上，比雷蒙德氏棉基因組多兩個(gè)FAD3基因，少一個(gè)FAD2基因；膜結(jié)合FAD基因家族在D基因組和A基因組中共發(fā)現(xiàn)18組直系同源基因，其中大部分直系同源基因基因結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是非常保守的；亞洲棉GaFAD3.2推測(cè)也可能是一個(gè)沒有功能的假基因；雷蒙德氏棉GrFAD2.2和亞洲棉GaFAD2.1在胚珠中特異性表達(dá)，推測(cè)是棉仁組分中亞油酸含量最高的主要原因；亞洲棉GaFAD3.3和GaSLD1在纖維中特異性表達(dá)，說明它們?cè)诶w維快速伸長(zhǎng)期可

10、能起著重要的調(diào)控作用；雷蒙德氏棉和亞洲棉膜結(jié)合FAD基因大部分直系同源基因在不同組織以及低溫誘導(dǎo)下的表達(dá)模式存在一定的差異，表明在進(jìn)化過程中它們的功能已經(jīng)開始分化。
　?、赏ㄟ^比較基因組學(xué)方法對(duì)兩個(gè)二倍體棉種中的CDPK和膜結(jié)合FAD基因家族進(jìn)行了綜合研究，顯示它們?cè)诿迣僦参镏邪l(fā)生了特異性擴(kuò)增，在棉花低溫脅迫下的應(yīng)答反應(yīng)中起著重要作用，且亞洲棉和雷蒙德氏棉大部分直系同源基因的功能已經(jīng)開始分化。這些研究結(jié)果將為深入研究棉屬植物低溫脅