印度南瓜GH3家族全基因组鉴定及其对冷和激素胁迫的响应模式

作     者：段鹏飞 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李凤梅

授予年度：2021年

学科分类：09[农学] 0902[农学-园艺学] 090202[农学-蔬菜学] 

主      题：印度南瓜 Gretchen Hagen3 全基因组鉴定 表达模式 冷胁迫 候选基因 

摘      要：Gretchen Hagen 3（GH3）家族基因作为生长素快速应答基因之一,其家族成员在对激素稳态的维持以及生物/非生物胁迫的快速响应方面发挥着重要的作用。该家族基因在一些单子叶植物:水稻（Oryza sativa）,玉米（Zea Mays）;双子叶植物:拟南芥（Arabidopsis thaliana）,猕猴桃（Actinidia chinensis）中都已经被鉴定。然而,印度南瓜GH3基因家族的系统鉴定一直没有报道。本研究在印度南瓜基因组数据库中共鉴定出14个GH3基因,分别分布于10条染色体上。所有鉴定的家族基因依据其基因结构和保守基序分为三个亚家族,而第二亚家族又可分为三类。基因组内的共线性分析结果显示,片段复制事件（57.1%）在家族基因进化扩增的过程中起主要的推动力。Ka/Ks分析结果表明,同源基因在物种进化过程中受到纯化选择,推测家族基因发生复制事件的时间在13.19到31.92百万年前。因此,印度南瓜在进化过程中所经历的异源四倍化事件是其产生家族基因较多的主要原因。系统发育分析表明,14个CmaGH3基因中共有2对旁系同源基因（CmaGH3-1/CmaGH3-8、CmaGH3-7/CmaGH3-13）,2对直系同源基因（At GH3-10/CmaGH3-14、At GH3-9/CmaGH3-2）。种间共线性分析表明印度南瓜基因组与玉米,拟南芥和猕猴桃基因组的共线性区块分别有142,817,1043个。CmaGH3与其他物种（玉米,拟南芥和猕猴桃）GH3具有共线性关系的基因个数分别为2,9,9。CmaGH3-7,CmaGH3-10和CmaGH3-13在拟南芥和猕猴桃中都具有两个直系同源基因。这些基因在印度南瓜GH3家族基因的进化过程中起着关键作用。顺式作用元件分析表明,CmaGH3-5和CmaGH3-10基因的启动子区域包含着大量的参与生物/非生物胁迫响应顺式作用元件（LTR,ABRE,CGTCA-motif,TGACG-motif,TC-rich repeats和MBS）,因此,这两个基因在印度南瓜抵御胁迫响应（冷胁迫）中的作用机制有待进一步阐明。对CmaGH3家族基因的组织差异表达进行分析,CmaGH3-6在根,茎和叶中的表达量均处于较高水平,CmaGH3-9和CmaGH3-11在所有组织中均未检测到,其余基因在不同组织间表达呈现多样性。冷胁迫处理后CmaGH3基因在两个自交系品种（冷耐受植株:Cma 7,冷敏感植株:Cma 14）中的时序性表达结果分析表明,CmaGH3-10作为潜在的冷胁迫响应基因,在印度南瓜抵御冷胁迫刺激的信号转导通路中可能发挥着关键的作用。植物激素胁迫处理后,CmaGH3-12为生长素早期响应基因,而CmaGH3-1,CmaGH3-9,CmaGH3-10属于生长素后期响应基因。CmaGH3-4和CmaGH3-10基因可能参与ABA依赖型信号转导通路,从而增强Cma 7植株的耐寒性。CmaGH3-2可能在GA响应或信号转导中发挥着重要的作用。通过对CmaGH3-10基因的2514 bp扩增片段进行单核苷酸多态性分析,发现CmaGH3-10含有16个SNP位点,SNP与植物冷胁迫耐受性的关联性分析后最终确定了5个SNP位点,均与印度南瓜的耐寒性显著相关（P0.001）。g.530TC位于内含子区域,g.1061 AC,g.2024 CT和g.2200 CT发生在外显子区域,g.2280*16 i/T发生在3’UTR区域。除SNP g.2200 CT（Ala-Val）为非同义突变外,其余均为同义突变。总的来说,这些结果使我们对印度南瓜GH3家族基因的结构和功能有了初步的了解。CmaGH3-10可作为印度南瓜冷胁迫响应的候选基因,运用于分子标记辅助育种中加快冷耐受植株的育种进程,提高育种效率。