美洲黑杨多性状综合评价及不同生长速率无性系转录组差异分析
作者单位：山东农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：董玉峰;王延平
授予年度：2022年
摘 要：杨树（Populus spp.）速生性强、材质好、抗性强、适应性广,已成为我国重要的速生工业用材林树种。其中美洲黑杨（Populus deltoides）是杨树良种选育的主要亲本来源,在杨树高产人工林培育中占据不可替代的位置。对不同立地环境无性系进行多性状综合评价及选择,解析不同生长速率无性系的形成和调控机制,对杨树遗传改良和选择育种具有重要意义。本研究利用38个美洲黑杨无性系在日照、单县和博兴分别营造区域化试验林,对各无性系1年生、2年生和5年生生长性状、形质性状和抗病虫性进行遗传变异分析、相关性分析、综合评价和区域化分析,为不同试验区域选育优良无性系;并进一步对3个生长速率具有显著差异的无性系形成层进行转录组测序,探究控制杨树速生的调控机制和关键基因。主要研究结果如下:（1）三地点1年生、2年生和5年生美洲黑杨无性系生长性状表型变异系数和遗传变异系数分别为8.8%～73.6%、4.5%～33.7%,整体上看,均为材积最大,胸径次之,树高最小;各性状重复力为0.40～0.96,其中树高最大,材积次之,胸径最小。生长性状与形质性状地点间、无性系间、无性系与地点间交互效应均差异显著或极显著。整体上看,生长性状与分枝数、枝叶密度、落叶早晚、尖削度和干形均存在正相关,与分枝角、分枝粗和树皮裂度均存在负相关。以上结果表明,美洲黑杨无性系具有丰富的遗传变异,性状表现主要受遗传因素影响,生长性状与形质性状间存在较强的相关性,从中筛选的优良无性系可稳定遗传。（2）联合隶属函数法和主成分分析法分别对三地点5年生无性系生长性状、形质性状进行综合评价,并结合各无性系抗病虫性进行优良无性系选择。日照前三名各性状表现较好的无性系为5143、862、13-16,单县前三名各性状表现较好的无性系为862、5143、9253,博兴前三名各性状表现较好的无性系为4156、294、21-11,2158、7132和4135在3个地点中均表现较好,可筛选为优良无性系。GGE双标图中树高较胸径分析结果更为可靠,2158、4135、7132无性系高产性及稳定性均较强;单县区分力和代表性最好,最适宜作为美洲黑杨无性系的试验地点。（3）不同生长速率的3个对比组（4156 vs 862、I-107 vs 4156、I-107 vs 862）差异基因数分别为4753、3766、2696,差异基因GO、COG和KEGG功能分析主要富集在转录调控、蛋白质翻译及修饰、细胞分裂与伸长、次生细胞壁合成、信号转导、碳水化合物代谢和能量转换等生物过程,表明生长速率较高的无性系形成层组织细胞活动、物质运输及代谢活动更为剧烈。（4）I-107 vs 4156、I-107 vs 862、4156 vs 862对比组转录因子数占比对到注释文件的差异基因数的比例分别5.33%、5.57%、6.04%;I-107 vs 4156、I-107 vs 862对比组转录因子主要参与调控细胞分化、植物激素合成及信号转导、光形态构建及信号响应、气孔运动调节、植物器官发育调控,4156 vs 862对比组转录因子主要参与调控细胞分裂及分化、植物激素合成及信号转导、形成层、韧皮部及木质部组织发生。（5）3个对比组共有差异基因中,有18个基因均上调表达,主要参与催化活性、信号转导、碳水化合物运输和代谢等;14个基因均下调表达,主要参与RNA加工及修饰、信号转导、植物防御反应以及次生代谢物的合成、运输和分解等。I-107 vs 4156、I-107 vs 862对比组中24个差异基因特异性上调表达,33个差异基因特异性下调表达,表明生长速率最大的欧美杨I-107（Populusxeuramericana?Neva?）与较小的美洲黑杨4156（P.deltoides?4156?）、862（P.deltoides?862?）的转录调控机制可能存在一定的差异。进一步对共有差异基因分析发现,杨树可能通过调控细胞周期、叶片形态及衰老、激素合成及响应、植物细胞壁化学物质合成、生长阶段转变和应对生物胁迫及非生物胁迫的响应影响其生长速率。综上所述,本研究通过对5年生美洲黑杨无性系进行多性状综合评价,筛选出了高产性和稳定性均较强的无性系2158、7132和4135。不同生长速率的杨树无性系在调控细胞周期、叶片衰老、激素合成及响应、细胞壁化学物质合成和生长阶段转变等过程存在一定差异。这些研究可为杨树遗传改良和选择育种提高参考。
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