光合作用是几乎一切生命生存发展的物质基础,是地球上最重要的化学反应之一。绿色植物通过光合作用,为植物、动物、微生物及人类等生命活动提供能量,可以说没有光合作用就没有形形色色的生命。光合作用受制于许多生物、非生物的限制,其光合速率往往远远小于最大光合速率,且近些年生态环境恶化,如干旱、高温、盐碱等自然灾害频发,严重制约了光合作用,对作物产量、木材产量与质量造成了极大破坏。因此,提高光合速率,探究光合作用调控机制,为提高植物应对气候变化、逆境胁迫能力提供理论指导。研究表明,转录因子(Transcription factor,TF)在光合作用调控中扮演了重要角色,而杨树转录因子对光合基因的调控网络、转录因子与光合基因内的遗传变异对光合性状的遗传效应尚不清楚。因此,本论文以我国重要用材与绿化树种毛白杨(Populus tomentosa Carr.)种质资源群体为研究材料,在毛白杨全基因组中鉴定光合通路基因,并利用生物信息学方法,对转录因子调控光合基因的多层级基因调控网络进行探索,结合435株毛白杨高通量转录组测序、基因组重测序、代谢组测序等技术,综合利用关联遗传学策略,深入剖析转录因子及光合基因的遗传变异对光合性状的遗传效应,系统解析转录因子对光合作用的遗传调控。主要研究内容与结果如下:1.对435株毛白杨23个光合相关性状,包括5个光合生理性状,8个叶片形态性状和10个光合酶活性状的变异进行检测,发现平均变异程度由大到小依次为:光合酶活性状>光合生理性状>叶片形态性状。对表型性状分布模式检测发现8个表型性状表现为正态分布,Log转换后,9个表型性状可转变为正态分布,而剩余的6个性状则可通过Jonson变换、SPSS软件的正态变换功能转换为正态分布,基本表现出连续数量性状特点,表明这些光合性状或直接或经转换后可用于关联遗传解析。进一步对性状的表型相关与遗传相关进行检测,共鉴定到69对表型相关、66对遗传相关,且表型相关与遗传相关具有较强的相关性(r=0.87,P=0.002),表明光合性状可由遗传因子调控。相同类别的性状之间生物学过程更紧密,更倾向于具有相关性(Kolmogorov-Smirnov检验,P=8.07×10-7),且对正相关性来说,相同类别的性状之间具有更大的相关性,而负相关性并未检测到明显差异。2.依据公共数据库中已知信息,在毛白杨基因组中鉴定到146个光合基因,其中96个参与光反应通路,52个参与碳同化通路,对其在毛白杨顶点、叶柄、扩展叶、未成熟叶、成熟叶、树皮、形成层、韧皮部、未成熟木质部、成熟木质部及根等1 1个器官与组织中的表达模式进行检测,发现这些基因主要在成熟叶片和扩展叶片中高丰度表达,表明其主要在叶片中发挥功能。利用毛白杨群体重测序数据,共检测到17,051 个 SNPs,其中常见 SNPs(Common SNPs)为 12,426 个(MAF≥0.05,missing≤20%),核苷酸多态性与连锁不平衡水平较低,且在4,174 bp距离,r2可衰退至0.2,表明基于候选基因的关联作图是可行的。3.对96个光反应基因的顺式作用元件(motif)进行检测,共发现118个motifs存在于80%基因的启动子区,主要涉及光响应、逆境胁迫、光敏色素响应等。源于27个转录因子家族的346个TFs可与以上motifs结合,利用逆向消除随机森林(The backward elimination random forest,BWERF)方法构建了转录因子调控光合基因的3层基因调控网络(Gene regulatory network,GRN),包括64个光合基因和54个TFs,组成404对基因调控对。单标记关联分析检测到来自于88个基因内的304个SNPs与12个光合相关性状关联(P≤ 1X10-4),平均可解释表型变异的18.82%。大部分显著SNPs位于基因的非编码区,其中内含子区域最多,占显著位点的32.57%,启动子区域次之(29.93%),推测非编码区或许由于其对基因转录的调控作用,来影响表型性状。另外,发现119个SNPs来自于34个TFs,表明这34个TFs内的遗传变异对光合性状具有普遍影响,且26个TFs与其下游35个靶基因同时关联相同表型性状,表明转录因子与其靶基因或许通过相同的遗传机制共同影响表型性状。对转录因子和光反应基因间的上位性互作模式进行检测,共发现95个基因内的440个SNPs与13个光合性状组成770个SNP-SNP上位性组合对,平均解释表型变异的0.31%。发现显著上位性互作绝大部分发生在非显著SNPs之间,表明上位性可更有效检测微小效应位点,并且检测到的上位性主要发生在不同家族的基因之间(95.59%),表明上位性可用来检测通路基因之间的互作效应,且有助于理解生物通路和遗传稳态机制。具有上位性的基因中有38个TFs,且发现2个TFs可同时作为Ci,Pn,Trmmol和LWC的关键基因,表明转录因子可通过与光合基因的上位性互作影响光合性状,研究结果为转录因子与光合基因的调控网络提供了遗传层面的证据。eQTL分析发现138个基因内的175个SNPs与104个eGenes组成2830对显著关联,942对来自于转录因子与其潜在靶基因之间,进一步表明转录因子可对光合基因具有重要的调控作用,研究为TF对光反应基因的调控提供了重要理论依据。4.对毛白杨光合碳同化通路52个基因启动子区分析发现706个motifs,326个潜在转录因子与其相互作用。BWERF方法鉴定到40个TFs调控了 46个碳同化基因,组成了一个3层基因调控网络,每层包括46个光合基因(第一层),25个TFs(第二层),15个TFs(第三层)。单标记关联分析鉴定到72个基因内的248个SNPs与11个光合性状显著关联。GRN中的201对基因调控对中,77个TFs-target调控对与相同表型性状关联,表明这些转录因子与其靶基因可能通过相同机制影响表型性状。eQTL分析鉴定到50个eGenes内的1,851个eQTLs关联信号,并且发现7个TFs内的14个eQTLs与其下游靶基因的表达性状关联,其中7个TF-target调控对与相同表型性状关联。构建的杨树光合基因调控网络,为深入解析杨树光合作用机制提供了新思路。5.本论文选取GRN中被关联分析、上位性、eQTL作图鉴定的调控对作为关键候选因子,共鉴定到63个TFs和81个光合基因,基因不同组织的表达相关性鉴定到41个TFs与60个光合基因共表达。利用代谢组数据对鉴定到的41个TFs、60个光合基因进行验证,共鉴定到82个基因内的1705个SNPs与3个光合代谢性状关联,平均解释表型变异11.58%,其中33个为转录因子,表明本论文鉴定的转录因子,大部分可对光合代谢性状产生影响,进一步验证了转录因子参与光合调控过程。本论文为转录因子对光合基因的调控、转录因子参与林木光合性状遗传调控的研究提供了新的思路,为转录因子参与林木光合改良的分子辅助育种提供了重要的理论依据。