达尔文氏棉耐盐基因资源的挖掘与分析

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盐胁迫是影响棉花幼苗生长、产量和品质的重要因素。长期人工选择和驯化,导致陆地棉品种的遗传基础狭窄,因此更多的科学家试投通过遗传重组将野生棉种的优异基因导入栽培品种中,以拓宽栽培棉种的遗传基础。本研究旨在挖掘和分析四倍体野生种达尔文氏棉耐盐的基因源。实验材料是达尔文氏棉07(AD507),利用陆地棉品种中棉所12(CCRI12)为参照材料。在研究果糖1,6-二磷酸醛缩酶(FBA)基因家族的功能和表达模式时,利用陆地棉(TM-1)、亚洲棉(石系亚1号)和雷蒙德氏棉(雷蒙德氏棉07)等3个棉种的全基因组测序数据,分析得到37个FBA基因(其中陆地棉19个,亚洲棉和雷蒙德氏棉各9个)。根据蛋白质结构域和系统发育分析,将FBA基因分为I和II两类。基因结构和基序的分析表明,多数FBA基因的内含子分布不均匀。据该基因家族的共线性区域分析,发现31个重复基因,分为3种类型:片段型、串联型和分散型。片段型占多数FBA基因,较为保守,这可能是FBA基因在棉花中扩增的原因。GO分析结果表明,FBA基因参与了液泡分隔、糖酵解和锌离子结合等一系列生物学过程。在AD507和中棉所12盐胁迫下进行的表达分析中,达尔文氏棉中多数I类基因上调表达,说明达尔文氏棉耐盐性明显强于参照材料中棉所12。
  用同样3个棉种全基因组序列鉴定了Pkinase基因家族,共发现151个基因具有Pkinase保守结构域,分为13个亚家族。基因结构分析表明,陆地棉(TM-1)多数Pkinase基因及其外显子高度保守。共线性分析表明,陆地棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉之间存在99个重复基因,而多数基因以片段性方式复制。AD507和中棉所12进行的表达模式分析,Pkinase基因家族在盐胁迫诱导下达尔文氏棉比陆地棉(中棉所12)具有更高的表达水平。基于RNA序列分析和RT-qPCR验证,推测受转录因子和miRNA调控的Pkinase基因家族可能在盐胁迫耐受性中起关键作用。这些发现为棉花在盐胁迫下FBA和Pkinase基因家族结构和功能提供了全面的信息,为培育耐盐优良棉花品种奠定了基因源基础。
  利用耐盐的达尔文氏棉07和盐敏感的中棉所12为亲本构建的一个BC2F2群体,筛选和鉴定了耐盐基因源。基于BSA分析,共鉴定出4个显著关联基因组区域,第1个位于19号染色体上(1.86Mb),第2、3个位于26号染色体上(1.06Mb和1.94Mb),第4个位于08号染色体上(1.41Mb)。Bulk01和Bulk02的BSA测序数据分别与达尔文氏棉和陆地棉基因组进行比对,鉴定出20,664,007个SNP/indel。筛选后,在候选区域得到6573个多态性标记。计算抗性和敏感性样品的SNP index以及ΔSNP index用于鉴定候选基因组区域。通过qRT-PCR分析了5个候选基因的表达模式,进一步验证了耐盐性达尔文氏棉中的两个高度上调的基因(ID号的GOBAR_DD13798和GOBAR_AA08552同源基因),在陆地棉中表现出与其相反的表达模式。采用200mml的NaCl鉴定达尔文氏棉(AD507)和陆地棉(中棉所12),证实了这两个可能是耐盐的,而且AD507的耐盐性强于中棉所12。
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