Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 野生大麦HvABCG31基因启动子序列差异及其环境适应性研究 | |
| 其他题名 | The promoter sequence variations of HvABCG31 and their environmental adaptation in wild barley (Hordeum vulgre spp. spontaneum) |
| 马小英 | |
| 出版年 | 2013 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 陈国雄 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 植物角质层是覆盖在植物地上部最表层的一种保护性结构，对生长在干旱环境中的植物特别重要。HvABCG31 基因在野生大麦Hordeum vulgare ssp. spontaneum抗旱性研究中发现，是一种ABC (ATP-binding cassette transporter)转运蛋白基因，对植物表面角质层形成有重要作用。野生大麦是栽培大麦的祖先种，适应性广，遗传多样性丰富，是栽培大麦进行遗传改良最重要的种质资源之一。本研究利用HvABCG31 基因的启动子序列，主要对野生大麦和栽培大麦品种的遗传多样性、系统发育关系以及基因表达对干旱胁迫的响应等进行了研究。野生大麦的研究材料来自于麦类作物自然遗传资源最丰富的以色列，在以色列南部和北部不同生境的五个自然野生大麦群体中随机选取研究样本112个，包括三个来自湿润生境和两个来自干旱生境的群体，自然生境的主要差异体现在年降雨量、土壤类型和土壤的持水能力上；栽培大麦的研究材料从日本冈山大学资源植物科学研究所大麦种子资源中心随机抽取30个栽培品种。主要研究结果如下：（1）以色列野生大麦群体的遗传多样性高，不同环境条件下的自然群体遗传特征不同。来自以色列南部干旱区的群体核苷酸多样性高，而来自以色列北部湿润区的群体单倍型多样性高。在实验中发现的22种不同单倍型中，其中20种为群体特有单倍型。在两个典型的南方干旱区群体中一共发现6个单倍型，单倍型和一致序列间的碱基差异比较大；在两个典型的北方湿润群体一共发现15个单倍型，他们和一致序列之间的差异相对较小。在来自南部干旱区的群体和来自北部但拥有干旱小生境的群体中可以检测到显著的选择压力，而在来自北方组水分条件好的群体中检测不到显著的选择压力。在所有的五个自然分布群体中，来自干旱和盐分胁迫最严重的死海地区，HvABCG31 基因启动子序列的单倍型多样性和核苷酸多样性最高。（2）对野生大麦HvABCG31 基因启动子序列的系统发育关系研究显示：来自南部干旱区群体的单倍型和来自北部湿润区群体的单倍型基本分布在系统发育树中不同的分支支系中。来自北部湿润区的三个群体中的绝大多数研究样本（69/71=97.2%）聚类在一起，并且在系统发育树中以很高的支持率分化为两个次级支系，次级支系和采样群体的土壤类型相关。在系统发育关系中，南方干旱组群体中单倍型间的遗传距离比较大，北方湿润组群体中单倍型间的遗传距离比较小。群体间不同单倍型间的系统发育关系与不同自然群体的主要生态因子差异吻合。（3）野生大麦HvABCG31 基因启动子序列中转录因子结合位点（TFBSs）分析表明：大约70%的转录因子结合位点出现在所有单倍型序列的保守区域，主要涉及的转录因子类型为赤霉素（GA）、单锌指结合蛋白（Dof）和光照；出现在序列非保守区域的转录因子结合位点占其总量的30%，主要涉及的类别是GA。出现在序列非保守区域的转录因子结合位点通常只是影响少数的单倍型和研究样本。本研究中，转录因子结合位点出现在序列非保守区域所涉及的研究样本共43个，其中绝大部分样本（41/43=95.3%）来自南方干旱组的群体中。（4）通过干旱胁迫处理HvABCG31 基因启动子序列差异明显的四个单倍型，对HvABCG31，Dehydrin 1（Dhn1），GA-Insensitive Dwarf 1 (GID1)基因在野生大麦根部的相对表达量进行了研究，其中Dhn1是干旱诱导表达的基因，GID1是与GA代谢途径相关的基因，这几个基因均与启动子序列中转录因子结合位点的差异有关。研究发现在不同的单倍型中，干旱胁迫处理均能上调HvABCG31 和Dhn1基因的相对表达量。在HvABCG31 启动子序列较长的基因型中，它们的表达量的上调幅度显著高于启动子序列较短的基因型。GID1基因只在来自湿润区群体、启动子序列较长的基因型中的表达量有一定的上调，在其余来自干旱区群体的基因型中，GID1的表达量均呈一定幅度的下调。（5）通过对30个栽培大麦品种HvABCG31 基因启动子序列的研究发现，栽培大麦的遗传多样性比野生大麦低，栽培品种的系统发育关系与品种来源国家的地理分布有一定的联系，地理分布来自东方国家和西方国家的栽培品种基本分别聚类不同的支系中。品种间的系统关系还很好地反应了大部分品种的穗轴易碎特征、大麦的皮裸性及棱数特征。比较分析栽培大麦单倍型和本研究中涉及的野生大麦单倍型间的系统发育关系发现：栽培大麦品种和以色列北部湿润地区的野生大麦群体系统发育关系较远。本研究通过对角质层相关基因HvABCG31 启动子序列的研究，揭示了来自不同生态环境中的自然野生大麦群体的遗传多样性特点，HvABCG31 启动子序列反映出群体间不同单倍型的系统发育关系与自然生态环境密切相关，HvABCG31 基因的表达对干旱胁迫有明显的响应，水分和土壤类型可能是野生大麦群体遗传格局形成的重要推动力。研究中的30个栽培大麦品种和来自北方湿润组的野生大麦群体系统发育关系较远，北方湿润区的野生大麦资源更有利于对栽培大麦进行遗传多样性扩展和遗传改良。 |
| 英文摘要 | The plant cuticle, covered on plants shoot outermost surfaces, is a protective structure.. HvABCG31 is an ABC (ATP-binding cassette transporter) transporter gene, involved in cuticle formation, newly identified in a drought-resistance study on wild barley (Hordeum vulgre spp. spontaneum). Hordeum vulgre spp. spontaneum, the progenitor of cultivated barley, harbored high genetic variations and wide adaptations. It is one of the most important genetic resources for barley improvement. The genetic diversity in wild and cultivated barley, phylogeny, and gene expression under drought stress were learned by the promoter sequences of HvABCG31 in current study. The wild barley were collected from Israel where harbors the highest genetic diversity in wild barley. 112 accessions were randomly selected from five natural populations extending from southern to northern Israel, including three mesic and two xeric habitats, differing in annual rainfall, soil type, and soil water capacity. 30 barley cultivars randomly selected from the barley germplasm center, Institute of plant science and resources, Okayama University. The major results are as following:(1) The genetic diversity differed in different populations growing in diverse natural environments. Higher nucleotide diversity occurred in south xeric populations and higher haplotype diversity occurred in north mesic populations. In all the 22 haplotypes, most of them (20 out of 22) were population-unique. The two southern arid populations included 6 haplotypes but they differed greatly from the consensus sequence at a large number of positions, while the two typical northern mesic populations included 15 haplotypes that were, on average, more similar to the consensus sequence. Significant evidence against neutrality (based on Tajima D test and Fu & Li's F* test) was found in two southern populations and one in the northern populations which harbored xeric habitats, while no significant deviations from neutrality were found in the other two northern populations. In all the five sampled populations, the highest haplotype and nucleotide diversity of HvABCG31 promoter region occurred in the population from Dead Sea area with highly heterogeneous and stressful habitats that include severe drought and salinity stresses. |
| 中文关键词 | 野生大麦 ; 栽培大麦 ; 启动子 ; 遗传多样性 ; 系统发育 ; 转录因子结合位点 |
| 英文关键词 | wild barlry cultivated barley promoter phylogenetic TFBSs |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 生态学 |
| 来源机构 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287179 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 马小英. 野生大麦HvABCG31基因启动子序列差异及其环境适应性研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
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