陆地棉XTH基因家族全基因组鉴定及纤维发育不同时期表达分析

摘要

棉花是重要的经济作物，棉纤维是天然纺织的主要原材料。在纤维细胞发育过程中，细胞壁成分和结构状况影响棉纤维品质。木葡聚糖是组成双子叶植物初生细胞壁最主要的半纤维素。木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶(xyloglucanendotr ansglycosylase/hydrolase，XTH)是一类具有木葡聚糖分子内转糖苷酶活性或水解木葡聚糖β-1，4糖苷键活性的酶，研究其在纤维发育过程中的功能具有重要意义。本研究基于陆地棉TM-1基因组数据库，根据XTH保守序列，从全基因组水平鉴定XTH基因家族成员，分析该基因家族的染色体分布和基因结构以及蛋白质的保守性、保守位点、系统发育及理化性质等，预测启动子顺式作用元件。结合课题组已有的多个不同纤维品质陆地棉品种纤维发育转录组数据，明确XTH基因家族成员在棉纤维发育过程中的表达模式，主要研究结果如下:
　　1.在陆地棉基因组中鉴定出72个XTH基因家族成员，分别命名为hXTH01-72，XTH基因家族成员在染色体上的并不是随机分布的，部分基因的串联可能导致了该基因家族的扩张。
　　2.72个XTHs含有共同的氨基酸残基，存在共同的三个保守基序，分布着多个保守性的氨基酸残基，部分保守性氨基酸残基组成XTH家族特有的保守性基序，且又存在差异，这些差异可能导致基因功能的分化。根据系统进化，72个XTHs可分为三个亚组，Ⅰ亚组包含24个XTHs，Ⅱ亚组包含28个XTHs，Ⅲ亚组包含20个XTHs。大多数XTH基因的外显子个数是3-4个，保守性较好，进化树相近分支具有相似的基因结构。
　　3.XTH基因家族成员蛋白分子量大都介于10.6～44.2kDa，理论等电点介于4.43～9.76，多数偏碱性，表现为亲水性，具有较高的脂溶性，蛋白质结构不稳定。大多数XTH蛋白被预测定位于细胞外。
　　4.XTH基因家族上游序列大部分包含启动子区域，存在多种与纤维发育、生物胁迫、非生物胁迫、光反应、激素调控相关的顺式作用元件，表明XTH基因家族功能的多样性。
　　5.基于纤维转录组中XTHs表达数据，基因表达可以分为纤维起始期高表达、伸长期高表达、次生壁加厚期高表达和全时期低表达4种模式。全时期低表达模式基因有23个，推测这些基因对纤维发育发挥作用较小。起始高表达模式基因有12个，推测其主要在纤维发育起始发挥作用。纤维伸长期高表达模式有30个，推测其在纤维伸长过程发挥作用。次生壁加厚期高表达模式基因有7个，可能主要参与次生壁加厚。纤维发育不同时期都存在优质陆地棉比一般陆地棉优势表达的基因，推断这些基因能够促进棉纤维伸长，这些基因的表达差异可能是引起优质棉品种比品质一般陆地棉品种纤维长的重要因素。
　　综上，本研究明确了陆地棉中72个XTH基因家族成员的基本信息，GhXTH20、GhXTH22、GhXTH36等基因在次生壁加厚期优势表达，GhXTH3、GhXTH12、GhXTH17等在伸长期和次生壁加厚期都优势表达，这些基因可能是引起优质棉品种比品质一般陆地棉品种纤维品质更好的重要基因。上述结果为研究陆地棉XTH基因家族在棉纤维发育中的功能奠定了重要基础。

目录

声明

摘要

本文所用缩略词及中文对照

1 引言

1．1 棉花进化

1．2 棉纤维细胞发育过程

1．3 XTH研究进展

1．4 棉纤维细胞与拟南芥表皮毛发育模式的研究进展

1．5 本研究的目的及意义

2．1．1 供试植物和转录组数据

2．2 试验方法

2．2．1 XTH基因家族序列搜索

2．2．2 染色体定位

2．2．3 XTH基因家族的系统进化和基因结构分析

2．2．4 XTHs同源基因分析

2．2．5 XTH序列比对及保守域分析

2．2．6 陆地棉和拟南芥XTHs的系统进化分析

2．2．7 陆地棉XTHs理化性质和亚细胞定位

2．2．8 启动子序列的生物信息学分析

2．2．9 XTH基因家族在棉纤维发育中的表达模式分析

3 结果与分析

3．1 陆地棉XTH基因家族的全基因组鉴定

3．2 陆地棉XTH基因家族的染色体定位

3．3 XTH基因家族的系统进化和基因结构分析

3．4 XTH基因家族同源基因分析

3．5 陆地棉XTH氨基酸序列保守域分析

3．6 陆地棉和拟南芥XTHs系统进化分析

3．7 陆地棉XTH基因家族的理化性质和亚细胞预测分析

3．8 XTHs上游顺式作用元件分析

3．9 XTH基因家族在优质陆地棉纤维发育过程中的表达模式分析

3．10 优质陆地棉优势表达基因分析

4 讨论

4．1 关于陆地棉XTH家族成员及其启动子的研究

4．2 XTHs促进棉纤维发育

4．3 进一步研究设想

5 结论

参考文献

在读期间发表论文

作者简历

致谢