鸭茅全基因组测序及开花分子机制研究

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xxc1990531
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鸭茅(Dactylis glomerata L.)是一种世界范围内广泛种植的多年生禾本科牧草,具有产量高,碳水化合物含量丰富,耐荫性和耐逆性强的特点,对世界温带地区以牧草为基础的畜牧业有十分重要的意义。由于基因组重复率和杂合度较高,目前仍没有关于鸭茅基因组的报道,严重制约了鸭茅分子育种和基因功能组学研究。鸭茅开花时间与其干草产量和质量紧密相关,但多年生禾本科牧草中开花调控分子机制研究较少。本研究采用三代+二代测序,结合辅助组装技术得到了1.78 Gb高质量二倍体鸭茅参考基因组。在此基础上,通过转录组和miRNAs测序揭示鸭茅开花关键时期转录水平和转录后水平的调控,并鉴定了调控鸭茅开花的候选基因。主要结果和发现如下:1.高质量鸭茅基因组图谱构建。通过三代测序技术结合二代数据纠错以及Hi-C,Bio Nano和10X Genomics辅助组装技术,得到1.78 Gb高质量的鸭茅参考基因组,编码40,088个基因;其contig N50为0.93 Mb,scaffold N50为6.08 Mb,super-scaffold N50为252.52 Mb,是第一个公布的冷季型牧草参考基因组。系统发育分析表明鸭茅与小麦族物种在17.5-27.6百万年前(Mya)存在共同的祖先种,并且在染色体进化上依然存在一定的保守性。对76个鸭茅亚种(品系)重测序分析表明北欧与东亚的鸭茅聚为一类,可能是因为古代中国‘丝绸之路’或其他贸易路线引起鸭茅的资源交流。此外,搭建了包含鸭茅注释信息,基因比对和转录组数据的在线信息平台(https://www.orchardgrassgenome.sicau.edu.cn)。以上鸭茅在线数据有助于挖掘重要农艺性状调控基因,促进鸭茅品种的遗传改良和功能遗传学研究,为阐明鸭茅开花分子机制奠定基础。2.基于RNA-seq揭示鸭茅开花关键时期的转录调控。对鸭茅开花期连续的转录组测序表明,春化期是鸭茅由营养生长向生殖生长转换的关键过渡期,春化后的长日照时期是鸭茅开花诱导的主要发生时期。对不同时期间的转录差异分析表明,4,689个差异表达基因(DEGs)在春化期出现显著上调,3,841个DEGs出现表达下调。同时,在孕穗期和抽穗期鉴定到12,969个DEGs,其中7,750个基因上调,5,219个基因下调。基因通路分析表明与生理节律、光周期、光合作用、异黄酮合成、糖和淀粉代谢的途径在不同发育时期差异显著。基因权重共表达网络分析表明与信号转导、逆境响应、细胞分化和植物激素的调控通路可能在不同时期存在内在联系。早花和晚花鸭茅的比较转录组分析表明50个开花相关基因存在表达差异,其中25个差异开花表达基因与光周期调控途径相关。综合QTL(Quantitative Trait Locus)和BSA(Bulked Segregant Analysis)数据鉴定出4个开花调控关键候选基因,包括3个MADS-box基因和1个FT-like基因。此外,鉴定到WRKY,NAC,AP2/EREBP,AUX/IAA,MADSbox,ABI3/VP1,b HLH和CCAAT等8个可能与春化和花芽发育相关转录因子家族。表达模式分析表明这些转录因子存在复杂的时间调控变异,揭示了不同转录因子家族相对独立的调控程序。进一步的研究可以为多年生禾本科植物生理节律和光周期对春化和开花调控提供线索。3.基于miRNAs的鸭茅开花期转录后调控研究。在转录组数据的基础上,结合不同时期的miRNAs表达数据对早花鸭茅开花关键期转录后调控进行分析。结果表明,早花鸭茅不同发育期中共鉴定到了69个差异表达miRNAs和3,846个DEGs。对差异表达miRNAs和DEGs出现的时期统计表明,春化期-春化后期差异表达miRNAs数量最多(27个),占差异表达miRNAs的39.13%;抽穗期-孕穗期DGEs数量最多(1,796个),占总DEGs的46.70%。表达模式分析表明,miR395,miR530,miR167,miR396,miR528,novel_42,novel_72,novel_107和novel_123在鸭茅春化期存在显著的表达趋势转变,反映了这些miRNAs对鸭茅春化的潜在调控。功能富集表明,春化期前后差异表达miRNAs的靶基因对春化响应主要涉及植物激素、跨膜转运和植物形态发生等过程。差异表达基因基因富集分析表明植物激素、逆境响应、能量代谢和信号转导等调控途径可能参与鸭茅由营养生长向生殖生长的过渡,其中BRI1,BZR1,VRN1,VIN3和FT可能通过miRNAs的间接调控在鸭茅春化期间起核心调控作用。本文基于全基因组测序绘制了鸭茅高质量基因组图谱,通过QTL和BSA鉴定到了调控鸭茅开花性状的关键区域和候选基因。在基因组提供高质量参考序列的基础上,通过连续的转录组测序数据研究了鸭茅不同开花关键时期在转录水平的差异。最后,结合转录组和miRNAs测序数据,揭示鸭茅转录后调控对春化及开花时间的调控作用。鸭茅高质量参考基因组的公布,为种质资源改良提供遗传基础,并可以为其他牧草基因组研究提供借鉴。
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