连翘不同种群的干旱适应性研究及与干旱相关基因FsTSP克隆

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物种对环境适应的遗传机制研究一直是分子生态学与进化生物学关注的热点问题。连翘(Forsythia suspensa,Oleaceae),木犀科植物,为暖温带落叶阔叶林群落中的优势种。本研究在同质园实验条件下观察不同连翘种群的生长状况,通过生理指标的变化和比较转录组学的手段鉴定了不同种群在干旱胁迫下的基因表达差异,并通过TA克隆的方法以进一步验证干旱相关FsTSP基因的表达。
  1.在同质园实验条件下,四个野生种群连翘经过相同时间相同环境的培养,表型上发生了不同程度的差异分化,与叶片相关的表型性状发生的分化最为明显,叶片的数量与株高有显著的关联性。我们还发现HBWZ种群在形态上明显较其他种群发育更好,主成分分布上也与SXHM、SXLJ和SXWL有明显的差异。通过在相同胁迫条件下不同连翘种群的生理指标反应,发现虽是相同物种,但不同的种群经过适应性进化,针对当地的气候条件形成了各自的生理反应机制。
  2.在我们的研究中,采用同质园实验的方法,比较不同种群对相同干旱胁迫条件的基因表达差异,实验结果证实,即使在相同的非生物胁迫条件下,不同的种群也会存在基因表达剂量的差异。HBWZ连翘种群基因表达明显不同于其他三个种群,从地理位置上看,HBWZ与其余三个地方纬度明显不同,且地理距离较远,但PCA结果分析发现干旱胁迫下种群之间的地理距离与差异表达基因之间没有相关性(r=0.542,P>0.05),而是由于遗传背景造成的。研究认为连翘的不同种群在进化过程中与黄酮类物质和芳香物质的合成、氧化还原过程、芳香族氨基酸的合成和跨膜转运等相关的基因出现了表达分化,这种分化可能是不同种群在不同强度的干旱胁迫条件下进化所导致的。我们的研究提出植物的芳香物质可能与其耐早性相关的观点,这也是之前的研究没有发现的。通过对以前的研究重新分析发现连翘不同种群在芳香物质合成相关的基因还发生了序列分化。本研究支持假说:在物种应对地理空间异质环境因子进行本地适应的过程中,不同种群同时发生了基因效能和基因表达剂量的双重分化。本研究提出了连翘种群在应对不同强度干旱胁迫条件下进化出的工作模型,为理解非模式物种的本地适应的遗传机制提供了新的见解。
  3.我们运用实时荧光定量PCR技术验证转录组数据是否可靠,通过Pearson相关系数算法计算得出RNA-seq与qRT-PCR数据之间的相关性为显著正相关(r=0.972,P<0.001),由此证实我们的转录组数据具有可靠性。
  4.通过TA克隆的方法,我们得到与连翘抗旱相关的富集通路中的基因,该基因在干旱前后表达量有明显的上升,我们将该基因命名为FsTSP,NCBI登录号为WIPI01001023。FsTSP基因为萜烯环化酶家族蛋白基因。基因cDNA全长1215bp,共编码404个氨基酸,分子量为47.31kDa,等电点为5.18,编码的蛋白为稳定蛋白,具有很高的亲水性。
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