【摘 要】
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花楸树(Sorbus pohuashanensis(Hance)Hedl.),又名百花花楸,是一种集叶、花、果为一体的乡土景观树种,具有极高的园林及生态价值,分布于西北、华北以及东北的广大地区,生于海拔800-2200米坡地或山谷林中。由于发掘力度不够,花楸属种间以及花楸树种群间的进化关系未曾揭示,花楸树引种到低海拔地区叶片出现“日灼”的原因尚未解析。本研究基于全基因组测序技术组装了染色体水平的花
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花楸树(Sorbus pohuashanensis(Hance)Hedl.),又名百花花楸,是一种集叶、花、果为一体的乡土景观树种,具有极高的园林及生态价值,分布于西北、华北以及东北的广大地区,生于海拔800-2200米坡地或山谷林中。由于发掘力度不够,花楸属种间以及花楸树种群间的进化关系未曾揭示,花楸树引种到低海拔地区叶片出现“日灼”的原因尚未解析。本研究基于全基因组测序技术组装了染色体水平的花楸树基因组,并利用重测序技术探究花楸属不同物种以及花楸树不同种群的遗传和进化关系,并依托自然高温胁迫下花楸树的生理生化指标数据,结合转录组技术探究了参与花楸树叶片“日灼”现象调控的关键基因和核心通路,主要获得以下研究结果:(1)使用Pac Bio三代测序和Hi-C技术组装了染色体水平的花楸树基因组,基于新的参考基因组,对花楸属22个样品进行了重测序,根据系统发育和PCA分析将其分为G1和G2组,聚类结果与叶形分类高度一致,分别为单叶(G1)和复叶(G2);核苷酸多样性(π)分析表明,G1比G2具有更高的核苷酸多样性,且G2起源于G1;基于SNP分析,发现一个花楸属新变异株R21是由花楸属单叶物种和复叶物种自然杂交产生的;在进化过程中,参与光合作用途径的基因家族扩张,参与能量消耗的基因家族收缩。(2)在夏季高温天气,分别对露天和遮阴条件生长的花楸树、露天条件生长的‘太阳神’花楸进行光合参数测定,比较其光合日变化特性,发现花楸树与‘太阳神’花楸的日变化曲线均为双峰型,‘太阳神’花楸拥有比花楸树更高的净光合速率;胞间CO2浓度均表现为早晚高、中午低的特征,但其整体变化趋势略有差异;蒸腾速率的日变化趋势与净光合速率日变化趋势相同,均呈现双峰型;气孔导度的日变化呈现双峰型。(3)对自然高温胁迫处理后的花楸树叶片进行生理生化指标测定发现,随着胁迫时间的增加,丙二醛含量呈现上升趋势,表明细胞膜在胁迫后受到了一定伤害;可溶性蛋白含量无显著差异,可溶性糖呈现上升趋势,表明渗透调节物质在细胞膜受到伤害时起到一定作用,维持细胞的渗透平衡;SOD、POD、CAT活性均在胁迫后期显著降低,表明活性氧已经积累。但除CAT之外,POD和SOD活性在胁迫前期表现为上升趋势,对活性氧清除起到一定的作用。(4)对自然高温胁迫下的花楸树叶片进行转录组测序分析,鉴定了182个参与调控花楸树叶片“日灼”现象的差异表达基因,发现类黄酮生物合成和HSP-HSF途径对防止花楸树叶片“日灼”现象的形成中发挥重要作用。(5)基于生物信息学的方法,依据拟南芥、毛果杨、苹果和白梨同源序列比对及系统发育进化关系,共鉴定出33个花楸树热激转录因子,进而将其分为A、B、C三大类;基因结构及保守基序分析表明,同一类成员间存在高度保守性;共线性分析发现,染色体片段复制在花楸树Hsf基因家族扩张中起到重要作用;此外,研究发现Sp Hsfs启动子区有大量与生长发育、激素响应和胁迫相关的顺式作用元件;通过q RT-PCR探究花楸树Sp Hsfs响应非生物胁迫下和组织特异性的表达谱,结果表明这些基因与高温、干旱、盐胁迫及生长发育过程密切相关。本研究首次利用Pac Bio三代测序和Hi-C技术组装了染色体水平的花楸树基因组,并利用重测序技术揭示了花楸属不同物种以及花楸树不同种群的遗传和进化关系,结合转录组技术探究了参与花楸树叶片“日灼”现象调控的关键基因和核心通路,为花楸属植物基因组的进化提供了新的见解。这些基因组资源和已鉴定的基因信息,特别是与逆境胁迫相关的基因资源,将有助于未来花楸树的育种与引种驯化研究。
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