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北京林业大学揭示了调控光合通路的遗传互作模

2019-11-03 10:35

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4166.com,张德强团队深度解析林木次生生长遗传调控机制

近日,北京林业大学高精尖中心张德强团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题“Genetic dissection of the gene coexpression network underlying photosynthesis inPopulus”的研究论文,揭示基因间的遗传互作在调控光合通路中具有重要作用。

近日,北京林业大学教授张德强研究团队依托林木分子设计育种高精尖创新中心与国家重点研发计划课题,以毛白杨群体为模式,采用转录组测序、基因组重测序、SNP检测等技术手段及关联作图策略,系统揭示了林木次生微管组织差异表达lncRNAs的全基因组分布模式与表达规律,发现lncRNA保守序列元件主要与“维管组织模式形成”、“植物细胞壁”和“木质部生长发育”等相关,可通过顺式或反式作用方式调控“碳水化合物合成”和“植物激素信号传导”相关的5352个编码蛋白基因。

该研究以木本模式植物—杨树为材料,通过对毛果杨和毛白杨15个不同胁迫或处理下的叶片组织转录组数据进行共表达分析,构建了包含30个蛋白编码基因、6个miRNAs和12个lncRNAs的杨树光合通路共表达网络,成功定位了PsbX1、Lhcb2和PsaF等光合通路关键基因。随后,基于全国毛白杨种质资源库基因组重测序数据,利用关联作图策略挖掘了与净光合速率、叶片生物量与Rubisco酶活等24个光合性状显著关联的75个SNPs,研究发现这些SNP主要来源于PsaF、PsbP和Lhcb4,多数以“一因多效”模式对不同光合性状具有复杂的加性与显性遗传效应。

据介绍,林木次生生长源于维管形成层,通过径向分裂向外形成次生韧皮部,向内形成次生木质部,即木材。因此,深度解析林木次生生长的遗传调控机制,为提高林木产量与品质,保障木材战略安全具有重要意义。然而,对于生命现象的重要遗传调控因子,如长链非编码RNAs在次生生长过程中的调控作用仍不明晰,林木群体基因组水平上解析lncRNA基因的等位遗传变异及其遗传效应尚属空白。

为进一步阐明共表达网络中非编码RNA与PEGs在控制光合性状变异中的遗传互作效应,利用上位性遗传效应分析及eQTNs作图的方法,从遗传调控及转录调控层面系统解析了PEGs、lncRNAs、miRNAs的互作效应对光合性状的表型变异的影响,表明基因间的遗传互作在调控光合通路中具有重要作用。

张德强研究团队的成果阐明了lncRNAs可通过“直接靶定”和“海绵效应”两种方式受到杨树miRNAs的调控,形成由miRNA介导的iRNA-lncRNA-mRNA联合调控网络。利用加性、显性及上位性效应联合作图模型,系统解析了lncRNA及其靶基因等位变异规律及其遗传效应,发现lncRNA及其靶基因内1163个SNPs位点与林木生长及木材品质形状显著关联,可解释表型变异的1.2%-29.3%。研究首次将多基因关联作图理论应用到lncRNAs及其靶基因遗传互作研究层面,为探究非编码RNA-靶基因遗传互作机制提供了新的研究理论与策略。

通过以上联合遗传学分析,作者发现PtoPsbX1是光合调控网络的一个节点基因。先前研究报导PsbX是光系统II复合物的一个亚基,可以与细胞色素b559连接,在拟南芥中对PsbX进行基因沉默,功能性光系统II复合物的积累降低了30-40%。在拟南芥中对PtoPsbX1进行异源表达,与野生型相比,PtoPsbX1过表达植株的光合效率与生物量显著提高,表明PtoPsbX1是光合通路中的一个重要调控因子。

据悉,该研究成果已于近日在线发表于国际著名遗传学杂志《DNA Research》上(影响因子为5.267)。生物学院在读博士生周大凌为论文第一作者,张德强教授为通讯作者,团队成员杜庆章、陈金辉和王情世参与了该研究的具体实验工作。

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