金针菇的遗传多样性、个体发育与热胁迫响应的转录组研究

	金针菇的遗传多样性、个体发育与热胁迫响应的转录组研究
	刘晓斌
导师	杨祝良
学位专业	植物学
关键词	金针菇种质资源非生物胁迫基因共表达网络食用菌
摘要	金针菇(Flammulina filiformis)具有重要食用价值，在东亚地区备受喜爱。我国虽已成为世界上最大的金针菇生产国，但目前工厂化栽培所用的菌种均从日本进口，我国还尚无具有国际竞争力的当家品种。此外，由于金针菇宜低温出菇，工厂化栽培需要控制较低的出菇温度，生产过程耗能较多、生产成本较高。此两方面问题在我国金针菇产业发展中长期以来未能得到解决。其主要原因之一在于我国对金针菇菌种相关的基础性问题研究不足，对我国金针菇种质资源多样性认识不深，对金针菇个体发育过程中相关的分子基础了解不够。我国幅员辽阔，野生金针菇菌株自东北至西南均有分布，特别是分布于南方地区的野生菌株在夏季也能出菇。为什么有的菌株耐热？其热胁迫响应的分子基础是什么？本研究利用在我国各地广泛收集到的124株栽培和野生菌株，研究了我国金针菇的种质资源多样性，基于形态学和转录组学，研究了金针菇的个体发育和热胁迫响应机理，为选育具有优异农艺性状的金针菇品种奠定理论基础。主要结果如下：1. 中国金针菇种质资源多样性作者基于已有金针菇基因组序列，开发了25个具有较高多态性的SSR位点，并在124个菌株中进行扩增。基于对扩增出的条带进行分析，发现我国金针菇品种名较为混乱（53%的栽培菌株存在品种名混乱的现象），为栽培菌株构建起了分子指纹；发现我国野生菌株具有较高的遗传多样性，并具有独特的地理遗传结构，证明野生菌株中蕴含着宝贵的基因库，对栽培菌株改良具有潜在重要价值；揭示了我国金针菇的育种历史，我国工厂化栽培的白色菌株中包含3种具有不同遗传背景的菌株，它们先后引进自日本。我国首个黄色金针菇栽培品种由采自东南部的野生菌株驯化而来，并曾与日本引进的白色菌株进行过杂交。在后续的育种中，其它部分黄色菌株之间又进行过杂交。为加速新品种选育，并有效保护金针菇种质资源，本研究构建了我国金针菇核心种质库（其中包含32个菌株）。对核心种质库中的部分菌株在不同温度梯度下栽培，发现于我国福建采集并经驯化后的黄色品种明金1号（M1）在24°C下仍可长出较多子实体，具有较强耐热性，是进行热胁迫响应研究的理想材料。此外，作者在云南龙陵采集到的菌株F98在18°C下具有较好长势，是理想的驯化为耐热菌株的材料。2. 金针菇个体发育及其相关主要基因对金针菇个体发育各个时期的材料进行了细致的形态学观察，提出其子实体的发育可划分为菌丝体阶段、菌丝体聚集阶段、原基阶段、菌柄伸长期阶段和子实体成熟阶段。对各发育阶段的主要特征绘制了墨线图，提出了对不同发育阶段的形态学界定标准。之后，选取各发育阶段的样品（菌丝体、原基、伸长期菌盖、伸长期菌柄、成熟期菌盖和成熟期菌柄）进行了转录组测序。基于比较转录组和权重基因共表达网络分析（Weighted gene co-expression network analysis, WGCNA），揭示了与各发育阶段相关的基因及其生物学功能，其中主要包括参与到信号转导、形态建成、物质转运和有性生殖等过程相关的基因。发现与原基和菌盖发育阶段相关的基因数目较多，其中，调控原基发育的基因主要包括疏水蛋白基因、蓝光响应基因和水通道蛋白等基因。此外，包含“bZIP转录因子结构域”、“无名指结构域（Ring finger domain）”和“锌指双结构域（Zinc-finger double domain）”的转录因子在原基分化过程中可能起到重要调控作用。在伸长期菌盖中，检测到大量核糖体基因在该阶段特异性表达，由于该阶段子实层细胞尚未分化完成，因此它们可能参与到促进子实层细胞分化过程中。在成熟菌盖中，检测到在构巢曲霉Aspergillus nidulans中调控子囊壳和孢子形成的基因Stea和调控孢子形成的基因Samb发生显著上调表达。本研究发现，这两个基因在担子菌、子囊菌和接合菌中均具有同源性，其中，Stea基因含有锌指C2H2（Zinc finger G2H2）类型结构域，Samb基因含有和MYND指（MYND finger）类型结构域，锌指C2H2（Zinc finger G2H2）类型结构域在不同类群真菌中变异较大，而MYND指（MYND finger）类型结构域在不同真菌类群中则较为保守。因此，Stea基因可能参与不同真菌类群产孢结构的形成过程，而Samb基因可能为调控不同真菌类群孢子产生的上游调控基因。这两个基因是今后深入研究真菌孢子形成机理需要重点关注的基因。3. 金针菇的热胁迫响应选取耐热型菌株M1和工厂化栽培所用的白色菌株XR分别放置在10°C和18°C下进行培养，并取它们于10°C和18°C下生长的原基、菌柄伸长期和成熟期子实体进行转录组测序。经比较转录组和权重基因共表达网络分析，作者发现菌株M1较菌株XR响应热胁迫更为灵敏，且响应热胁迫的策略更为多样。于菌株M1而言，在原基阶段于18°C下显著上调表达的热激蛋白70（Hsp70）和热激蛋白90（Hsp90）基因有效保护了其在该阶段发育所必须的蛋白质的正常合成，从而使其能够快速适应热胁迫。在菌柄伸长期阶段，其响应热胁迫的基因数目较少，但在与该阶段显著相关的基因模块中的一个核心基因Gr-rbp4较为值得关注，该基因在非生物胁迫下于植物增殖较为活跃的组织中表达量较高。作者推测该基因可在菌株M1受到热胁迫时保护其快速生长。在成熟期，菌株M1调动的热胁迫响应基因数目最多。其中，Krp1、Pde2和Bola1基因可能与保护其担孢子形成直接相关。于菌株XR而言，其原基在18°C下所具有的热胁迫响应基因数目较少，由于该阶段对热胁迫响应较为迟钝，因此在菌柄伸长期阶段具有较多的热胁迫响应基因，其中包括两个调控海藻糖形成的基因Pgmb和Sck1。此外，在该阶段上调表达的DNA损伤修复基因Rad18在菌株M1于18°C下生长的各阶段均表现出上调表达的模式。因此，该基因是金针菇在热胁迫下正常生长的一个较为重要的基因。菌株XR在子实体成熟阶段所包含的热胁迫响应基因较少，与菌株M1相比，其在热胁迫下保护担孢子正常形成的能力较弱。
	2019-06
学位授予单位	中国科学院昆明植物研究所
学位名称	博士
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/74015
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	刘晓斌. 金针菇的遗传多样性、个体发育与热胁迫响应的转录组研究[D]. 中国科学院昆明植物研究所,2019.

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刘晓斌毕业论文_final_201905（8103KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-ND	请求全文