应用基因共表达网络探究羽毛针禾的荒漠适应性分子机制

Stipagrosits pennata is an excellent sand-fixing pioneer plant with features resistant to drought, cold and erosion. It has adapted to live on the mobile dune, containing rich gene resources. How to protect and utilize Stipagrostis pennata has become one of the common concern of the anti-desertification work. However, the study of its molecular genetics is still weak. The present project aims to research the drought tolerance of the root and root sheath of Stipagrostis pennata through the gene co-expression network analysis. Based on temporal and spatial samples, we will characterize the phenotype in response to stress. Based on the gene differential expression, we will search the specific genes in response to stress. Based on the gene differential coexpression, we will search the specific regulatory relations among genes in response to stress. Based on the gene differential networking, we will search the specific signal pathway in response to stress and explore the evolutionary pattern of gene regulation relationships. Finally, we will mine its valuable gene resources, analysis its molecular mechanism to adapt in the desert, and lay the foundation for the protection and utilization of it.

羽毛针禾是优良的固沙先锋植物，具有抗旱、耐寒、耐风蚀等适应流动沙丘的特征和丰富的抗逆基因资源。如何科学有效的保护和利用羽毛针禾，已成为防沙、治沙工作共同关注的问题之一。然而，它的分子遗传方面的研究依然薄弱，内在资源亟待探究。本项目旨在结合前期羽毛针禾的生态及形态的研究基础，预以根及根鞘等组织的耐旱适应性为主方向，运用基因共表达网络分析技术，以时空特异样本，刻画旱、冷、热、盐等单因素及多因素组合胁迫条件下的表型适应性；以基因表达的差异，识别与胁迫相关的特异性基因；以基因共表达关系的差异，挖掘与胁迫相关的特异调控关系；以基因网络之间的差异，揭示与胁迫相关的特异信号通路，探索基因调控关系的进化模式。最终，在基因组水平上，挖掘羽毛针禾抗逆基因资源，解析其荒漠适应的分子机制，为其固沙先锋特性的保护利用奠定基础。

本项目运用基因共表达网络分析技术，以时空特异样本，刻画了根鞘发育不同阶段的特异基因及基因集团；以基因表达的差异，识别了根鞘组织特异性基因；以基因共表达关系的差异，挖掘了与根鞘发育相关的特异调控关系；以基因网络之间的差异，揭示了根鞘与根的特异信号通路；以全基因组关联分析，鉴定出了具有统计显著性的基因表达数量性状位点（trans-eQTL），探究了基因间的联系。研究中，发现在根鞘发育早期，植物激素相关基因比较活跃；发育中期，主要基因代表为生长素响应性蛋白、脱落酸受体、过氧化物酶、醛脱氢酶等基因；发育后期，活跃的基因集团主要涉及MAPK信号通路、植物激素信号转导等通路。基因表达水平聚类分析，显示尽管多数基因簇，在根鞘和根之间相近，但是二者之间还存差异；其中，根鞘相对于根，594个基因表达上调，1,030个基因表达下调。根鞘特异基因网络的枢纽有羟化酶、F-box和WD-40结构域蛋白、黄酮合成酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶等基因。进一步，发现羽毛针禾经历了3 次全基因组复制（WGD），而且一些基因受到了较强的正选择，其中 38 个基因呈现快速进化；发现与开花繁殖相关的 CPP/TSO1-like 基因在羽毛针禾中发生了独特的位点突变。最终，在基因组水平上，挖掘了羽毛针禾抗逆基因资源，探究了其分子进化机制，为其固沙先锋特性的保护利用奠定了一定基础。本项目资助发表论文9篇，其中SCI论文4篇。培养博士生1名、硕士生7名和本科生5名。指导本科生获全国大学生生命科学竞赛一等奖、三等奖等奖项。