基于RNA-seq的大麦耐低温基因及其调控网络的起源和进化研究

Wild barley (Hordeum spontaneum), the progenitor of cultivated barley (Hordeum vulgare), demonstrates a large genetic diversity in abiotic stress tolerance and adaptation. These progenitors have the best genetic potentials for improving genetically impoverished cultivated barley. Cold stress is one of the major environmental factors affecting barley production worldwide. In this project, we aimed at deciphering the origin and evolution of mechanisms of cold tolerance in barley. Firstly, about fifty representative wild barley will be screened according to the haplotypes of CBF genes in the wild barley from the Near East (75 accessions) and Tibet (95 accessions). The cold tolerance index of these selected accessions will be analyzed according to our previously established methods, and four wild barley accessions with significant difference of cold tolerance index from each population are going to be determined for further analysis. Secondly, transcriptome profile of these eight accessions will be analyzed using RNA-seq, together with six representative barley cultivars. Based on the released draft of barley genome, gene-based single-nucleotide variants/indel, and cold response genes/transcripts will be determined. Finally, cold tolerance genes and their regulatory network will be investigated with some bioinformatics methods. In summary, the evolutionary relationship between cultivated and wild barley from the Near East and Tibet will be comprehensively investigated at the physiological and genomic levels, especially for the origin and evolution of cold tolerance genes in barley.

野生大麦是栽培大麦的祖先，其丰富的遗传多样性可为改善栽培大麦日益狭窄的遗传背景提供活的基因库。低温不仅影响农作物的产量和品质，而且限制农作物的地理分布，也是危害大麦生产的一个主要环境因子。本研究旨在解析大麦耐低温机制的起源与进化。首先以耐低温相关转录因子CBF为对象，对75份中东和95份西藏野生大麦进行分型，并对筛选到的各主要单倍型的代表性种质（约50份）进行低温耐性鉴定，从中选择低温耐性差异显著的中东和西藏野生大麦各4份；其次利用RNA-seq技术，测定以上8份野生大麦和6份栽培大麦对照品种在低温胁迫前后的转录组。找到栽培和野生大麦外显子的变异位点和低温响应的差异表达基因或转录本；最后，运用生物信息学手段挖掘大麦耐低温基因及其调控网络。从基因组水平上分析中东和西藏野生大麦与栽培大麦的相互关系，揭示栽培大麦耐低温基因及其调控网络的起源，为野生大麦种质资源的开发与利用提供技术支撑和理论指导。

大麦是最古老的作物之一，也是目前全球栽培的第四大谷类作物。栽培大麦在长期的驯化过程中，特别是经过近代育种和集约化种植，遗传变异显著缩小，造成一些稀有的等位基因丢失，对不良环境因子的反应表现更为敏感，其单调的遗传背景已成为取得突破性育种改良成效的瓶颈。低温是危害大麦生产的一个主要气候因子，不仅影响农作物的产量和品质，而且限制农作物的地理分布。提高作物的耐冷性是应对低温危害的有效途径之一，但植物的耐低温机制及其对低温的响应是一个十分复杂的过程，本研究主要从低温胁迫下的转录组测序出发，以自主完成的大麦参考基因组为基础进行大麦低温耐性相关基因的发掘和鉴定，进而分析其起源。.本研究首先构建了一个利用冬季自然低温进行大麦低温胁迫处理的研究平台，筛选到8个低温耐特异的大麦种质，相关材料也已经应用于育种进程。同时，本研究采用二代结合三代测序的方法，构建了一个4.84 Gb的藏青320的参考基因组，其中有4.59 Gb锚定到了七条染色体上；进而运用转录组等多重数据验证并注释了46787基因。以此为基础，利用研究建立的低温处理平台，对低温耐性有显著差异的两个大麦品种开展大麦低温胁迫下的转录组分析，共鉴定到6622个差异表达基因，其中抗性品种的差异表达基因多于敏感品种。结合文献报道，从这些差异表达基因中鉴定到6条主要低温响应通路：Ca2+响应通路、PtdOH响应通路、CBFs通路、ABA通路、茉莉酮酸酯通路和淀粉水解通路。根据各个通路上差异表达基因的表达特征，提出了一个大麦低温响应基因通路图，为大麦低温耐性基因鉴定和功能分析提供重要的参考。结合大麦基因组和低温胁迫响应基因通路图，本研究开展了大麦低温响应基因的起源分析，结果表明，西藏大麦种质为现代栽培大麦贡献了大量的低温适应性基因，为大麦驯化历程研究提供有益参考，也为大麦种质资源的利用研究指明方向。