橡胶树雌花败育机制的细胞学观察及高通量转录组测序分析

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巴西橡胶树是我国热带地区重要的经济作物,其产生的胶乳是天然橡胶最主要的来源。橡胶树雌花败育品种是橡胶树杂交育种过程中亲本选配的重要种质资源,然而橡胶树雌花败育的细胞学特征尚不明确,与橡胶树雌花败育机制有关的研究报道较少。本研究通过对橡胶树正常雌花(热研88-13)和败育雌花(PR107)在生长发育过程中形态学及细胞学的观察,找到雌花败育的关键节点。本研究使用高通量测序技术(RNA-seq)对正常雌花及败育雌花的转录组数据进行比较分析,筛选出与雌花败育相关的差异表达基因,对差异表达基因进行功能注释及通路富集分析,进一步筛选出与雌花败育相关的候选基因;使用q PCR技术对转录组数据进行验证,并对部分候选基因及其基因家族成员进行了基因克隆与表达分析。本研究初步揭示了橡胶树雌花败育的分子机制,为橡胶树杂交育种的利用提供科学依据。主要结果如下:(1)形态学和细胞学观察结果表明:败育雌花在外部形态上和可育雌花相比,并无明显的异常,同一发育时期败育雌花子房较可育雌花窄。败育雌花在单核胚囊形成前,胚珠发育与正常雌花基本一致;在单核胚囊形成后,胚囊中的功能性大孢子有丝分裂过程发生异常导致无法形成正常的胚囊,最终造成雌花的败育。(2)利用转录组测序技术结合基因功能注释,在基因表达水平上筛选出56个与雌花败育相关的候选基因。这些候选基因可分为五类:包括4个花器官发育关键调节因子AGAMOUS(AG)的同源基因(LOC110666153、LOC110669076、LOC110640008和LOC110641968);2个BEL1的同源基因(LOC110659796和LOC110635038);4个WUSCHEL(WUS)的同源基因(LOC110638249、LOC110655693、LOC110669207和LOC110633278);2个LEUNIG(LUG)的同源基因(L OC110647466和LOC110652503)以及44个与乙烯应答转录因子相关的候选基因。(3)利用GO富集结果结合败育雌花的细胞学特征,筛选出31个与雌花败育相关的候选基因。这些候选基因在功能上涉及生殖细胞有丝分裂、发育过程、花发育过程、细胞周期调节、细胞分离、细胞程序性死亡调控过程和调节细胞的过程。这些候选基因可能在橡胶树雌花败育形成的过程中发挥了重要的作用。(4)利用转录组测序技术结合KEGG通路富集结果,筛选出4条与橡胶树雌花败育相关的通路。这4条通路分别为α-亚麻酸代谢、植物信号转导途径、内质网蛋白质加工和半乳糖代谢。在同一发育时期可育花与败育花中筛选出21个与α-亚麻酸代谢相关的候选基因。在败育雌花不同发育时期中筛选出109个与植物信号转导途径相关的候选基因;70个与内质网蛋白质加工关的候选基因;33个与半乳糖代谢相关的候选基因。这些基因在橡胶树雌花败育形成的过程中可能起到了关键的作用。(5)利用转录组测序技术筛选出了rps3A、cox3和ycf3A 3个线粒体差异表达基因。这些基因的表达异常可能导致细胞能量缺损,从而造成橡胶树雌花的败育。(6)在橡胶树中成功克隆出3个生长调控因子。将它们分别命名为Hb GR F1、Hb GRF2和Hb GRF3,登录号分别为:MN396751、MN396752和MN396753。对其进行了生物信息学分析及表达分析,为研究橡胶树Hb GRF基因的功能及作用机制奠定了理论基础,为橡胶树分子辅助育种提供了理论依据。
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