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菜薹是菜薹类蔬菜的主要产品器官,与拟南芥不同,菜薹的发育除了涉及薹茎的伸长和增粗外,还涉及营养物质的积累,这两者决定菜薹的产量和品质,因此研究菜薹形成的调控机理具有重要的实际意义和科学价值。菜心(Brassica campestris L.ssp.Chinesis(L.)Makino var.Utilis Tsen et Lee)为十字花科(Brassicaceae)芸薹属(Brassica)芸薹种白菜亚种中的一个变种。菜心作为一种重要的菜薹类蔬菜,是我国著名的特产蔬菜,也是华南地区栽培面积和产量都最大的蔬菜,现已在全国种植。菜心花芽分化受光照影响不大,对温度要求也很宽泛,适宜的品种在一年四季都可以正常抽薹开花,但当生长过程遇到低温等逆境时会提前抽薹开花,影响产量和品质。然而目前关于菜心菜薹发育调控的研究较少,菜薹形成及养分积累的调控机制仍不明晰。本文基于转录组学及代谢组学研究了菜心菜薹发育3个关键时期的基因表达特性及代谢物变化,同时采用转录组学分析低温对菜心菜薹发育的调控机制,并研究了赤霉素(GA)在菜薹形成中的调控作用。主要研究结果如下:1.调控细胞周期及开花时间的相关基因参与菜薹形成调控。菜心3个发育关键时期(S1期、S3期和S5期)茎尖转录组测序共获得35327个基因。基因差异表达分析发现在不同时期两两比对中(S1 vs S3、S1 vs S5和S3 vs S5)分别有7015个、7083个和4361个基因差异表达。京都基因与基因组百科全书(KEGG)及基因本体(GO)富集分析表明差异基因显著富集到淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导等途径和与植物开花、形态建成相关的GO terms,包括花发育、花器官形态发生、花粉发育、细胞分化、细胞分裂等。结合植株形态特征及茎尖细胞结构特点对植物激素信号转导、细胞周期及开花时间等过程的调控基因进行分析,其中CYCD3、CYCA2、CYCB1、CDKB、CDKC、BR、E2Fa等细胞周期调控基因和RGA1、RGA2-like、FVE、SPL3、SPL5、SPL9、AP1、LFY、SOC1、SVP等开花时间调控基因差异表达。2.代谢组学结果揭示菜薹形成过程中营养物质动态变化的过程。代谢组学结果表明,菜心薹茎中共有31类493种代谢物,包括14种糖类物质、28种氨基酸、56种有机酸、16种脂肪酸和13种维生素等初级代谢物,同时还含有黄酮、类黄酮、花青素、酚酸等活性次级代谢物。差异代谢物分析发现部分糖类物质随着菜薹的发育含量不断提高,并在商品采收期(S5)达到最大值。同时9种氨基酸、3种维生素也随着菜薹发育不断积累,多数的酚类物质含量随着菜薹发育不断减少。3.代谢组学和转录组学揭示蔗糖韧皮部卸载及木质素合成调控机制。代谢组学和转录组学联合分析发现菜心蔗糖转运蛋白基因SUCs、糖转运蛋白基因SWEETs、单糖转运蛋白基因STPs和胞外蔗糖转化酶基因CWINVs等随着菜薹形成上调表达,同时薹茎中积累大量蔗糖和葡萄糖。基于此,我们建立菜心蔗糖通过共质体途径和质外体途径在韧皮部卸载并转运至髓部细胞储藏的调控途经。此外,代谢组学和转录组学结果表明,木质素单体松柏醇及其前体物质阿魏酸和松柏醛的含量显著上调,而且木质素生物合成关键基因的表达也显著上调。4.转录组揭示低温影响菜心抽薹、开花及蔗糖运输的调控机制。低温处理提高菜心茎尖内源GA、生长素(IAA)含量,提高髓部细胞长度,促进菜心抽薹并提早开花时间。转录组分析发现低温处理下有2503个差异表达基因,其中2211个基因显著上调。这些差异基因主要富集在参与细胞壁生物合成、细胞壁组分、细胞形态建成等与细胞伸长相关的GO terms以及糖类物质跨膜运输活性的GO terms。进一步分析发现细胞壁松弛和重构的关键基因EXPAs、XTHs和PPMEs在低温诱导下表达上调。低温还可上调蔗糖积累相关基因SWEETs、SUCs、STPs以及CWINVs表达。此外,低温诱导一系列MADS-box转录因子的上调表达,使植株的开花时间提前。5.激素含量测定及基因表达分析揭示GA及低温在菜心薹茎发育调控中关系。采用GA、烯效唑(GA合成抑制剂)和低温处理菜心种子探讨GA在菜心抽薹和开花调控中的作用。结果表明,GA及低温促进菜心抽薹开花,而烯效唑作用效果相反,说明GA是菜心薹茎伸长的必要条件。基因表达分析发现,GA可以上调赤霉素信号响应基因GASA6、细胞壁松弛和重构的关键基因EXPA11和XTH3、开花调控基因表达SOC1和AP1等的表达,促进菜心抽薹和开花。低温能够不通过GA途径而上调SOC1和AP1的表达,促进菜心花的发育并提前开花。以上研究结果表明细胞周期基因及开花基因参与菜薹发育调控。菜薹发育过程中蔗糖通过共质体途径和质外体途径在韧皮部卸载并以蔗糖和葡萄糖的形式转运至髓部细胞储存。GA是菜薹伸长所必需的,低温可以通过提高GA含量调控菜薹的伸长、营养积累和开花,此外低温也可以通过其他途径提前植株开花时间。