基于转录组技术的葡萄花器官发育和性别形成机制研究

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葡萄(Vitis spp.)作为我国重要的果树之一,拥有深厚的历史文化和广阔的种植面积,因其风味优美、营养丰富,深受人们的喜爱。葡萄花器官的质量与数量对葡萄果实产量和质量有直接影响,这使得葡萄花器官的发育与性别分化始终是发育生物学的重要研究热点。因此,本研究以‘北醇’葡萄两性花(hermaphrodite,H)、‘1613C’葡萄雄能花(male,M)和‘520A’葡萄雌能花(female,F)三种葡萄的花器官为材料,利用扫描电镜对其花粉粒进行形态学观察,研究不同性别花器官形态与花粉活力差异;利用酶联免疫吸附测定法对三种葡萄花器官不同发育时期的激素含量进行测定,研究花器官内源激素的变化对花器官发育和性别分化的影响;利用高通量测序技术对三个发育时期的不同性别花器官进行转录组测序,对葡萄花器官发育和性别分化机制进行研究,以期为葡萄花器官的分子研究提供理论支持。主要研究结果如下:(1)在S1时期,不同性别花器官的大小存在明显差异,两性花>雌能花>雄能花;S2时期,三种花型的花器官无明显差别,很难在形态学上对其进行区分;在S3时期,两性花花器官表现为子房正常,花药略高于柱头;雌能花花丝短且弯曲反折,低于子房,子房正常;雄能花开放时,花丝直立且高于子房,子房退化明显。两性花和雄能花花粉粒无明显差异,均为长椭圆形、表面较光滑,存在三条萌发沟,花粉活性较强。而雌能花花药产生的花粉粒大多呈不规则形,无萌发沟,表面较光滑,花粉不育。(2)通过对不同性别花器官不同发育时期激素含量测定,发现各类植物激素在不同性别花中的积累量有所不同,同一性别花器官不同发育时期也有变化。激素含量变化趋势受花器官发育特定需求影响,如IAA主要促进雌蕊发育,因此其在雌能花S2时期含量最高且高于雄能花。IPA,ZR,JA-ME等激素也是如此。激素之间存在协同(如IAA/IPA)或拮抗作用(如ABA/GA)共同调控花发育和性别分化过程,激素间的比例可能是植物精细化调节的重要指标。(3)利用转录组测序技术,对‘北醇’、‘520A’和‘1613C’三种葡萄花始蕾期(S1)、大蕾期(S2)和盛花期(S3)进行测序,共获得31965个表达基因。其中与花发育直接相关的基因1535个,主要参与苯丙烷的合成和植物激素信号转导等通路。部分基因在不同发育时期持续上调和下调,持续上调的基因主要参与苯丙烷合成,植物激素信号转导等通路,持续下调基因主要参与淀粉和糖代谢,氨基酸合成等通路。AP1、PI、SEP1、AG2、SOC1、SVP等MADS-box基因在不同花器官和不同发育时期差异表达显著。花性别分化过程中,MADS-box基因、开花诱导整合子基因及解毒和应激相关基因的差异表达具有重要作用。q RT-PCR验证了筛选出的参与这些通路基因的表达特征,证明了转录组数据的可靠性。(4)4个MYB家族基因在不同性别花器官的基因组中均表达且VIT_14s0066g01090基因的表达量最高。VIT_13s0067g01630基因和VIT_12s0059g00700基因在‘520A’葡萄雌能花中的表达量均极显著高于‘北醇’葡萄两性花和‘1613C’葡萄雌能花,且在‘北醇’葡萄两性花和‘1613C’葡萄雄能花中的表达量无显著差异。VIT_19s0015g01280基因在‘1613C’葡萄雄能花中的表达量最高且极显著高于‘北醇’葡萄两性花,与在‘520A’葡萄雌能花中的表达量无显著差异。通过系统进化树发现,VIT_19S0015g01280所编码蛋白与ATMYB80聚为一支。启动子元件分析表明:4个MYB家族基因均含有多个光响应调控元件、参与胚乳表达的顺式调控作用元件、与分生组织特定激活有关的顺式调控作用元件以及多种诱导响应元件等与性别分化相关的顺式元件。(5)经转录组测序后共发掘出839个新转录本。其中697个新转录本得到了注释信息,同时对10163个已注释基因的结构进行了优化。
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