萱草花开放时间的遗传特性和生物钟调控

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花开放时间(Flower Opening Time,FOT)是植物重要的生活史性状,由生物钟基因响应外界环境调控,对提高繁殖力、生存力和竞争力具有重要作用。萱草属(Hemerocallis L.)依据FOT分为白天开花和夜间开花两种类型,彼此间能杂交且后代可育。为探究其FOT特性和生物钟调控机制,研究建立了昼夜开花萱草F1、F2、BC1、BC2群体,在分析FOT及其他性状遗传规律并建立遗传模型的基础上,对群体中FOT性状分离个体进行转录组分析。重置光暗信号,利用m RNA+mi RNA转录组关联分析两种类型萱草对不同环境的响应,观察不同光暗信号下的FOT,分析关键生物钟基因的振荡表达模式,测定光合生理指标,从表型反应、生理过程、基因表达三个层面研究生物钟响应光信号对FOT的调控。主要结果如下:1. 分析以18个种/品种为亲本建立的43个F1、25个F2、26个BC1和BC2遗传群体,夜间开花是显性性状,栽培品种获得的杂交后代、F2代群体的FOT变异率较大,不同年份观测结果表明FOT受一定程度的光照温度干扰。SEA分析FOT为符合2 对加性主基因+加性显性多基因遗传模型的数量性状遗传,总遗传率为72.97%,除基因因素外,环境因素对FOT也有影响。群体17个花、叶、形态性状分析表明FOT与吸引传粉者的性状(花被、花萼色等)极显著相关,不同FOT类型萱草花开放过程与特定传粉者的活动规律相符合,固定的FOT有利于保证授粉成功率。2. 对FOT分离的F1群体中白天、夜间两组个体,在营养生长期、花芽分化期及花期进行转录组测序,得到55883个Unigenes,鉴定出9234条差异基因。通过K-means聚类和WGCNA分析共表达趋势,两种萱草进入生殖生长后,加强光合作用、碳水化合物代谢,及对环境的响应活动如光信号传递,以保证能量供应及对环境的响应敏感性,生物钟相关的昼夜节律活动在花期特异性表达的主要基因中富集。两种萱草发育过程中,差异表达基因均与环境信号响应和光合作用有关,昼夜节律活动差异主要在花期表现。鉴定出23个在不同萱草中差异表达的关键生物钟基因,涉及到花期生物钟对不同波长光信号的感知输入过程及门控效应,下游开花途径基因表达模式表现出复杂差异性。生物钟输入、核心及输出基因形成协调又拮抗的调控网络,与调控萱草不同FOT性状高度相关。3. 对两种FOT类型萱草进行16小时光照-8小时黑暗(16L-8D)、持续光照(LL)、持续黑暗(DD)及12小时光照-4小时黑暗(12L-4D)四种光暗信号重置。利用m RNA和mi RNA转录组测序联合分析,探究两种萱草在不同光暗条件下对环境的响应,获得52709条Unigene,得到124个mi RNA。与对照组(16L-8D)相比,两种萱草响应不同的持续环境主要涉及碳水化合物、光合进程及昼夜节律的差异,生物钟在响应光暗环境中其它生理活动如光合等进程具有重要协调作用。在不同环境、不同样本中鉴定出20个关键生物钟特异表达基因,两种萱草分别通过特异性表达CRYs和PHYs基因,对蓝光和红光/远红光的响应表现出敏感性差异,门控及开花相关基因GI能够敏感的响应环境变化。鉴定出7个差异表达的mi RNA家族,其中mi R167_1通过靶向PIF4,mi R528通过靶向SPA1-RELATED 2、c167060.graph_c0_31209通过靶向LHY-like、CK 1-like基因在生物钟响应光环境的调控中发挥作用。4. 分析四种光暗信号(16L-8D、LL、DD及12L-4D)中FOT表型、光合日变化指标(净光合速率、气孔导度)及9个关键生物钟基因振荡模式的节律周期、相位、振幅和峰值。三者周期节律高度相关,在持续无节律环境(LL、DD)一个周期后,生物钟基因的自持振荡节律衰减,不足以维持FOT及光合进程节律,与环境的不匹配导致了适应力和花部生命力的降低。当设为12L-4D一个周期后,生物钟响应环境变化产生新节律,稳定后形成预设的FOT模式。生物钟基因振荡表达峰相位分析表明,两种萱草的红光/远红光感受器PHYa和蓝光感受器CRY1对光信号的感知进程、核心振荡中门控基因GI以及下游开花相关基因CO/HD1、FT/HD3a、COL2对调控FOT具有重要作用。与环境相协调的FOT对萱草属植物是有利的性状,生物钟会协调光合进程,通过提高净碳固定率保证调控过程中植物体的高效运作。因此,经过特异性光信号接收和转导过程,环境信息传递到核心振荡器,以激活不同萱草的不同“花钟”。研究明确了萱草FOT的遗传变异模式,及生物钟整合不同光暗信号调控FOT的代谢途径、关键基因和机制,有利于阐明植物适应环境行为模式的生物钟控制机制,也为进一步以高效的手段精确调控植物FOT、提高观赏植物的观赏期奠定基础。
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