番茄果实全果肉性状的精细定位与候选基因分析
发布时间：2020-07-18 00:19
【摘要】：番茄(Solanum lycopersicum)果实心室胶状物(locular gel)的形成,是肉质浆果形成和发育的重要过程和典型特征。果实发育早期,心室组织由胎座组织向外衍生形成,围绕胚珠发育,在成熟前形成凝胶状(jelly-like)的心室胶状物,在果实的发育和成熟、质地变化、风味组成以及种子的成熟等过程中均具有重要作用。目前,对番茄心室胶状物形成过程的生理生化变化已有较多研究,初步认识到水解酶、植物激素与核内复制等在心室胶状物形成过程中具有重要作用,并对心室数目的形成及其机制进行了探究,但关于心室胶状物的分化、形成和发育及其调控机制尚未明确。全果肉番茄材料(all-flesh,alf)果实发育过程中心室组织不形成心室胶状物,果实内部形态与茄子相似,其与普通番茄的主要差异在于是否形成心室胶状物。本研究利用遗传学方法对全果肉番茄进行了系统分析,并获得了候选基因,主要结果如下:1.通过六世代遗传群体分析,明确了番茄全果肉性状由细胞核控制的隐性单基因控制。发育过程的形态变化和石蜡切片观察发现,开花后25d普通番茄心室胶状物已基本形成,细胞壁出现明显的断裂面;全果肉番茄发育过程中,心室组织的细胞壁结构能够保持较好的完整性,并具有与胎座组织相似的细胞排列与大小。全果肉番茄果实的种子量较少,特别是25d后,较同期的普通果实明显减少。2.利用全果肉番茄(06-790)和普通番茄(IL7-5)构建的F_2群体进行BSA-Seq分析,结果与利用300份加工番茄核心种质进行GWAS预测的基因目标区域一致。利用全基因组重测序开发的分子标记,对该F_2群体以及06-790和番茄全基因组测序材料Heinz 1706构建的BC_2S_1群体进行遗传连锁分析,进一步将番茄全果肉基因精细定位在番茄第6染色体SL3.0 ch06:40418964-40603185之间184.2Kb的范围内。根据番茄基因组注释(SL3.0),定位区域内共有29个基因。3.利用全果肉番茄(06-790)和普通番茄(IL7-5)开花后25d全果肉番茄与普通番茄果实心室组织的转录组测序分析,GO功能分析发现,在分子功能上的主要差异是转录因子活性;KEGG分析发现,碳水化合物代谢途径与心室胶状物的形成也具有密切关系;并获得定位区域的差异表达基因。利用qRT-PCR分析不同发育时期差异基因的表达特征发现,Solyc06g064840在胶状物形成前的心室组织中具有较高表达,且在全果肉番茄心室组织中的表达量明显较低。Solyc06g064840属于花发育“ABCDE”模型中的AGAMOUS-like(AGL)转录因子,在心室组织与种子中特异性表达,推测该基因为控制番茄全果肉性状的候选基因。4.蛋白序列同源比较与系统进化分析,发现Solyc06g064840为AGL11基因家族X1亚型,具有高度保守的MADS-box区和相对保守的K-box区。AGL11基因亚族参与肉质果实种子、胚珠和珠索的发育,并调控心皮与肉质果实的膨大和成熟过程。Solyc06g064840与已报道的矮牵牛fbp11和fbp7以及烟草AGL11等基因同源性最高,并与拟南芥STK基因以及番茄AG基因家族也具有较高的同源性;在系统进化上与马铃薯、茄子和辣椒等茄科肉质果实AGL基因具有非常近的亲缘关系,并与矮牵牛fbp11、fbp7以及烟草AGL11等AGL基因位于同一分支。5.全果肉番茄Solyc06g064840基因5’UTR上游374-790bp处存在一段416bp的序列缺失,该缺失序列含有TATA-box和CAAT-box等顺式作用元件,可能影响Solyc06g064840的转录表达,从而导致全果肉番茄的心室组织不能形成胶状物。番茄全果肉材料由单个隐性基因控制,说明一个位点的改变即可影响浆果组分的形成。番茄全果肉基因(alf)的精细定位和候选基因获得,为明确全果肉番茄心室组织的分化与发育过程的分子调控机制奠定了基础,并为解析心室胶状物分化与形成的分子机制,甚至探究肉质浆果类果实的发育和遗传进化机制提供了新的依据;还将有助于明确心室胶状物的形成对番茄果实生理生化与风味品质的影响,为理解番茄风味品质的形成及遗传改良提供理论支持。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S641.2
【图文】：
为典型的呼吸跃变型果实，其正常发育过程呈 S 型曲线（图 1，开花后 4~5d 肉眼能够观察到子房的膨大；从开始发育到 30缓；40~50d 左右果实开始由里向外着色和成熟；约 40~60d 为，不同发育阶段受到不同基因的调控，经过一系列的细胞分裂放等生理生化过程，最终表现出一系列形态上的变化，如果实颜色的转变等。实发育主要分为三个时期：第一个时期为细胞分裂期，主要是体积变化不明显。由细胞分裂到细胞膨大期，尤其是开花后 7重要的时期，其中开花后 8d 是细胞分裂到细胞膨大的转折期的体积和果实的体积急剧增大，心室组织出现凝胶化，果实体进入第三个时期。细胞膨大期决定了肉质果实的主要性状。第三熟期、转色期、红熟期和完熟期。番茄果实肉质果实形状的获基因时空表达的紧密调控，不同果实组织的相对发育能够影响图 1.1 番茄果实结构与组成Fig. 1.1 The structure and composition of tomato fruit
膨大生长（Davies & Cocking，1965；Gallego et al.，1991；Bisbis et al.，2006；Ariizumi，2013)。幼果生长时期，果实心室充满向外生长的薄壁细胞的胎座组织，胎座的薄壁细胞围绕种子及其珠图1.2 番茄发育阶段及其相关的细胞分裂、细胞增大、呼吸作用、乙烯合成、细胞软化与类胡萝卜素积累的变化（Giovannoni，2004）注：发育阶段可分为开花期、绿熟期（MG）、转色期（BR）和红熟期（RR）。果实发育到绿熟期阶段时，果实最终大小发育完成，但未成熟，种子发育成熟；到转色期，果实开始可见类胡萝卜素的积累，从细胞分裂的发育阶段将逐步进入到果实发育的细胞增大阶段。细胞分裂的速率和持续时间的长短因果实种类及其果实内组织的不同而不同。dpa：授粉后的天数（day after anthesis）Fig. 1.2 The changes of cell division，cell expansion，carotenoids，ethylene/respiration，softening and carotenoids abouttomato fruit developmentsNote：The development stages can divided into anthesis
学院博士学位论文 调控作用，但在心室胶状物发育过程中细胞壁多糖的降解与果胶溶解中的类如脂肪降解酶或膜蛋白酶也可能参与心室胶状物的形成。激素在心室胶状物形成和发育过程中的作用素是植物生长发育的重要调控因子，在果实发育与成熟过程中具有重要作早期发育。番茄果实发育的不同阶段，不同植物激素分别调控其有丝分裂程（图 1.3）。在果实发育早期，生长素、GA、CTK 或油菜素内酯（BR能够调控细胞周期关键基因的活性（Kumar et al.，2014）。生长素、GA 主要调控因子，可刺激种子周围组织的生长；细胞分裂期结束后，生长素子，并转运到周围组织（Moco et al.，2007；Kumar et al.，2014）。
本文编号：2760125
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S641.2
【图文】：
为典型的呼吸跃变型果实，其正常发育过程呈 S 型曲线（图 1，开花后 4~5d 肉眼能够观察到子房的膨大；从开始发育到 30缓；40~50d 左右果实开始由里向外着色和成熟；约 40~60d 为，不同发育阶段受到不同基因的调控，经过一系列的细胞分裂放等生理生化过程，最终表现出一系列形态上的变化，如果实颜色的转变等。实发育主要分为三个时期：第一个时期为细胞分裂期，主要是体积变化不明显。由细胞分裂到细胞膨大期，尤其是开花后 7重要的时期，其中开花后 8d 是细胞分裂到细胞膨大的转折期的体积和果实的体积急剧增大，心室组织出现凝胶化，果实体进入第三个时期。细胞膨大期决定了肉质果实的主要性状。第三熟期、转色期、红熟期和完熟期。番茄果实肉质果实形状的获基因时空表达的紧密调控，不同果实组织的相对发育能够影响图 1.1 番茄果实结构与组成Fig. 1.1 The structure and composition of tomato fruit
膨大生长（Davies & Cocking，1965；Gallego et al.，1991；Bisbis et al.，2006；Ariizumi，2013)。幼果生长时期，果实心室充满向外生长的薄壁细胞的胎座组织，胎座的薄壁细胞围绕种子及其珠图1.2 番茄发育阶段及其相关的细胞分裂、细胞增大、呼吸作用、乙烯合成、细胞软化与类胡萝卜素积累的变化（Giovannoni，2004）注：发育阶段可分为开花期、绿熟期（MG）、转色期（BR）和红熟期（RR）。果实发育到绿熟期阶段时，果实最终大小发育完成，但未成熟，种子发育成熟；到转色期，果实开始可见类胡萝卜素的积累，从细胞分裂的发育阶段将逐步进入到果实发育的细胞增大阶段。细胞分裂的速率和持续时间的长短因果实种类及其果实内组织的不同而不同。dpa：授粉后的天数（day after anthesis）Fig. 1.2 The changes of cell division，cell expansion，carotenoids，ethylene/respiration，softening and carotenoids abouttomato fruit developmentsNote：The development stages can divided into anthesis
学院博士学位论文 调控作用，但在心室胶状物发育过程中细胞壁多糖的降解与果胶溶解中的类如脂肪降解酶或膜蛋白酶也可能参与心室胶状物的形成。激素在心室胶状物形成和发育过程中的作用素是植物生长发育的重要调控因子，在果实发育与成熟过程中具有重要作早期发育。番茄果实发育的不同阶段，不同植物激素分别调控其有丝分裂程（图 1.3）。在果实发育早期，生长素、GA、CTK 或油菜素内酯（BR能够调控细胞周期关键基因的活性（Kumar et al.，2014）。生长素、GA 主要调控因子，可刺激种子周围组织的生长；细胞分裂期结束后，生长素子，并转运到周围组织（Moco et al.，2007；Kumar et al.，2014）。
本文编号：2760125
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