羽衣甘蓝主要观赏性状变异的分子机制研究

发布时间：2020-07-30 02:41

【摘要】：羽衣甘蓝(Brassica oleracea L.var.acephala DC.)是十字花科芸薹属甘蓝种的一个变种,是一种2年生观赏或菜用草本植物,丰富多彩的叶色和叶形变异构成了其主要的观赏性状。羽衣甘蓝耐寒能力强、适应性广、易于栽培,在园林绿化植物中占据重要地位,在我国长江流域以北地区应用日益广泛。羽衣甘蓝起源于地中海沿岸地区,我国的引种历史不长,种质资源匮乏,自主知识产权品种很少,生产中应用的品种主要进口于日本。由于对羽衣甘蓝观赏性状遗传变异机制了解的不多,影响了其品种改良的进程。本人所在的研究团队,自1998年开始羽衣甘蓝种质资源引进与品种选育研究,利用游离小孢子培养技术创制出500多份加倍单倍体纯系(Doubled Haploid Line,简称DH系)。这些种质资源材料存在着丰富的叶色和叶形变异,为选育羽衣甘蓝新品种奠定了良好的基础,也为其观赏性状遗传变异机制的研究提供了优异的试材。本研究以红色心叶(红叶)和白色心叶(白叶)羽衣甘蓝DH系为试材,在分析其色素积累模式和遗传特性的基础上,利用分离群体进行基因定位和亲本转录组测序分析,预测了控制红叶性状的关键基因,并对候选基因进行了生物信息学分析。以 白-绿花斑叶‖羽衣甘蓝DH系为试材,分析了其发育过程中的叶绿素积累规律,叶绿素生物合成前体、微量元素和茉莉酸含量,观察了其叶绿体超微结构,通过对相关基因的表达模式分析,推测了 白-绿花斑叶‖的形成机制。以 红-绿花斑叶‖羽衣甘蓝DH系为试材,分析了其发育过程中的呈色色素、IAA、ABA、GA3、可溶性糖和淀粉含量,研究了相关基因的表达模式,推测了 红-绿花斑叶‖的形成机制。以裂叶和园叶羽衣甘蓝DH系为试材,分析了裂叶遗传模式,结合基因定位和转录组测序分析结果,推测了裂叶性状形成机制。1.红叶基因Re的精细定位羽衣甘蓝红叶性状是由花青素积累形成的。红叶羽衣甘蓝的花青素主要分布于种皮、子叶、下胚轴、幼叶、观赏期内叶、花蕾和种荚。为了克隆控制羽衣甘蓝红叶性状的关键基因,利用红叶羽衣甘蓝DH系?Y005-15‘和?Y005-8‘分别与白叶羽衣甘蓝DH系?Y011-13-38‘和?JC007-2‘杂交,构建(?Y005-15‘×?Y011-13-38‘)和(?Y005-8‘×?JC007-2‘)两个F_2分离群体。在分析确定白叶性状为单基因隐性遗传的基础上,选取F_2分离群体中的白叶个体构成定位群体。利用第一个定位群体将Re定位在C09上C9In-9和C9In-51两个标记之间,遗传距离分别为0.19和1.8 cM;利用第二个定位群体进一步将Re定位在C09上BYIn3和C09-In51标记之间,遗传距离分别为0.003和1.8 cM。定位区间内共有26个基因,没有已知的与花青素生物合成相关的基因。基于转录组测序分析结果,并通过对花青素生物合成基因的鉴定,以及参考EnsemblPlant上的基因组信息,预测编码二氢黄酮醇还原酶的基因Bol035269为Re的候选基因。克隆测序结果表明,白叶羽衣甘蓝的Bol035269基因上有一段2400 bp插入和一段124 bp缺失。qRT-PCR分析结果,Bol035269基因在红叶羽衣甘蓝观赏期内叶中的表达量是白叶羽衣甘蓝的1045倍,而且该基因在不同部位的表达模式与花青素积累模式相同。红叶羽衣甘蓝中DFR(二氢黄酮醇还原酶)酶的活性是白叶羽衣甘蓝的6.2倍。序列比对结果表明,红叶羽衣甘蓝中的DFR与其他物种中的相似,启动子区域均含有MYB结合区域,DFR在羽衣甘蓝红叶形成中起关键作用。2.“白-绿花斑叶”形成的分子机制利用游离小孢子培养技术创制出一份优异的羽衣甘蓝 白-绿花斑叶‖DH系(?JC007-2B‘),其典型特征是观赏期叶片边缘为绿色,中心为白色。将其生长发育过程划分为S1、S2和S3等3个阶段,其中,S1阶段叶片为绿色,S2阶段叶片为白色边缘略带绿色,S3阶段叶片中心为白色,边缘为绿色。白色叶片中的叶绿素含量极低,叶绿素合成前体含量异常,叶绿体发育异常。利用RNA-Seq技术,检测到不同发育阶段参与叶绿素代谢和叶绿体发育的差异表达基因,找到一些参与光合作用的差异表达基因,还找到了2个与叶绿素缺失相关的共调节基因bHLH160和AOS。白色叶片中Pchlide的过量积累,是白叶形成的重要原因。异常的光合作用和叶绿体发育同样影响了花斑叶的形成。3.“红-绿花斑叶”形成的分子机制利用游离小孢子培养技术创制出一份优异的羽衣甘蓝 红-绿花斑叶‖DH系(?Y005-7‘),其典型特征是观赏期叶片边缘为绿色,中心为红色。将其转色后的生长发育过程划分为3个阶段:S1、S2和S3。S1阶段叶片为红色,S2阶段叶片为红色、边缘略带绿色,S3阶段的叶片中心为红色、边缘为绿色。研究表明 红-绿花斑叶‖是由花青素降解和叶绿素积累形成的,其内源IAA含量变化与花青素含量变化趋势一致。转录组分析结果表明,在S2 vs S1比较组中,找到了下调的差异表达基因肉桂酸-4-羟化酶(C4H)和转运抑制剂反应因子1(TIR1),以及上调的差异表达基因LBD39。在S3_S vs S3_C比较组中,找到了差异表达的2个氧化还原酶(peroxidases),2个β-葡萄糖苷酶(β-glucosidases,BGLU),LBD39,LBD37,DTX35,3个NAC和15个WRKY基因。推测 红-绿花斑叶‖的形成,与花青素合成降速及花青素降解和叶绿素积累增速有关。4.裂叶基因BoLl的精细定位为克隆控制羽衣甘蓝裂叶性状的关键基因,利用裂叶羽衣甘蓝DH系?Y005-8‘与圆叶羽衣甘蓝DH系?JC007-2‘杂交,构建F_2分离群体。遗传分析表明,羽衣甘蓝的裂叶性状具有数量性状的遗传特征。利用QTL-seq方法将BoLl基因定位在C09上,进一步利用SSR和Indel标记,将BoLl定位在C09上的LYIn39和LYIn40两个标记之间,遗传距离分别为0.17和0.11 cM。根据BRAD上参考基因组信息,定位区间的物理距离为75.3 kb,共有8个基因,其中7个基因有功能注释;根据EnsemblPlant上的基因组信息,定位区间的物理距离为79.6 kb,包含11个基因,其中2个是拟南芥中参与裂叶形成基因AtLMI1/ATHB5的同源基因Bol010029/Bo9g181710和Bol010030/Bo9g1181720。裂叶和圆叶中的这两个基因序列相同,但是,在裂叶羽衣甘蓝幼叶中的表达量要显著高于圆叶羽衣甘蓝。定位区间内有2个基因(Bol010025和Bol010031/Bo9g181730)在F_2定位群体中表现为共分离,但是,其在圆叶和裂叶中的表达水平相似。推测了羽衣甘蓝控制裂叶形成的分子机制。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S681.9
【图文】：

第一章 文献综述ias（1995）详细描述了葡萄牙当地另外一种羽衣甘蓝（Galega kale）。这类羽衣甘蓝在世界范围内广泛种植。这种羽衣甘蓝最早种植于古，之后在古罗马出现两种羽衣甘蓝即平叶羽衣甘蓝（smooth kale）和rled kale)。这类羽衣甘蓝于中世纪种植于葡萄牙，1612 年引种到法1821 年引种到英国(Anonymous, 1826; Anonymous, 1850; Oldham, 1948)（Buist, 1851; cit. Sturtevant, 1890），1947 年引入亚洲（Bailey, 1922 a

1.1.2 品种类型与分布羽衣甘蓝（B. oleracea L. var. acephala DC.）又可以分成许多类型。Diederichsen（2001）将其归纳为以下6种（图1-2）：1. scotch kale（B. oleracea L. convar. acephala (DC.) Alef. var. sabellica L.）2. collard（B. oleracea L. var. viridis L.）3. palm kale（B. oleracea L. convar. acephala (DC.) Alef. var. palmifolia L.）4. marrow stem kale（B. oleracea L. convar. acephala (DC.) Alef. var. medullosa L.）5. thousand-head kale（B. oleracea L. var. ramosa DC.）6. Portuguese Tronchuda cabbage（B. oleracea L. var. costata DC.）

第一章 文献综述叶、羽状叶、卷皱叶、波浪叶、圆叶等（图 1-3），在观赏期内叶颜色上可以分为紫红玫红、粉红、浅粉、乳白、白色等，在观赏期外叶颜色上可以分为紫色、绿色、深绿等颜色（图 1-4）。这些变化使叶色和叶形是观赏羽衣甘蓝的首要观赏性状。

本文编号：2774887