基于转录组测序挖掘核桃雌雄异熟性相关调控基因

发布时间：2020-08-19 09:30

【摘要】：核桃是雌雄同株异花木本植物。根据雌蕊与雄蕊成熟时期的不同,核桃品种可以分为雌先型(Protogynous)和雄先型(Protandrous)两类。核桃雌雄异熟品种在花期上存在着差异。这种雌雄异熟性直接影响着开花、授粉等有性繁殖过程,影响核桃仁的质量和产量。因此,挖掘核桃雌雄异熟性形成关键基因对提高核仁品质及产量具有极其重要的意义。本研究以核桃雄先型品种‘新早丰’及雌先型品种‘极早丰’为试验材料,研究核桃雌雄异熟品种雌雄花的形态建成,同时对雌雄花芽形态分化的关键时期进行转录组测序,挖掘核桃雌雄异熟性的关键调控基因。本研究的主要内容和结论如下:1.以‘新早丰’与‘极早丰’整个雌雄花芽发育时期为研究对象,对其雌雄异熟开花进程中雌雄花芽的形态分化特点进行研究。结果表明:河南地区核桃花芽在2月底至3月初进入萌芽期,‘新早丰’与‘极早丰’雌雄花芽的外部形态逐渐开始出现显著性差异(P0.05)。该时期可作为‘新早丰’与‘极早丰’雌雄花芽出现显著形态差异的一个关键时期。2.基于外部形态观测,选择‘新早丰’与‘极早丰’3个时期的雌雄花芽进行石蜡切片观察。结果发现:‘极早丰’雌花芽在3个时期分别处于花被原基分化期、雌蕊原基分化期及雌花成熟期,而‘新早丰’雌花芽分别处于萼片原基分化期、花被原基分化期及雌蕊原基分化期。‘新早丰’雄花芽分别处于雄蕊原基分化期、花药分化期及雄花成熟期,而‘极早丰’雄花芽分别处于苞片原基分化期、雄蕊原基分化期与花药分化期。‘新早丰’与‘极早丰’雌雄花芽的形态分化分别相差一个时期。3.对‘新早丰’与‘极早丰’3个不同时期的雌雄花芽进行转录组测序,测序获得的clean reads介于43 276 064到47 970 628之间,利用从头组装获得的Unigene介于13191到14364之间。根据转录组测序分析结果,共挖掘到11个核桃雌雄异熟机制的相关调控基因:FT-like、FUL-like、SOC1-like、SPL-like、SVP-like、AGL24-like、AP1-like、LEAFY-like、FLC-like、FD-like、DELLA-like。通过qRT-PCR验证了转录组测序的结果。通过结构与功能分析,推测这些基因可能在核桃开花进程中起到关键作用。4.初步选择了核桃FT-like(WALNUT_00002262)和FUL-like(WALNUT_00024135)两个基因作为候选基因,进行同源比较及克隆分析。FT-like的开放阅读框全长525 bp,编码174个氨基酸,内含一个PEBP结构域,系统进化分析发现FT-like编码氨基酸序列与拟南芥FT和TSF相似性最高,达到94%;FUL-like的开放阅读框全长747 bp,编码248个氨基酸,内含一个MADS-box结构域和一个K-box结构域,系统进化分析发现FUL-like编码氨基酸序列与拟南芥FUL相似性最高,达到72%。因此推测这两个基因是调控核桃开花的关键基因。同时构建了基因过表达载体,为研究这两个基因的功能奠定基础。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S664.1
【图文】：

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中国农业科学院研究生院硕士学位论文第一章引言1.4 研究目的及意义核桃雌雄异熟性导致核桃坐果率不高，直接影响核桃坚果的产量和质量，这是多年来核桃产业面临的一大挑战。但目前关于核桃雌雄异熟性开花机制的研究还不够完善。因此研究核桃雌雄异熟性有重要意义。本研究从形态学、分子生物学以及转录组学出发，对核桃雌雄异熟性的开花机制进行初步探究，了解河南地区核桃雌雄异熟两个核桃品种‘新早丰’与‘极早丰’的开花特性，确定核桃雌雄异熟开花的关键时期，了解核桃雄先型品种‘新早丰’与雌先型品种‘极早丰’雌雄异熟的特征，从基因的表达水平上了解核桃雌雄异熟机理，分析核桃雌雄异熟开花过程中特定基因的转录表达信息，以期为调控核桃花期、促进核桃优质高效生产奠定理论基础。

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‘极早丰’雌花芽处于雌花成熟期（图 2.2 J），‘新早丰’雌花芽处于雌蕊原基分化期（图2.2 I）。‘新早丰’雄花芽处于雄花成熟期（图 2.2 K），而‘极早丰’雄花芽处于花药分化期（图 2.2 L）。2.3 讨论2.3.1 花芽外部形态差异本研究对‘新早丰’与‘极早丰’不同发育时期的雌雄花芽进行形态观察。核桃花芽休眠期过后，从春季萌芽期，到盛花期，‘极早丰’雌花芽横纵径明显大于‘新早丰’，而两个品种雄花芽的横纵径正好相反。这一结论与温腾健等（温腾健等, 2017）在新疆核桃上对雄先型与雌先型品种雌雄花芽的研究结果相同。2.3.2 花芽内部结构差异核桃花芽各分化时期的外部形态与内部结构关联密切。雌先型品种雌花芽比雄先型品种分化更快，雄先型品种雄花芽比雌先型品种分化更快。在山东地区，赵勇刚等（2008）将核桃雌花芽分化时期分为生理分化期、形态分化临界期、雌花序原基和花柄原基分化期、雌花原基分化期、苞片原基分化期、花萼原基和雌蕊原基分化期、幼胚分化期和雌花成熟期 8 个时期，雄花芽的分化过程包括鳞片分化期、雄花序分化期、雄花原基出现期、雄花花被分化期、雄蕊原基分化期、花药分化期、雄花成熟期 7 个阶段。核桃雌雄花芽分化进程与核桃品种、地区地形、气候条件等密切相关，因此各项研究对于核桃雌雄花芽分化期的划分有所差异，尤其是花芽分化过程中各个时期的起始时间，且对应时期的命名也有所不同，但总体来说核桃花芽分化的过程可分为几个重要阶段（李中涛等, 1965; 韩其谦等, 1985; 钱银才等, 1989; 夏雪清等, 1989; 荣瑞芬等, 1991;赵勇刚, 2008）。目前新疆、河北、云南、浙江、山东等地区的核桃或山核桃花芽分化时期已见报道

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中国农业科学院研究生院硕士学位论文第三章核桃雌雄异熟花芽转录组分析及结果验证MAPK 信号转导通路（KO04010）、氧化磷酸化（KO00190）、植物昼夜节律（KO04712）、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢（KO00260）、淀粉与蔗糖代谢（KO00500）、光合作用（KO00195）、植物激素信号转导（KO04075）、光合生物中的碳固定（KO00710）、乙醛和二羧酸代谢（KO00630）、其他类型的 O - 聚糖生物合成（KO00514）等通路（图 3.2）。BAC

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