莴苣茎刺和叶刺基因的遗传定位与功能分析

发布时间：2020-11-02 23:57

　　 莴苣(Lactuca sativa)起源于地中海沿岸,其野生种为Lactuca serriola。为了防止动物以及昆虫的取食,野生莴苣大部分存在自我保护机制—“刺”,而这一性状在驯化过程中丢失。通过调查实验室莴苣种质资源,发现刺存在莴苣的两种器官,即叶脉和茎。第一种为叶脉和茎同时存在的刺;第二种仅在叶脉中存在的刺。为了克隆控制叶脉和茎的刺形成基因,分别利用了不同的茎刺和叶刺分离群体进行定位。实验室前期对控制茎刺形成的基因进行了精细定位,定位在5号染色体的306.31Mb—307.31Mb,根据栽培基因组注释,该区段内的基因功能注释与已报道刺相关的基因均不同。为此,我们利用PI491245×W111的F_(4:5)分离群体的2,000株重新进行定位。重定位后发现控制茎刺形成的基因仍然定位于该区域,但定位区间比之前定位扩大了约1Mb,定位于305.22Mb—307.26Mb。通过分析定位区段基因功能注释、LncRNA序列差异、候选基因编码区序列差异、基因表达差异等方面,确定了一个与细胞分裂相关的基因(Cell division protein ftsZ),该基因不在前期研究确定的候选区段但在本研究的候选区域内,该基因在茎刺池与无刺池存在表达量的差异。构建该基因超量表达载体,转化无刺莴苣C20,获得T0代转基因植株。在T0代植株中,部分转基因植株在叶脉上出现了刺的表型,该基因的表达量有一定的升高,推测该基因在表达量较低时只能出现叶刺性状,而不能形成茎刺性状。在叶刺分离R37群体中存在叶脉刺有无的分离。在该群体中等量取20株叶脉有刺植株叶片混合成有刺极端池,等量取20株叶脉无刺植株叶片混合成无刺极端池,提取RNA,送公司进行二代测序。利用实验室已经开发的分析BSR-seq脚本,发现至少存在4个以上的位点控制叶刺的形成,其中在5号染色体上存在一个与控制茎刺形成一致的位点,分子标记验证定位区段与控制茎刺形成为同一位点。在第6、8、9号染色体上也存在控制叶刺形成的位点。本研究为生菜刺形成控制基因的克隆奠定了良好基础,可以丰富生菜的驯化研究。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S636.2
【部分图文】：

目前对于对茸毛的起始和发育还缺乏详细了解。所有多细胞生物都面临着协调细胞增殖与细胞分化的挑战，这种协调的缺陷可能导致不正确的组织形成、器官畸形和癌变生长。腺毛是维护协调性良好的例子，茸毛是一种复杂、高度组织化和极化的细胞结构，其形态结构由一系列复杂的分子过程调节，因此茸毛被视作解决细胞特化问题的范例，一个完整的茸毛发育过程需要多个基因参与细胞信号传导、调节细胞分裂和促进细胞分化从而形成一个特化的细胞结构。茸毛的起始和发育存在许多未知数，一个原表皮细胞分化成茸毛细胞需要环境和内源性信号的共同作用。茸毛形成的初期，基因的表达调控细胞专一性转录导致细胞特异性分裂。在形成腺状体茸毛头部的初期需要对特定的细胞进行细胞壁重塑。还存在另外一种方式调控茸毛的其他部分形成，表皮细胞通过细胞与细胞间的信号传导调控其它表皮细胞分化成茸毛的茎。茸毛的生长发育首先通过单个表皮细胞的扩大，然后接着几个表皮细胞分裂形成垂直于表皮的茸毛结构。这种高度调控的分化程序还包括细胞极化和局部的细胞壁裂解和重塑(Bergau et al., 2016)。

图 2 单细胞茸毛调控途径Fig. 2 Regulation pathway of unicellular prickle拟南芥作为研究单细胞茸毛最多的植物，单细胞茸毛的发育调控网络已经研究的相对完善。在自然界中还存在一些多细胞茸毛植物，如茄科植物中的番茄、瓜类植物中的甜瓜、黄瓜、西瓜，菊科植物中的向日葵等。单细胞和多细胞茸毛的发育可能受不同的分子机制控制，在番茄中发现 Wo 基因，通过编码一种HD-ZIP IV 转录因子该基因控制番茄茸毛的形成且该基因为纯合时表现为胚胎致死现象(Yang et al., 2011)。该基因与 SlCycB2 基因互作，Wo 基因通过调控SlCycB2 基因的表达从而影响茸毛的形成。通过将 Wo 基因在拟南芥中超量表达但未发现该基因影响拟南芥的茸毛生长发育(Changxian et al., 2011)。从而进一步证明单细胞和多细胞茸毛的发育可能受不同的分子机制控制。在甜瓜中发现基因Cmgl 通过编码 HD-ZIP IV 转录因子调控甜瓜茸毛的形成(Zhu et al., 2018)。在黄瓜中调控茸毛或刺形成的基因有 TBH(Chen et al., 2014)、MICT(Zhao et al.,

莴苣刺基因的遗传定位与功能分析构可分为四种。HD-Zip 蛋白一直被证明主要参与生物进程，如非生物应激反应分生组织调节等毛状体生长发育(Hong et al., 2012)。1.2 莴苣属的茸毛（刺）的类型莴苣属植物包含 1550 多个种(Bremer & Anderberg, 1994)，乳白色乳胶和花的结构是明显区别于菊科其它植物的特征。莴苣属是菊科中的一部分，番荔枝科和野樱科跟菊科属于亲缘植物。莴苣属大部分存在于北半球（地中海地区、亚州中部和北美地区），主要是草本植物，也存在少数灌木状植物，莴苣属叶片通常是交替或排列成莲座状。茸毛的类别根据形态学、孢粉学和细胞学可以分为 个子类，在莴苣属植物中主要存在三种类型的茸毛。A 类型为短圆锥形茸毛，B类型细长型茸毛，C 类为顶端突出型细长茸毛。
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本文编号：2867776