莲种子大小与数量的比较转录组学研究

发布时间：2020-11-03 05:49

　　 莲(Nelumbo nucifera Gaertn.)是一种集食用、观赏和药用价值于一身的重要水生经济作物。莲子是莲的果实,同时也是非常受欢迎的水果。莲子产量是莲的一个重要的经济性状,受莲子重量和数量的影响。解析莲子发育,揭示调控莲子产量的分子机制,能够为后续选育高产量子莲的品种奠定良好的理论支撑。莲基因组数据公布以来,围绕莲花色、花期、地下茎等经济性状开展了大量科学研究,相关的研究基础为开展莲子产量的研究提供了良好的理论基础。根据实验目的,选择在莲种子(俗称莲子)大小和数量存在显著差异的野生品种“中国古代莲”(China Antique,CA)和子莲品种“建选17号”(Jianxuan-17,JX)为实验材料。由于莲子大小和物质积累是其重量的重要决定因素,同时心皮数决定莲子的数量,因此在莲子快速增长、物质积累和心皮分化阶段进行比较转录组学研究,以上研究有助于从转录水平上探索影响莲子产量的分子机理和调控网络。取得的主要研究结果如下:CA莲子呈现“细长”形状,平均每个莲蓬莲子数为16个,莲子百粒重为92.6 g。JX莲子为“圆胖”形状,平均每个莲蓬莲子数高达36个,百粒重为194.5g。在CA和JX中,相比莲子长度,莲子宽对以上两品种莲子大小的差异影响更大。JX相比CA具有更长的生长和物质积累时间。授粉后9天(days after pollination,DAP)到15天是莲子大小变化最显著的阶段,莲子为高淀粉水果,在此阶段也经历着淀粉从无到有,进而快速积累的阶段,结合莲子子叶在莲子大小的决定性作用和承担营养物储存的功能,选择9DAP、12DAP、15DAP的子叶作为研究莲子大小和重量的转录组学材料,分别命名为CA9,CA12,CA15,JX9,JX12,JX15。JX子叶具有更大的细胞,同时具有更多的细胞数量和淀粉含量。在莲子子叶转录组学分析中,共鉴定到22549个基因,其中包括了2414个莲基因组未注释的新基因。另外,CA和JX中特异表达基因数目分别为721和624。以FDR≤0.05和Fold change≥2为参数进行两两比较筛选差异表达基因(differential expression genes,DEGs),这些DEGs根据表达模式可以分为6类。从9DAP到15DAP,CA和JX中共同包含的DEGs有2895个,GO富集结果说明了这些DEGs参与到细胞增殖和基因表达过程中。光合作用(photosynthesis),光合生物体中的碳固定(carbon fixation in photosynthetic organisms),氮代谢(nitrogen metabolism)是这些共同表达DEGs中富集的KEGG pathway。CA和JX中特异表达的DEGs分别有1521个和4021各,氧化还原过程(oxidation-reduction process)和光合作用(photosynthesis)、叶绿体基质(chloroplast stroma)分别是在CA和JX特异的DEGs中富集的GO terms,而碳代谢(carbon metabolism)只在JX中特异表达DEGs富集的KEGGpathway。筛选出的候选基因中找到了可能调控莲子大小油菜素内脂(brassinosteroids,BRs)合成和信号途径的同源基因。这些基因呈现不同的变化模式,可能与他们在莲子大小的不同功能有关。AP2(APETALA2)和ARF2(AUXIN RESPONSE FACTOR 2)、ANT、GS5被认为通过调控细胞大小和数量来控制种子大小,本实验中共鉴定到9个相关的同源基因。此外,本实验中共鉴定到31个参与淀粉生物合成途径的候选基因,大部分基因的表达模式和淀粉合成具有一致性。同时大部分基因的表达量JX要高于CA,特别是高丰度基因,这也从转录水平上说明了JX具有更高的淀粉合成能力,以上表达量结果也与JX比CA具有更高的淀粉含量这一现象符合。共鉴定到7个淀粉合成限速酶AGPase编码基因,根据转录组数据和莲不同组织和莲子不同发育时期是表达量结果,推测NNU_05331和NNU_20629是起主要作用的候选基因。心皮分化时CA和JX花芽大小分别介于0.20-0.26和0.22-0.30之间。花芽转录组共鉴定到20651个基因。上调DEGs 472个,下调DEGs 445个,参与到生物学过程(biological process)和代谢(metabolism)的DEGs最多。另外,鉴定了可能参与心皮分化的5个候选基因,其中2个含有MADS-box结构域,另外3个含有homeobox结构域。本研究从转录水平出发,探索了莲子大小和数量的调控网络,并筛选了部分候选基因,为进一步研究开展莲子产量研究和高莲子品种选育提供了基础。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S682.32
【部分图文】：

具有不同形态特征的莲品种

莲的分类和用途

提升了莲的品牌效应，促进地方经济的增长。莲子加工能将莲子价值进一步提升，市场潜力巨大，前景广阔。不同莲品种在莲子重量和数量上差异明显（图1.3B）。莲子越大意味着越重，结合子叶在物质积累的重要角色，解析莲子子叶中物质的变化和积累过程也是揭示莲子影响莲子产量的重要步骤之一。对于莲而言，心皮数量越多，意味着更高的莲子产量，所以选择多心皮数的莲品种显得至关重要。部分莲品种，尽管具有较多的莲子数，但受到遗传因素等的影响，结实率较差，莲子产量并不符合实际生产所需要。图 1.3 莲子结构及不同数量和大小的莲品种Figure 1.3 Lotus seed structure and cultivars with different seed size and number
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本文编号：2868181