瘿椒树花转录组特征及功能性雄全异株繁育系统

发布时间：2018-12-09 15:21

【摘要】：雌雄同花(Hermaphrodite)是被子植物中最常见的类型,诸多的实验证据显示雌雄同花可以经过不同的途径进化形成雌雄异株(Dioecy)。雌雄同株(Monoecy)、雌全异株(Gynodioecy)、雄全异株(Androdioecy)等都可能是雌雄同花向雌雄异株进化的中间过渡阶段。其中,雄全异株的类型在整个开花植物的繁育系统中最为罕见。雄全异株种群由雄株和两性株构成,基于ESS(进化稳定策略,Evolutionarily Stable Strategy)的雄全异株理论模型预测,雄性个体要在两性种群中维持,其雄性适合度必需比两性植株高两倍以上,如果两性花自交可育,雄株则需要更高的雄性适合度。雄全异株繁育系统维持的条件如此苛刻,曾经一度认为功能性的雄全异株并不存在。形态上的雄全异株经研究多为功能性的雌雄异株,即种群中的“两性个体”并不具有雄性功能。然而,近年的研究已确认10种以上的被子植物为雄全异株植物,种群中的两性个体既能结实也能产生可育的花粉,同时具有雌性与雄性两种功能。瘿椒树(Tapiscia sinensis Oliver.)属于瘿椒树科(Tapisciaceae)瘿椒树属的多年生高大乔木,是我国特有的第三纪古热带的孑遗植物。因生境片段化,种群内个体数量稀少,自然更新能力差,生境受到破坏等原因,瘿椒树已处于濒危状态,被国际自然保护联盟(IUCN)列入濒危物种红色名录。研究发现,瘿椒树种群中雄株与两性株共存,表现出雄全异株繁育系统特征。虽然人工传粉实验表明,瘿椒树两性花花粉与雄花花粉一样能通过传粉成功结实,但在自然传粉的野生种群中瘿椒树是否为功能性的雄全异株尚不清楚。这种繁育系统是从何进化而来,是从雌雄同花向雌雄异株进化的过渡阶段,还是雌雄异株在花粉限制的情况下为了繁殖保障雌性个体又恢复了部分雄性功能?围绕这些问题,本研究进行了瘿椒树花的转录组测序,发现了一批与花发育相关的同源基因,开发了大量的SSR分子标记；运用父本分析的方法,对瘿椒树的繁育系统进行了分析,并运用群体遗传学的研究方法对瘿椒树种群进行了遗传多样性分析,探讨了其濒危的机制与保护策略。主要的研究结果如下：(1)瘿椒树花转录组测序数据组装后共获得平均长度为1116 bp的unigenes 52,169条。共有36,662条(70.27%)unigenes被注释,有10,002条(19.17%)的unigenes被归类到124个KEGG通路。获得了一批包含开花时间调控、花发育和性别相关的转录因子和候选基因。有224个unigenes参与到“淀粉和蔗糖代谢”通路,260个unigenes参与到“植物激素信号转导”通路,这些unigenes为研究花粉发育功能、性别分化调控奠定了基础。(2)对52,169个unigenes进行SSR查找,共获得10,371个位点,设计得到16,317对SSR引物。随机挑选150对引物进行进一步的验证,117对(78%)能成功地扩增目的片段,其中68对能产生明显的多态性条带(45.5%)。通过筛选,我们还得到了一对能够鉴定瘿椒树性别的SSR引物。运用6个多态性SSR分子标记可以区分基于不同地理位置的群体遗传差异。(3)利用12对多态性SSR引物对来自陕西宁陕(NS)、湖南永顺(YS)、湖南炎陵(YL)、湖北神农架(SN)的瘿椒树4个自然种群的8组实验样本,共91个候选父本、556个子代进行父本分析。在80%的置信度水平下运算,共为367个子代(66%)确定唯一的父本。在所有确定父本的子代中,来源于雄性和两性父本的子代分别为226、141个,分别占61.58%、38.42%。实验证明,瘿椒树的自然种群确为功能性的雄全异株,且自交亲和。(4)8组样品中,除了NS101S、YS26S两组外,其余6组的雄株与两性株的平均雄性繁殖力之比F均等于或大于2.0,基本符合雄全异株植物的ESS理论模型。瘿椒树两性个体具有超长生殖周期与花果同期的现象,两种性别花粉具有不同形状,雄花具有退化的雌蕊,风媒与虫媒结合的传粉特征,人工授粉结实率并不高于开放传粉的现象,这些特征均指向了雄全异株瘿椒树可能是从两性的祖先进化而来。(5)我们对上述四个瘿椒树居群加上贵州息烽(XF)居群,共5个居群进行了遗传多样性分析。结果显示,瘿椒树自然居群具有丰富的遗传多样性水平(PPL=100%, He=0.6904,I=1.4368)。较高的Shannon's指数表明了瘿椒树居群目前处于相对稳定的阶段。居群间遗传关系分析表明：湖南炎陵(YL)居群与贵州息烽(XF)居群间遗传距离最小(0.4829),陕西宁陕(NS)居群与贵州息烽(XF)居群之间遗传距离最大(0.9821),Mantel Test显示地理距离和遗传距离之间没有相关性。AMOVA表明,33.3%的变异来自于居群之间,66.7%的变异存在于居群内部。居群间中等程度的基因流(Nm=0.7274)不足以抵制居群内部的遗传漂变从而使居群间具有明显的分化(Fst=0.2987)。(6)本研究中,具有丰富基因多样性的湖南永顺(YS)和湖北神农架(SN)居群是遗传保护的重点,可以进一步通过增加个体数量,扩大居群范围来维持其稳定。湖南炎陵(YL)居群现存个体仅剩12株,应该严格进行保护避免种群灭绝的危险。在此基础上,可通过人工授粉、再引入等人工干预手段来稳定其结构。另外,对瘿椒树生境的保护也亟需给予重视。
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【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q943.2

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