毛竹MADS-box基因的鉴定及其在花器官发育中的功能

发布时间：2017-12-21 14:25

  本文关键词：毛竹MADS-box基因的鉴定及其在花器官发育中的功能　出处：《中国林业科学研究院》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 毛竹 花器官 MADS-box ABCDE PheMADS15

【摘要】：竹子是世界范围内非常重要的非木质森林资源,部分产品具有替代木材的作用。竹子是多年生一次开花的植物,而大多数竹子开花后死亡,导致竹林面积减少,对经济发展和生态环境造成重大损失和破坏。多年来,人们对竹子开花做了大量的研究,主要的研究工作仅限于竹子开花习性调查记录,生理生化指标的测定,花器官的解剖研究,对竹子花器官发育分子机制的研究极少。MADS蛋白是植物非常重要的一类转录因子,在花器官发育过程中起着非常重要的作用。因此,开展毛竹花器官发育及MADS-box基因的研究,探讨竹子成花机理,具有重要理论和现实意义。本研究以毛竹的花器官为材料,以未开花的叶片为对照,通过Hiseq2000高通量转录组测序技术进行深度测序,比较转录组水平MADS-box家族基因表达丰度的差异,分析毛竹花器官发育中关键的MAD-box基因;利用原位杂交实验进一步验证MADS-box基因在花器官中的功能,推测毛竹是否存在ABCDE模型;通过对关键的MADS-box基因在拟南芥中进行功能验证,揭示关键基因在花器官发育中的作用,为竹类植物花器官发育的调控研究提供借鉴。主要研究结果如下:通过HMMER搜索、系统发育分析,同源比较、基因结构和基序分析等生物信息方法,对毛竹MADS-box基因家族进行了鉴定。结果表明,毛竹中有34个MADS-box基因,分为MIKCC、MIKC*、Mα、Mβ等四个亚家族;发现大部分的MADS-box基因的内含子数在1-8之间,MADS-box蛋白的长度在62-376 aa之间;多数MADS-box成员属于MIKCC和MIKC*类型;毛竹MADS-box家族基因大部分功能异化,经历了较快的出生率和死亡率。对MADS-box家族基因在花发育四个时期进行表达模式分析,发现ABCDE类基因表达差异最为显著,其中A和B类基因在花芽形成期和花序轴生长期高度表达,在花序成熟的过程中表达量下降。相反,C、D和E类基因在花芽形成期表达量不高,主要在盛花期和幼胚形成期高量表达。以上结果表明,毛竹ABCDE基因在花器官中的发育起着重要的作用。通过Illumina高通量测序技术对毛竹花芽、颖片、稃片、雌蕊、雄蕊、幼胚和苞片及未开花的叶片进行转录组测序。与未开花毛竹的叶片相比,共鉴定出13,051基因至少在不同花器官中差异表达(FDR≤0.001,log2 Ratio≥1),其中,有7,831个上调基因和5,220个下调基因。不同花器官的差异表达基因的数量呈动态变化模式,花芽和雌蕊中差异表达基因最多,而颖片中差异表达基因数量最少。通过分析MADS-box家族基因在不同花器官中的差异表达,发现A类PheMADS15、PheMADS18-1、PheMADS18-2主要在花芽中表达,而A类PheMADS29和Phe MADS31在幼胚和苞片中有较高的表达量;B类PheMADS2、PheMADS4-1和PheMADS4-2在雄蕊和雌蕊发育中表达量最高;C类PheMADS21和D类PheMADS3主要在雄蕊、雌蕊和幼胚中高量表达;E类PheMADS1在花芽、稃片和颖片都有表达;以上结果说明,毛竹ABCDE类基因的表达模式与经典花器官的ABCDE基因基本保持一致,但是具有特殊性。通过原位杂交实验表明,毛竹中MADS-box家族中A类PheMADS15在生长锥顶端表达量比较高;B类PheMADS4-1主要在雄蕊中高量表达;C类PheMADS3和D类PheMADS21在颖片、外稃、Qg稃、雄蕊和发育中的幼胚表达都有表达,但是在浆片中表达极低;E类基因PheMADS1在花芽形成期到盛花期表达量较高,而PheMADS5在盛花期和幼胚期有较高的表达量;进一步推测,毛竹ABCDE类基因可能调控花器官的发育,适用于植物的ABCDE模型。MADS-box家族分析和原位杂交实验表明,PheMADS15基因在花芽形成期起着非常重要的作用。亚细胞定位实验进一步表明,PheMADS15定位于核内,是典型转录因子的特征,转录激活实验表明PheMADS15具有转录激活活性。将PheMADS15在拟南芥中进行过表达,发现拟南芥有提前开花现象,与野生拟南芥相比,转基因株系中SOC1和LFY表达量明显上升,TFL1表达量下降,说明PheMADS15可能通过调控SOC1、LFY和TFL1的表达来调控开花。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S795.7

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