楸树重瓣花发育的分子调控机制研究

发布时间：2018-03-14 20:58

  本文选题：楸树　切入点：重瓣花　出处：《中国林业科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：楸树(Catalpa bungei C.A.Mey.)是紫葳科梓树属植物,中国特有的珍贵观赏和用材树种。重瓣楸树是近年来在湖北省新发现的天然突变体,其花器官第三轮原有的3个退化雄蕊同源异型突变成花瓣。本研究对楸树重瓣花与单瓣花发育的形态学进行了观察和比较,找到了楸树重瓣花形成和发育的关键时期;通过对楸树单瓣花的退化雄蕊、重瓣花的雄蕊状花瓣和正常花瓣进行mRNA转录组分析,筛选了调控楸树重瓣花形成的关键转录因子和基因家族;基于转录水平的MADS-box基因家族分析,克隆到了调控楸树花瓣和雄蕊发育的CabuPI和CabuAP3基因,以及调控雄蕊和雌蕊发育的CabuAG基因,进一步分析了这3个基因在楸树重瓣花和单瓣花发育过程中的表达模式和功能;利用免疫亲和富集和液相色谱串联质谱分析法,对楸树重瓣花发育过程中的赖氨酸乙酰化蛋白质组进行了定性分析,揭示了赖氨酸乙酰化在楸树重瓣花发育过程中的调控机制。结果表明:楸树重瓣花的第1轮是萼片,第2轮是花冠,第3轮有3个退化雄蕊均同源异型转变成的雄蕊状花瓣和2枚正常雄蕊,第4轮为雌蕊。将楸树重瓣花的发育过程划分为11个阶段(D1-D11),当重瓣花花芽处于D8(长度为9 mm)阶段,3个退化雄蕊均开始分化出花瓣,该时期是雄蕊状花瓣分化的关键时期;当重瓣花花芽处于D9和D10阶段,退化雄蕊分化出的雄蕊状花瓣结构明显伸长;D11阶段,花冠张开,雄蕊状花瓣伸出花冠。重瓣花雄蕊状花瓣与单瓣花退化雄蕊的差异基因表达数目为13 883个,其中上调表达为6 379个,下调表达为7 504个;重瓣花雄蕊状花瓣和正常花瓣的差异基因表达数目为2 329个,其中上调表达为1 486个,下调表达为843个。基于差异表达基因FPKM值的层次聚类分析,显示MADS-box基因家族在3个样品间的表达水平差异显著。其中,A类APETALA1(AP1)同源基因在重瓣花雄蕊状花瓣和正常花瓣的表达量显著高于单瓣花退化雄蕊,同时C类AGAMOUS(AG)同源基因在重瓣花雄蕊状花瓣和正常花瓣的表达量显著低于单瓣花退化雄蕊。此外,B类GLO/PI同源基因和E类SEP2同源基因在单瓣花退化雄蕊、重瓣花雄蕊状花瓣和正常花瓣中的表达水平差异均显著。从楸树单瓣花和重瓣花中克隆得到了pi同源基因(cabupi基因)。序列和系统进化分析表明cabupi基因聚类于双子叶植物pi进化分支,其c末端包含高度保守的pi基序。半定量pcr和实时荧光定量pcr分析表明cabupi基因仅在花瓣和雄蕊中表达。花芽早期分化的cabupi基因表达分析,显示楸树重瓣花花芽中的cabupi基因表达量高于单瓣花花芽。在花瓣的发育过程中,楸树单瓣花花瓣中的cabupi基因表达量高于重瓣花花瓣。但是,在楸树重瓣花发育的d8-d11时期,雄蕊状花瓣结构中cabupi基因表达量明显高于单瓣花花瓣。在雄蕊的发育过程中,楸树重瓣花雄蕊中的cabupi基因表达量高于单瓣花雄蕊。和野生型拟南芥相比,35s::cabupi转基因野生型拟南芥萼片变白,完全张开,雄蕊部分张开,且萼片边缘细胞与花瓣细胞结构相同;35s::cabupi转基因的杂合体拟南芥萼片部分变白且张开。与pi-1纯合体拟南芥相比,35s::cabupi转基因的pi-1纯合体拟南芥,花瓣完全恢复,但是雄蕊恢复为4-6个。从楸树单瓣花和重瓣花中克隆得到cabuap3基因。序列和系统进化分析表明cabuap3基因聚类于双子叶植物b类基因euap3进化分支。cabuap3基因的表达模式分析表明该基因仅在花瓣和雄蕊中表达。在花芽早期分化阶段,重瓣花花芽中的cabuap3基因表达量高于单瓣花花芽。在花瓣快速发育阶段,单瓣花花瓣中的cabuap3基因表达量高于重瓣花花瓣。但是,在楸树重瓣花发育的d8-d11时期,楸树重瓣花的雄蕊状花瓣中cabuap3基因表达量明显高于单瓣花花瓣。在开花阶段,cabuap3基因在楸树重瓣花雄蕊中的表达量高于单瓣花雄蕊。与拟南芥ap3-3纯合体相比,35s::cabuap3转基因的ap3-3纯合体拟南芥能恢复雄蕊的花丝状结构并产生雄蕊状雌蕊。表明cabuap3基因的异位表达能部分替代拟南芥ap3基因功能。从楸树单瓣花和重瓣花中克隆得到了cabuag基因。序列和系统进化分析表明,cabuag基因聚类于双子叶植物c类基因的euag进化分支。半定量pcr和实时荧光定量pcr分析表明,cabuag基因仅在雄蕊和雌蕊中有转录。在重瓣花发育的d8-d11阶段,cabuag基因在楸树单瓣花雄蕊中的表达量显著高于重瓣花雄蕊;同时,cabuag基因在雄蕊状花瓣中的表达量显著低于单瓣花雄蕊。在随后的雌蕊发育过程中,cabuag基因在重瓣花雌蕊中的表达量高于单瓣花雌蕊。与拟南芥ag-1纯合体相比,35s::cabuag转基因的ag-1纯合体拟南芥花瓣轮数明显减少,内轮萼片上出现柱头和胚珠结构,表明cabuag基因能部分替代拟南芥ag基因的功能。通过对单瓣花退化雄蕊、重瓣花雄蕊状花瓣和正常花瓣的转录组测序分析,发现大量差异基因的生物过程富集在蛋白修饰过程。本研究进一步对楸树重瓣花进行赖氨酸乙酰化蛋白质组定性分析,发现楸树重瓣花中有467个蛋白的667个赖氨酸位点发生了乙酰化修饰,这些蛋白涉及多种生物过程。分子功能的GO富集分析表明,这些乙酰化蛋白主要关联到结构分子活性、核糖体结构组分和氧化还原酶活性。其中,61个和13个乙酰化蛋白分别涉及糖代谢和氧化磷酸化途径,表明蛋白乙酰化修饰在楸树重瓣花发育的能量代谢途径中扮演重要调控角色。相应地,乙酰化蛋白的相互作用分析表明,这些相互作用蛋白主要涉及糖代谢过程、三羧酸循环和氧化还原反应。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分类号】：S792.99

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本文编号：1612880