同源多倍化对菊花脑生长发育及其耐盐性影响的转录组学分析

发布时间：2018-05-10 08:54

  本文选题：菊花脑 + 同源多倍体化　； 参考：《南京农业大学》2016年博士论文

【摘要】：多倍化(Polyploidization)在自然界是一种很常见的现象,一直被认为是重要的进化动力之一,多倍体在生态习性,生理特征以及生长和发育等方面往往优于它们的祖先二倍体种。菊花脑(Chrysanthemum nankingense)是菊科菊属多年生草本植物,是栽培菊的近缘野生种,属于二倍体(2n=2x=18)植物,相对于六倍体栽培菊,二倍体菊花脑具有相对简单的遗传背景并且很可能参与栽培菊的起源。本实验室之前通过秋水仙素加倍和染色体鉴定获得了同源四倍体菊花脑(2n=4x=36),四倍体菊花脑株型高大,茎杆加粗,叶片变厚变大且叶色加深,花期延迟,抗逆性提高。本研究旨在揭示不同倍性之间菊花脑生长发育以及抗逆性的差异及其分子机制,为菊花的生产提供理论基础和实践指导。主要结论如下:1.miRNAs在植物生长发育中扮演很重要的角色,运用RNA-seq技术对于二倍体和四倍体菊花脑进行miRNA测序,二倍体和四倍体中分别测序获得162和161保守miRNA。在二倍体菊花脑中,这些miRNA主要集中分布在22nt和25nt,但是在基因组加倍后主要集中分布在21nt和24nt。另外,在二倍体和四倍体预测得到了 61和65 novel miRNA。多倍化后,miRNA的表达量发生很大的变化,从而影响其靶基因的多样性,这些与miRNA相关的靶基因在生长发育中发挥着重要的作用,例如SPL,ARF,TIR等。因此,我们认为多倍化可能快速的影响miRNA的分布,并且miRNA的表达变化通过影响靶基因的变化对四倍体菊花脑的生长优势有一定的贡献。2.多倍化影响菊花脑叶片中叶绿素含量和叶绿体的数量,增强多倍体的光合能力。与二倍体菊花脑相比,多倍化后四倍体菊花脑叶片中的叶绿素a/b含量以及叶绿体的数量显著增加;四倍体菊花脑具有更大的生物量(干重)。通过生物信息学分析发现,在四倍体菊花脑中,叶绿素合成路径的相关基因表达显著上调,例如HEMA/B,GSA和CHLH等。另外,由于基因组加倍,光合路径中的相关关键酶的基因表达量上调,如RbcS,TPI和PGK等,光合能力的增强促使四倍体比二倍体具有更大的生物量。3.开花是植物生命周期中最重要的生命特征,也是植物从营养生长阶段向生殖生长阶段转变的重要标志。多倍化不仅影响植物的生长势,也影响植物的花期。多倍化后,与二倍体相比,四倍体菊花脑出现晚花,晚于二倍体菊花脑4-5天,通过RNA-seq和生物信息学对菊花脑花芽分化阶段的数据分析,光周期途径相关同源基因在二倍体中上调表达,二倍体菊花脑对光周期响应要强于四倍体菊花脑;开花抑制因子FLC和FRI在四倍体上调表达,参与负调控四倍体的花期与花芽分化;生长素响应因子同源基因ARF1和ARF2在四倍体中上调表达,可能参与抑制了四倍体菊花脑营养阶段向生殖阶段的转变;另外,大量转录因子在菊花脑花芽分化阶段差异表达,例如MYB2和MYB44-like等,参与调控菊花脑生长和花芽分化。植物的花芽分化及花期调控是一个复杂的调控网络,综上这些因素或许是造成四倍体晚花的原因,也为菊花的育种提供一定的理论基础。4.盐胁迫是一个全球性的问题,盐胁迫也是影响植物生长、品质和产量的重要非生物胁迫之一。对不同倍性的菊花脑用200mM NaCl处理,根据植株叶片形态特征的变化,与二倍体相比,四倍体菊花脑具有较强的耐盐性。离子含量测定发现二倍体和四倍体菊花脑根部离子含量变化趋势一致,处理24h后,二倍体菊花脑地上部分叶片中Na+和K+含量出现显著变化,但是四倍体对盐离子变化较为迟钝,具有较强的耐盐性。对盐胁迫处理后的菊花脑及其同源四倍体进行RNA-seq测序,并且经过生物信息学分析总共检测得到79个家族的转录因子。与二倍体菊花脑相比,四倍体菊花脑中SOS1的表达上调,具有较强Na+外排能力;同时在四倍体中与K+运输相关的基因表达上调,包括KUP2,KE4等。盐胁迫后,与ABA生物合成以及信号传导途径的基因表达上调,ABA途径参与菊花脑的耐盐性。另外,液泡膜上的离子转运体相关基因CAX3和NHX1在四倍体中上调表达,起到储存Na+和调节盐胁迫响应的作用。大量的转录因子包括MYB, WRKY, NAC, bHLH以及AP2/ERF,在盐胁迫下发生显著差异变化,参与调控菊花脑耐盐性。
[Abstract]:The research aims at revealing the difference between the growth and development of the tetraploids and its molecular mechanism in the growth and development of the tetraploid chrysanthemum . In addition , the expression of Na ~ + and K ~ + in the leaves of tetraploid chrysanthemum is regulated by means of RNA - seq and bioinformatics , which may be involved in the regulation of flower bud differentiation and flower bud differentiation .

【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S682.11
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本文编号：1868662