百子莲花芽分化过程中比较转录组分析及开花相关基因的克隆

【摘要】花芽分化是植物由营养生长向生殖生长转变的标志,它是一个形态建成的过程,同时也是一个极其复杂的生物过程,由大量基因参与调控形成复杂的调控网络,花芽分化的早晚直接影响开花时间。成花转变是不可逆的过程,受很多因素的影响,温度作为外源调控因子,对花芽分化具有重要的调控作用。本研究以百子莲(Agapanthuspraecoxssp.orientalis)为材料,通过解剖结构观察明确不同栽培条件下百子莲花芽分化进程,利用转录组学(RNA-seq)等技术分析不同栽培条件下不同分化阶段花芽间基因表达特征,挖掘百子莲成花转变过程中关键基因,为进一步采用分子手段调控百子莲开花提供基因资源。其主要研究结果如下：1、应用解剖结构观察,将百子莲花芽分化过程分为6个时期：营养期、诱导期、诱导后期、形态分化初期、形态分化期和花芽分化期。以室内栽培百子莲为对照,在低温营养生长期进行控温栽培,花芽分化明显提前,分化速率加快,花期提前50-66天；外源激素处理与对照组花芽分化进程无显著差别,赤霉素处理组花期提前10天。不同栽培条件下百子莲小花数量、花序直径大小、植株高度以及花器官的发育程度都有较大差别。与对照组相比,恒温处理小花数量减少34.7%,花序直径缩短1I.2%；而多效唑处理小花数量增多32%,植株高度缩短29.4%。2、本研究在前期转录组文库获得大量Unigene信息基础上,利用RNA-seq技术对百子莲不同分化阶段花芽基因表达谱进行分析。结果表明,不同分化阶段的花芽间差异基因数量较大,营养芽与其它分化阶段花芽间差异表达基因数量在4310-7105间,共表达基因1957个,诱导芽和花序芽中特异性表达基因分别是2655和1895个。共表达差异基因GO功能主要富集在质膜、细胞壁、细胞骨架、结合活性、转录活性、复制、生物调控、代谢过程等。诱导芽与花序芽特异性表达差异基因在转录、蛋白修饰、细胞周期、基因表达和表观遗传调控、花发育以及对刺激的响应过程等方面有很大的差别。PageMan功能显著性注释分析表明,1957个共表达基因参与的RNA转录过程、染色质结构与表观遗传修饰调控作用较强,物质能量代谢、次生代谢及能量运输过程较弱,生长素、赤霉素和脱落酸等内源激素和20多个转录因子家族的基因参与百子莲成花转变调控过程。差异表达基因Pathway显著性富集的有植物激素信号转导途径、DNA复制、淀粉和蔗糖代谢途等。鉴定了与拟南芥开花途径相关的34个重要开花基因,在百子莲花芽分化过程中大部分呈上调表达。3、对花期提前明显的变温处理百子莲花芽进行RNA-seq分析。与同时期取材温室内样品相比,差异表达基因2778-4173个。调控乙烯信号和细胞分裂素信号的基因上调表达,生长素信号减弱。Pathway显著性富集的有新陈代谢途径,次生代谢产物合成途径,戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化途径,淀粉和蔗糖代谢途径,DNA复制,内质网蛋白加工等。Mapman生物学功能注视结果表明,变温处理的百子莲样品中特异性表达的基因在脂质降解、蔗糖降解、光呼吸、修饰、细胞壁和氨基酸代谢等途径呈上调表达；而在糖酵解、卡尔文循环和脂肪酸合成过程中下调表达。变温处理过程中,有大量的基因参与了光周期及赤霉素信号转导途径,它们可能与百子莲花芽分化具有密切联系。4、应用RACE技术获得了百子莲CO、FT和VIN3同源的基因,分别命名为ApCOL、ApFT和ApVIN3。实时荧光定量分析表明,3个基因在百子莲不同发育阶段的组织和器官中表达具有空间差异性。ApCOL和ApFT在叶片中表达量均高于茎尖,诱导期花芽中ApFT表达量高于营养期和花芽分化期；ApVIN3在茎尖中表达量受温度的调控,随着低温时间的延长逐渐上升。这3个基因可能在百子莲成花诱导的过程中发挥重要作用,可对其功能和调控机理进行深入研究。
【作者】石玉波；
【导师】卓丽环；
【作者基本信息】东北林业大学，园林植物与观赏园艺，2014，博士
【关键词】百子莲；花芽分化；转录组测序；差异表达基因；成花途径；基因克隆；

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