板栗混合花序分化生理特征及其转录组分析

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板栗(Castaneamollissima)是我国重要的木本粮食树种,在助力脱贫攻坚、乡村振兴、维护我国粮食安全等方面具有十分重要的作用。板栗生产上存在雌雄比例失衡,雌花偏少、雄花过多的现象,严重制约了板栗的产量。因此,本研究以‘檀桥’板栗混合花序为材料,利用体式显微镜解剖和石蜡切片技术,观察‘檀桥’板栗混合花序雌雄花分化的细胞解剖学特征;采用高效液相色谱和酶联免疫法,分析‘檀桥’板栗不同发育阶段的混合花序雌雄花的内源激素含量;通过RNA-seq测序技术和生物信息学等方法,筛选调控雌雄花发育的相关基因,为板栗花形态建成与性别调控提供重要的理论基础。主要研究结果如下:1.明确了‘檀桥’板栗混合花序雌雄花分化的细胞学进程。利用植物显微技术对‘檀桥’板栗雌雄花外部形态和内部形态进行观察。结果表明,在湖南长沙地区,‘檀桥’板栗混合花序分化从4月中旬开始,于5月下旬花开放后结束,经历大约45天。雌花分化划分为8个时期,分别为花簇苞片原基分化期、花簇原基分化期、萼片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期、雌蕊伸长期、开花期和子房形成期。雄花发育过程可以划分为9个时期,即花簇苞片原基分化期、花簇原基分化期、萼片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期、雄蕊伸长期、花药形成期、花药发育期和开花期。2.探明了‘檀桥’板栗混合花序雌雄花分化过程中的激素含量变化特征。通过高效液相色谱和酶联免疫技术,对‘檀桥’板栗混合花序雌雄花不同分化阶段的生长素、赤霉素、玉米素、脱落酸、乙烯、油菜素内酯、水杨酸和茉莉酸等内源激素含量进行了测定。结果表明,雄花中水杨酸、赤霉素、脱落酸均显著高于雌花,这三种激素可能更多地参与板栗雄花分化过程;雌花中玉米素和茉莉酸含量均显著高于雄花,这两种激素可能更多参与了板栗雌花分化过程;雌花中油菜素内酯和乙烯含量均略高于雄花,但没有显著差异;‘檀桥’板栗雌雄花中生长素含量均呈“M”型变化的趋势。3.筛选出‘檀桥’板栗混合花序雌雄花分化的相关基因。通过对板栗混合花序雌雄花分化期(30个样本)进行转录组测序、生物信息学等分析,发现板栗雌花在4个发育阶段差异表达基因共4 331个;板栗雄花在4个发育阶段差异表达基因共9 977个;同时在4个发育阶段雌雄花均差异表达的基因有971个。‘檀桥’板栗雌、雄花不同发育阶段差异基因以及不同发育阶段雌雄花差异基因的GO和KEGG结果显示,植物激素合成和转导、淀粉和蔗糖代谢等与‘檀桥’板栗雌雄花发育过程密切相关的生物过程和代谢通路被注释。挖掘到20个植物激素相关的差异基因与‘檀桥’板栗雌雄花分化有关。其中9个基因在雌花中的表达量高于雄花(AOS3、YUC4、IAA27、CKX3、UGTK5、UGTK4、TPS28、GA2OX1、CYP724B);11 个基因在雄花中的表达量均高于雌花的基因(GA3OX1、GA2OX2、CYP707A1、CYP707A2、CKX1、ARR17、IAA17、IAA7、AUX22、GH3.17、TGA10)。同时筛选出18个转录因子与‘檀桥’板栗雌雄花分化相关的差异基因,发现部分转录因子随着花的发育表达下调,如WRKY40、bHLH92、HSP17.7、FD、AHL23、bHLH52、ERF084、VRN1等。相比之下,部分转录因子随着花的发育显著上调,如KUA1、AMS、NAC056、AIL1、MYB26等。通过WGCNA分析,挖掘出10个基因,其中IDD7基因可能是板栗雌花发育的关键基因。这些结果为深入研究‘檀桥’板栗混合花序分化的分子调控机理奠定了基础。
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