黄毛草莓同源四倍体诱导及转录组研究

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黄毛草莓(Fragaria nilgerrensis)是广布于中国西南的二倍体野生草莓。其独特的果色、果香与较强的抗病性、抗逆性是重要的遗传育种资源,并且在拓宽栽培草莓遗传背景方面具有很大的潜力。由于倍性差异,二倍体黄毛草莓较难直接应用在八倍体栽培草莓育种中,两者遗传背景的较大差异导致杂交后代不育,因此对低倍性染色体进行加倍是野生草莓优良资源利用的有效途径。本研究以黄毛草莓为研究对象,通过对种子进行秋水仙素处理从而创制同源四倍体种质新资源;对同源四倍体进行流式细胞术鉴定后,比较其与二倍体植物表型特征与光合作用的差异;此外,利用转录组测序技术研究二倍体与其同源四倍体之间基因差异表达模式,探索染色体加倍后的分子调控网络。该研究将为多倍体草莓新种质获得提供重要参考依据,也将为植物基因组加倍初期的基因表达调控研究提供线索。主要研究结果如下:1.秋水仙素对黄毛草莓种子萌发特性及幼苗生长的影响通过5个秋水仙素浓度(0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%)和3个浸泡时间(12 h、18 h、24 h)处理未萌发的黄毛草莓种子,发现秋水仙素浓度和浸泡时间均对种子萌发有着极显著影响。并且高浓度秋水仙素和长时间浸泡,不仅会降低毛黄毛草莓种子的发芽率,还会抑制发芽势、发芽指数。对所有萌发出的幼苗进行倍性鉴定,虽未发现倍性变化,但对于幼苗的生长产生了较为显著的影响,0.15%秋水仙素浓度处理种子对幼苗有显著促进生长作用,其叶面积、茎粗、株高、叶柄长均与对照极显著差异,长势最好,并且通过光合作用特性比较发现同等条件下,此时的黄毛草莓对光环境的适应性较对照植株强。2.黄毛草莓同源四倍体的诱导使用不同浓度(0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%)秋水仙素浸泡露白黄毛草莓种子不同时间(24 h、36 h、48 h),结果显示,0.4%秋水仙素浓度处理48 h、24 h最好,四倍体加倍率达10%;0.5%、0.4%、0.2%秋水仙素浓度处理36 h次之。通过对生物学特性的统计分析可以看出,同源四倍体的茎粗、叶厚、株高、叶柄长极显著高于二倍体,叶面积显著高于二倍体,并且叶缘锯齿更明显、叶色更深、植株更健壮;同源四倍体植株的光合特性日变化中强于二倍体植株,通过直角双曲线修正模型拟合黄毛草莓二倍体、同源四倍体光响应曲线,随着光强的增加,同源四倍体与二倍体植株的Pn均明显增大,并且同源四倍体中拟合出的光和参数(AQE、Pnmax、LCP、Rd)明显高于二倍体,说明同等条件下,不同光照环境中同源四倍体植株比二倍体植株的适应性更强。3.黄毛草莓二倍体与同源四倍体比较转录组分析对二倍体黄毛草莓(Dip)、同源四倍体黄毛草莓(Tet)叶片进行转录组测序,通过差异基因统计分析,获得高质量差异表达基因(DEGs)有3142个,与二倍体相比,在四倍体中上调表达的基因为1275个,下调表达的基因为1867个,上调表达基因个数少于下调的基因个数。对总DEGs进行GO、KEGG分类功能注释。GO富集分析发现,黄毛草莓同源四倍体的抗性基因表达增强,但与细胞壁合成、碳水化合物代谢相关的基因表达下调;KEGG富集分析发现,黄毛草莓同源四倍体上调的基因显著富集于次生代谢产物的合成,如植物-病原菌互作、二萜生物合成等。从GO和KEGG富集结果来看,黄毛草莓同源四倍体抗病原菌、免疫应答相关基因上调明显,而且这种抗性的获得很大程度与次生代谢产物相关,如类黄酮、萜类化合物等。大量的研究表明萜类化合物具有广谱的杀菌、抗病的作用,因此我们对萜类化合物合成骨架通路相关的基因表达量变化进行了分析,结果显示有4个AACT、1个HMGS、MK、PMK、PMD、CMK、HDS、HDR、IDI、GPPS、SQS、6个HMGR、2个FPPS、SQE、α/β-AS、3个CYP716A在黄毛草莓同源四倍体中上调表达;尽管四倍体黄毛草莓显示了较强的光合作用和生长,但并没有富集到相关的通路,为了进一步研究生长发育相关基因的表达情况,我们通过差异表达基因筛选和排序对相关基因进行了进一步的分析和验证。筛选后发现和植物生长发育相关的基因在黄毛草莓四倍体中表达差异显著,将相关基因归纳为六类。推测这六类基因的表达变化可能与黄毛草莓二倍体、同源四倍体的生长发育以及表型差异有关。q RT-PCR的20个候选基因验证结果与转录组数据的表达趋势都一致,说明转录组测序结果真实可靠。
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