紫薇分枝角度相关基因挖掘与功能鉴定

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lhaoyue
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植物株型与农作物、园艺植物的产量等经济价值密切相关,株型改良越来越受到植物育种工作者的重视。针对木本观赏植物而言,植物株型包括直立型、垂枝型、曲枝型、匍匐型等,多样的株型呈现了自然之美。分枝角度作为一个重要的株型性状,对株型的形成具有较大的贡献。近年来关于分枝角度的研究日益增多,主要集中在水稻、玉米等禾本科植物,然而控制木本植物分枝角度形成的分子机制仍然未知。紫薇(Lagerstroemia indica)花期长、花色丰富、株型多样,被广泛应用于园林景观建设中。紫薇属植物分枝角度变化丰富,是研究木本植物分枝角度机制的理想材料。为了研究紫薇分枝角度性状形成的分子机制,本研究以L.fauriei(母本)和L.indica‘Creole’(父本)杂交所得的大分枝角度子代与母本回交构建的BC1群体为试验材料,开展性状表型分析、外源GA3处理、转录组测序和候选基因病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing,VIGS)等研究。主要结果如下:(1)将BC1群体中的174个子代按分枝角度从大到小排列,前10个子代的分枝角度平均值为66.95°,组成大分枝角度极端池,记作W型;最后10个子代的分枝角度平均值为12.51°,组成小分枝角度极端池,记作U型。两种株型紫薇植株的开张角度和株高均具有显著差异。在解剖结构上,W型紫薇的内皮层细胞和韧皮纤维缺失。W型紫薇扦插株系腋芽在刚萌发时,就呈现较大的分枝角度,当节间数目为6时,已完成枝条的弯曲生长,枝条逐渐以水平方向或正向重力方向生长,最终下垂生长;而U型紫薇在整个生长期都以负向重力方向生长。外源GA3处理可恢复W型紫薇新生枝条的负向重力性生长,但对于已发育成熟的原生枝条没有显著影响。说明紫薇分枝角度主要决定于腋芽的早期发育阶段。(2)转录组差异表达基因KEGG功能富集分析显示,淀粉和蔗糖代谢、昼夜节律、苯丙烷类生物合成、植物激素信号转导通路可能参与紫薇分枝角度的调控。加权基因共表达网络分析显示,激素相关的二萜类生物合成、油菜素类固醇生物合成、植物激素信号转导途径与紫薇分枝角度调控相关。此外,淀粉和蔗糖代谢、类黄酮生物合成、苯丙氨酸代谢和苯丙烷类生物合成等途径也与分枝角度相关性强且被显著富集。(3)赤霉素负调控元件Lfi GRAS1在W型紫薇的茎尖和茎中都具有较高的转录水平,较U型紫薇显著上调表达。抑制Lfi GRAS1的表达可使W型植株新枝条的分枝角度减小,挽救或延迟新枝条的弯曲生长,表明Lfi GRAS1可调控紫薇分枝角度。在W型的腋芽、茎尖和茎中Lfi GA2ox的表达水平显著高于同组织的U型。抑制Lfi GA2ox的表达可促进W型紫薇侧芽的生长。Lfi DAD2在U型紫薇的腋芽和茎尖中高表达,抑制Lfi DAD2的表达水平可促进U型紫薇侧芽的生长。说明Lfi GA2ox和Lfi DAD2在控制分枝数量上具有重要作用。本研究通过分析影响紫薇分枝角度的关键因素,初步解析了调控紫薇分枝角度的关键基因,为定向培育株型优良的紫薇提供了候选基因与理论基础。
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