温度和外源激素调控大豆节间发育规律及关键基因鉴定

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大豆(Glycine max L.)是我国重要的粮油饲兼用作物,在国民经济发展中具有重要的战略地位。同时,大豆也是我国东北地区的主要油料作物,种植面积和产量占全国的三分之一。自1996年以来,我国由大豆出口国转变为大豆净进口国后,进口量持续增长,对外依存度超过80%,严重威胁我国粮食安全。由于我国大豆种植面积增长潜力有限,所以提高大豆单产是提高总产的有效途径,成为大豆育种家的研究重点。大豆抗倒伏性是保证大豆高产稳产的重要性状,茎秆发育规律和化学成分是影响大豆抗倒伏性的关键因素,并受到温度和激素的调控,是大豆抗倒伏性强弱的重要形态和生理指标。因此,明确大豆茎秆发育规律及化学成分积累规律能够为大豆抗倒伏研究提供理论基础和资源鉴定依据,具有重要意义。本研究选取大豆品种东农50和Charleston,在室内培养箱和室外盆栽场分别种植。室内培养箱不同温度条件下对不同苗龄的东农50大豆上胚轴进行外源GA、IAA处理,分析节间生长的时空规律及基于18000余张徒手切片图像分析表皮细胞形态及基因表达量变化规律;同时利用液相色谱—质谱仪测定GA含量,分析主要代谢途径。在室外盆栽条件下,于旺盛生长期对不同密度的Charleston主茎最上面第2节、第3节间的细胞伸长区(EZ)和次生细胞壁成熟区(MZ)和第4节分别进行转录组测序,分析大豆节间GA和IAA代谢主要通路并挖掘调控节间生长的关键候选基因;同时对高(20-30℃)、低温(20-25℃)条件下苗龄10-15天的大豆幼苗进行茎秆木质素、纤维素、果胶的染色及含量测定,以及木质素合成相关酶4CL、PAL活性测定,确定大豆节间化学物质积累与生长发育的关系,试图从大豆茎秆生长发育角度为大豆抗倒伏研究提供理论基础和资源鉴定依据。主要研究结果如下:(1)大豆节间生长受温度和外源GA、IAA调节。温度升高能促进大豆对GA、IAA的响应速度。大豆对外源IAA的响应时间早于GA,GA对大豆节间生长的作用时间长于IAA。在25℃和30℃条件下,外源涂抹不同浓度的GA、IAA可以诱导大豆生长节间伸长,随着伸长量的增加,大豆节间变得纤细,对细胞作用效果主要为促进伸长。低苗龄时高温激素处理对节间的伸长效果高于低温处理,高苗龄时低温激素处理对节间的伸长效果高于高温处理。(2)大豆上胚轴表皮细胞长度和苗龄正相关;高温条件下的细胞长度大于或等于低温细胞长度;相同苗龄的大豆上胚轴表皮细胞长度在上胚轴形态学的上、中、下部依次增加,节间停止生长后的细胞长度规律为上部小于中部小于或等于下部。(3)鉴定到GA2氧化酶基因在大豆生长节间表达和较高含量的GA19和GA53,及这2种GA下游的GA20(活性GA前体),以及这条合成途径的活性GA产物GA3也被检测到都存在于细胞伸长区组织,说明从GA前体物质到GA53,再到GA19,通过GA20最终合成GA3是大豆节间生长的一条重要GA合成通路,进一步说明GA2氧化酶在大豆节间生长过程中有重要作用。因此,GA2氧化酶基因是调控大豆节间的重要关键候选基因,为后续半矮秆大豆分子标记开发提供了良好的关键候选基因基础。(4)挖掘到某些DELLA、GA和PIF基因家族成员具有组织表达特异性,为调节大豆节间和株高提供了候选基因。GA-GID1-DELLA复合物在大豆生长节间特异表达,针对GID1和DELLA基因家族能够筛选到调控大豆节间生长的关键候选基因。(5)IAA信号转导关键基因在大豆中存在多个组织共表达现象,也存在茎组织特异表达基因,可以对其进行表达量调控,特异调控节间长度。生长素诱导蛋白在多个节间有稳定高表达基因,针对这个基因家族能够筛选到调控大豆节间生长的关键候选基因。(6)大豆上胚轴木质素、纤维素含量随植株生长而逐渐增加,随节间形态学上、中、下部依次增高,高温条件下含量大于低温,4CL、PAL活性呈现相同规律。果胶含量在一定生长时期内规律相同。
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