茄子单性结实关键基因鉴定与分析

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茄子(Solanum melongena L.)茄科,茄属植物。起源于东南亚热带地区,一般认为我国为第二起源地区,据FAO统计数据表明,2019年全球茄子种植面积约为184.8万hm~2,产量为5519.8万t左右,其中,我国种植面积为78.3万hm~2,产量3559万t,占全球茄子总产量的64.48%。茄子为喜温作物,适应性强、采收期长、产量高,是我国夏秋季主要蔬菜种类之一,尤其在平衡夏秋蔬菜淡季市场供应中发挥重要作用。茄子对环境适应性较广,但在实际生产中因低温、高温、寡照等环境条件下,易发生落花落果或结果不良、畸形果多等生理性障碍,严重影响了茄子产量和商品性,而具有单性结实品种能有效克服这些重量性障碍。本研究以福建省农业科学院作物研究所和福州市蔬菜科学研究所联合创制的具有单性结实自交系“T-2”和非单性结实自交系“T-11”为材料,测定了“T-2”在开花前3天(-3d)至开花后7d的花朵(去除花瓣后包含子房、花柄、花萼的花朵)激素含量变化。同时,对“T-11”与“T-2”进行转录组测序分析,从中筛选差异表达基因,并通过q PCR实验验证不同开花时期若干差异基因的表达情况,另外也进行了茄子农艺性状与单性结实相关性的分析,探究了茄子农艺性状与单性结实之间的相关性,并筛选出7种指标作为参考指标。主要研究结果如下:1、茄子不同花期花朵激素含量的变化分析以单性结实自交系“T-2”为材料,测定不同花期花朵ABA(脱落酸)、IAA(吲哚乙酸)、i PR(二氢玉米素核苷)、i P(异戊烯腺嘌呤)、t Z(反式玉米素)、tz R(反式玉米素核苷)、cz R(顺式玉米素核苷)等7种激素含量变化,结果表明:ABA在开花前期含量较高,随着开花期的临近开始降低,尤其是开花当天含量极低,且此后不再有增加。IAA、i PR、i P、t Z、tz R、cz R等6种激素在开花前后均有增有减,其中,i PR和i P在开花前含量较少,但两种激素均在开花当天含量骤增,且其含量水平远高于其他激素含量,而在花后又骤减;t Z含量开花前期逐渐增加,花后又开始减少,花后三天降至极低水平,且整个时期的含量较之其它几种激素均比较低;tz R、IAA、cz R这三种激素含量整体升降趋势一致,均为先升高,而后又开始急速降低,最后又有所升高,所不同的是,tz R含量在0d时先达到最高,而后开始出现降低,在5d时又有所升高,IAA含量则是在1d时升至最高,而后降低,最后在7d时又有所升高,cz R含量高峰时段出现最晚,在1d至3d含量到达高峰值,而后降低,最后在7d时含量有所升高。2、转录组测序与分析对“T-2”与“T-11”进行转录组测序分析表明:“T-2”总共有23353条基因,其中,已知基因数量有19567条,占已知参考基因组的占比为46.55%,未知基因有3786条;“T-11”总共有23721条基因,其中,已知基因数量有19919条,占已知参考基因组的占比为47.39%,未知基因有3802条。在T-11与T-2的表达差异统计中发现,显著差异基因有708条,其中上调基因439条,下调基因269条。GO富集分析表明:三大类富集中,生物过程(Biological Process)涉及的通路最多,共有15个下一级分类涉及355个通路,在这些通路中上调基因最多的3个通路依次为代谢过程(metabolic process)、细胞过程(cellular process)和单个组织过程(single-organism process);细胞组成(Cellular Component)共有9个下一级分类涉及37个通路,在这些通路中上调通路最多的3个为细胞(cell)、细胞组分(cell part)、细胞器(organelle);分子功能(Molecular Function)共有5个下一级分类涉及116个通路,在这些通路中上调通路最多的2个为催化活性(catalytic activity)和结合(binding)。KEGG富集分析表明:获得基因6365条,其中有141条显著差异基因,获得84条基因通路注释。3、若干相关基因的q PCR验证单性结实品系峰值几乎都出现在3d时期,而非单行结实品系峰值则有早有晚如:SmIPT、SmGA2、SmGA4、SmARF1、SmSAUR1、SmSAUR3、SmGH3.3、SmGH3.4在非单行结实品系中均在1d时出现峰值,而在单性结实品系中3d才出现峰值。SmGA1、SmGA3、SmARF2、SmGH3.1均在两个品系3d时出现峰值。SmTCP在两个品系中开花前1d不同,但在1d后均出现高峰然后下降,虽然高峰时间不同但趋势一致,且在单性结实品系T-2中出现峰值更早。SmNAC、SmSPB两个基因并不参与到茄子开花前期的调控中来。与抵抗胁迫相关的SmC2H2基因在茄子花期会发挥作用。总体来看,除了基因SmGH3.4在两个自交系表达峰值差异不明显,推测与单性结实自交系T-2形成单性结实无关外,推测其余15条基因(SmIPT、SmGA1、SmGA2、SmGA3、SmGA4、SmARF1、SmARF2、SmSAUR1、SmSAUR3、SmGH3.1、SmGH3.3、SmTCP、SmNAC、SmSPB、SmC2H2)均为具有单性结实自交系T-2能够形成单性结实的基因。4、茄子农艺性状与单性结实相关性分析通过茄子17种主要形态学性状特征进行评分分析发现与茄子单性结实强相关性的指标有:净果重、叶刺、商品果纵径;与茄子单性结实中等程度相关的指标有:主茎色、果鄂色、果实弯曲程度、商品果横径。这7种强相关性或中等程度相关性指标可以为后续茄子单性结实新品种选育、杂交育种的父母本选择等提供重要参考。综上所述,差异显著的关键基因及激素含量表达的变化,农艺性状与单性结实相关性分析可为茄子抗逆的单性结实品系育种分子机制探索、单性结实品种选育提供重要依据。
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