‘火焰’卫矛胚乳三倍体植株再生体系及其低温GA3解除芽休眠分子机制

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‘火焰’卫矛(Euonymus alatus‘Compacta’)为卫矛科卫矛属落叶灌木,夏季叶色浓绿,秋季叶色火红,秋末冬初火红果实密集垂挂枝头,是美国重要观赏园艺植物。康涅狄格大学利用胚乳三倍体细胞育种技术培育获得‘火焰’卫矛三倍体植株,为卫矛属首例。我国引入该技术以期为卫矛乃至卫矛属植物的三倍体培育获得启示和技术参考。本文主要将引进技术吸收转化,优化胚乳细胞再生植株体系,形成我国自主知识产权的体细胞三倍体培育技术;建立原生质体游离体系,为开辟新的细胞工程育种提供基础;优化生根试管苗芽休眠解除技术,在低温处理基础上整合赤霉素处理,显著缩短解除进程,提高生产效率;探索休眠解除生理机制,揭示转录组基因表达调控休眠解除生理生化反应,初步建立生根试管苗芽休眠解除的分子调控蓝图。主要结果叙述如下:1.建立我国‘火焰’卫矛胚乳三倍体细胞诱导成完整植株的细胞工程技术‘火焰’卫矛种子表面消毒,有效氯浓度为1.5%的消毒液处理30 min,去污染率高达84.44±6.94%。胚乳愈伤组织诱导培养基为MS无机盐+WPM有机物+6-BA 0.25mg/L+NAA 0.50mg/L,p H 5.8。胚乳含胚暗培养4 W去胚,继续培养4W或胚乳去胚在添加GA3 0.20mg/L上述培养基上暗培养8 W,转为光照培养4 W,愈伤组织诱导率可达45.83±1.44%。不定芽诱导培养基为MS无机盐+WPM有机物+6-BA 4.0mg/L+IBA 0.10mg/L,p H 5.8,诱导率可达18.33±2.88%,其中,三倍体为30.43%,胚乳细胞三倍体植株再生率为2.56%。为探索胚乳三倍体细胞原生质体再生途径建立了原生质体游离体系。‘火焰’卫矛胚乳愈伤组织细胞4℃预处理12 h,置于含0.6 mol/L甘露醇、3.0%纤维素酶、2.0%离析酶及0.25%果胶酶的CPW溶液中,27℃下黑暗静置8 h。1 g愈伤组织获(1.22±0.04)×10~7个原生质体,存活率91%,为富集三倍体原生质体积累基础。2.完善生根试管苗芽休眠解除技术,建立‘火焰’卫矛微型繁殖技术体系‘火焰’卫矛不定芽增殖培养基为DKW+6-BA 4.0mg/L+IBA 0.05mg/L+蔗糖30 g/L,增殖系数为3.73±0.46,平均生长量为1.07±0.24 cm。不定芽生根为,在培养基Ⅰ(1/4 WPM+IBA 2.0mg/L)上生根诱导时间为21 d;在培养基Ⅱ(1/4WPM+蔗糖10g/L+活性炭2.0 g/L)上继续培养,培养条件为:温度(24±1)℃,光照强度3,000 lx,光周期16 h/8 h(光/暗),不定芽生根率为98.89±1.92%,平均生根数为2.73±0.15,平均根长为3.41±0.06 cm。生根后的试管苗随即进入芽休眠。生根试管苗芽休眠解除,在前人研究的低温处理90 d解除芽休眠方法基础上建立了低温和赤霉素GA3组合处理方式,生根试管苗处理45 d,芽休眠解除率达83.33±6.67%。生根试管苗移栽炼苗,移栽基质为珍珠岩,炼苗初期以塑料膜覆盖,保持空气湿度80%~90%,炼苗成活率为98.89±1.92%。3.揭示生根试管苗芽休眠解除的分子生理机制‘火焰’卫矛生根试管苗芽休眠解除过程遵从S型曲线变化,低温处理(TC)的迟滞期、快速增长期和平台期分别为35 d、49 d和70 d,低温和赤霉素GA3处理(TC+GA3)则分别为5 d、25 d和45 d,GA3处理显著缩短低处理过程所需的迟滞期。转录组测序分析芽休眠及其解除的基因表达调控机制,构建21个转录组文库(对照,低温和低温GA3处理的迟滞、快速、平台期,3个重复),测序获得143.95Gb核苷酸序列,组装获得54,012个转录本,GO、KOG、KEGG数据库中注释转录本数量分别为17,554(32.50%)、14,100(26.11%)、8,707(16.12%)。转录组差异表达基因(DEGs)表达量以RT-q PCR验证,20个芽休眠解除相关的DEGs表达量RNA-seq数据与RT-q PCR数据高度相关(R=0.751),证实了RNA-seq数据的有效性。休眠芽的DEGs在脂肪酸生物合成、基于微管的运动、二元系统、植物激素信号传导等通路显著富集,探究了芽休眠的分子机制。芽休眠解除过程中,TC和TC+GA3的DEGs均在活性氧积累、乙烯和生物钟等相关通路显著富集;而TC+GA3的DEGs在TCA循环和氮代谢等通路特异性富集。蛋白互作分析表明抗增殖蛋白PHB3、转录因子CBF5、MAPK级联组分MKK2和MAPK3、乙烯信号调控子EIN2和ABA响应因子ABI5可能在两种处理解除芽休眠过程中均发挥关键作用。代谢通路调控分析提示,GA3解除芽休眠可能与以下基因表达调控的代谢途径有关,呼吸代谢途径的三羧酸循环和氧化磷酸化(电子传递链即能量代谢)活跃,而超氧歧化酶SOD2和过氧化物酶APX3显著下调;植物激素乙烯代谢活跃而ABA则被抑制,信号传递MAPK级联通路的MKK9被激活,细胞分裂素激活酶LOG3/5/8及锌指蛋白ZFP5、GIS显著上调;DNA转录与翻译及其有关的氮代谢的硝酸转运蛋白NRT2.5、硝酸还原酶NR及谷氨酸合成酶GS趋于活跃。STEM时间序列聚类分析结果提示,芽休眠各阶段的转录因子ARF12、CRF2、ERF11/23/110、MYB117和NAC2/55/56表达量与芽休眠解除率变化趋势密切相关,可能在火焰卫矛芽休眠解除进程中发挥关键作用。
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