草莓BBX家族鉴定及FaBBX28cl调控草莓开花时间的分子机制研究

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草莓(Fragaria×ananassa Duch)是属于蔷薇科(Rosaceae)草莓属(Fragaria)的多年生草本植物,因其宜人的果实风味和丰富的营养成分而深受消费者喜欢。同时,草莓具有较高的经济价值而在世界范围内广泛栽培。在草莓生产中,开花时间决定了其果实成熟以及上市时间,进一步影响草莓的产量以及市场价值。因此,通过合理的栽培管理措施来调控草莓开花时间以及解析草莓开花时间调控过程中相关基因的功能并运用于新品种的选育成为草莓栽培者与育种者的主要工作目标。草莓开花时间受到包括光和温度在内的多种外界环境因子影响。在我国,随着草莓栽培面积的扩大,设施栽培技术作为主流方式大规模应用在草莓生产中。在草莓设施栽培体系中,发光二极管(LED)是常用的主要或辅助光源用于调控草莓生长发育以及果实品质形成,其中光周期以及光质是影响草莓开花时间的两个重要光环境设定。虽然在野生草莓中光周期影响开花时间的调控模型已有报道,但对于光质影响草莓开花时间的分子机制研究仍有待深入。因此,本研究以八倍体栽培草莓品种‘红颜’(Fragaria×ananassa cv.‘Benihoppe’)为研究材料,利用转录组测序、生物信息学分析、转基因过表达拟南芥(Arabidosis thaliana)性状分析等研究手段,探讨了蓝光LED照射处理对草莓开花时间的影响以及相关的关键基因功能。形成了以下的研究结果:1.通过两种不同光质LED为光源(白光为对照组,蓝光为处理组)对未开花的‘红颜’草莓(Fragaria×ananassa cv.‘Benihoppe’)幼苗进行照射处理,观察并记录两组处理中的草莓开花时间。结果表明,蓝光处理组的草莓开花时间显著提前。进一步利用RNA-seq技术对两种光质处理下的‘红颜’草莓幼苗叶片进行转录组分析。总共鉴定得到6875个响应蓝光处理的差异表达基因(DEGs),其中包括在蓝光处理下的3138(45.64%)个下调基因和3737(54.36%)上调基因。根据基因注释结果,可以将这些差异表达基因进一步富集到98个GO项目和71个KEGG通路中,这些差异表达基因参与光信号转导途径(如Phy B、PIFs和HY5)以及植物昼夜节律途径(FKF1、CCA1、LHY和CO)。BBX转录因子家族可能是响应蓝光并参与调控草莓开花时间的关键转录因子家族之一。2.利用生物信息学进一步对八倍体栽培草莓‘Camarosa’(Fragaria×ananassa)和二倍体野生草莓‘Hawai 4’(Fragaria vesca)基因组中的BBX家族成员进行鉴定,在栽培草莓中共鉴定得到51个BBX家族成员(Fa BBXs),在野生草莓中鉴定得到16个BBX家族成员(Fv BBXs)。根据系统发育研究结果,可以将Fa BBXs和Fv BBXs分为5个亚家族(Group I–Group V)。在两个草莓物种中,全基因组复制事件和片段重复事件是驱动BBX家族扩张的主要动力,而在栽培草莓中存在的一些基因丢失和特异性复制可能影响如果实品质等栽培草莓农艺性状的主要原因。草莓BBX家族成员基因启动子上存在大量的光响应元件以及激素响应元件。基于转录组数据库对Fa BBX基因表达水平进行分析发现,Fa BBXs基因在草莓不同组织以及不同果实发育阶段中表现出了明显的差异表达模式,并且有16个Fa BBXs基因在蓝光处理的草莓叶片中呈现显著的差异表达,表明这些基因响应环境中的蓝光处理。3.FaBBX28c1是一个从‘红颜’草莓中鉴定得到的显著受到蓝光处理抑制的BBX家族成员。对该基因CDS序列进行基因克隆并进一步功能研究结果表明,在拟南芥中异源过表达该基因能够显著推迟拟南芥的开花时间,并且转基因拟南芥株系中莲座叶片显著多于野生型拟南芥。利用q RT-PCR对拟南芥中光信号调控开花的关键基因表达水平进行研究发现,过表达拟南芥株系中At CO,At FT和At SOC基因表达水平均受到抑制。这些证明了Fa BBX28c1对植物开花时间具有明显的调控能力,并参与了拟南芥的生殖生长和营养生长的平衡调节。通过克隆‘红颜’草莓中Fa BBX28c1基因的启动子,并构建含有pro Fa BBX28c1::gus报告系统的拟南芥转基因株系,对Fa BBX28c1基因启动子活性进行进一步的研究表明,GUS组织染色主要出现在拟南芥成熟叶片的维管束中,说明Fa BBX28c1基因在成熟叶片中参与开花调控。此外,在拟南芥根部出现了诱导型的GUS染色信号,结合q RT-PCR以及转录组数据结果均表明,Fa BBX28c1表达量受到外界干旱胁迫诱导,表明该Fa BBX28c1还参与了植物对干旱环境的响应,但在其中的功能有待进一步研究。
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