月季体细胞胚的诱导及其转录组分析

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月季(Rosa hybrida)是我国乃至全球最主要的花卉之一,因其花色丰富、花型多样、花香馥郁且具有美好的寓意,得到了众人的喜爱。但是因为亲缘关系不明、遗传背景狭窄、杂交不亲和等原因,导致月季常规的育种进程受到抑制。基因工程技术的发展为月季育种提供了一条新途径。然而高度的基因型依赖性和低诱导率严重制约着体细胞胚胎发生技术的完善及育种应用。另外,也缺少基于月季叶片体细胞胚胎发生的分子机制研究。因此,成熟的体细胞胚胎诱导系统的建立以及探究其分子机理意义重大。本研究以3个月季品种的单芽茎段为外植体,探究月季再生过程的影响因素,建立了离体培养体系。并以诱导出的普通愈伤组织和体细胞胚胎为材料,运用转录组测序技术研究体细胞胚胎发生过程中的基因表达模式,进一步对月季体细胞胚胎发生的分子机理进行探究。可为今后探索月季体细胞胚发生的各外部培养条件以及相关的分子机制给予理论参考。主要研究结果如下:1.建立了3个月季品种的组织培养体系:其中‘月月粉’的最优启动培养基是MS+6-BA 1.0 mg/L+NAA 0.5 mg/L,‘白色梅安’的最优启动培养基是MS+6-BA 1.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L,‘天使’的最优启动培养基是MS+6-BA 1.0或1.5mg/L+NAA 0.1 mg/L;‘月月粉’最优无菌苗继代培养基为MS+6-BA 1.0或1.5mg/L+NAA 0.05 mg/L,‘白色梅安’以及‘天使’的最优无菌苗继代培养基均为MS+6-BA 1.0 mg/L+NAA 0.01 mg/L。2.用无菌苗叶片作外植体,以筛选出最合适的愈伤组织诱导培养基。3个月季品种最适宜的愈伤组织诱导培养基均为MS+2,4-D 1.0-3.0 mg/L。其中‘月月粉’的诱导率在94%以上,‘白色梅安’和‘天使’的诱导率均在98%以上。3.月季愈伤组织的分化受基因型、植物激素、培养条件和添加物等多种因素的影响。‘月月粉’的愈伤组织经过诱导并没有出现分化现象。‘白色梅安’和‘天使’的愈伤组织在培养基MS+2,4-D 1.0-3.0 mg/L上经2-3次继代培养分化形成胚性愈伤组织或体细胞胚,分化率分别为8.30%和10.62%。现代月季‘白色梅安’与‘天使’的愈伤组织在MS+6-BA 1.0 mg/L+TDZ 3.0 mg/L+GA3 1.0mg/L+NAA 0.1 mg/L+proline 300 mg/L的分化培养基上暗培养2-3月以后分化形成不定芽,分化率分别为6.4%和4.5%。‘白色梅安’和‘天使’愈伤组织在分化培养基MS+TDZ 3.0 mg/L+6-BA 1.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L+GA3 0.1 mg/L+proline 300mg/L上培养2-3月以后形成体细胞胚,分化率分别为5.4%和5.2%。4.取‘白色梅安’普通愈伤组织(RC)和体细胞胚胎(RE)样品,提取RNA。运用RNA-seq技术进行转录组分析,在体细胞胚中共有3539差异表达基因,其中上调基因2195个,下调基因1344个。经过分析发现大量差异表达基因与植物激素、转录因子和胁迫响应有关。与生长素相关的GHs、SAUR、AUX等基因,与细胞分裂素有关的CKX、IPT5、ARR等基因,与胁迫相关的GST、POD等基因以及与转录因子相关基因BBM2、AIL、WOX,都在体细胞胚中上调表达。5.对差异表达基因进行转录因子分析,共检测到397个转录因子,其中上调转录因子251个,下调转录因子146个。这些转录因子主要包括b HLH、MYB、WRKY、AP2、NAC、C2H2和C2C2-Dof等。GO富集显示差异基因主要参与生物进程中的代谢过程、细胞过程,细胞组分中的膜、细胞以及细胞组分,分子功能中的催化活性和结合物;KEGG结果显示植物激素信号转导、氨基酸、多糖、次生物质代谢在月季体细胞胚形成过程中起到了重要作用。经q RT-PCR验证发现在体细胞胚中差异表达的11个基因的表达趋势与转录组测序结果一致,证明了测序结果的可靠性。
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