种间杂交提高兰花2n雄配子发生率的分子机理

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利用2n雄配子途径获得有性多倍体是植物多倍体育种的有效方法,获得高频发生2n配子的资源是前提。通过远缘杂交创建高频发生2n雄配子的兰花资源已有报道,但远缘杂交提高兰花2n雄配子发生的分子机理还不清楚。本文以墨兰×兔耳兰杂交后代为材料,研究其2n雄配子的发生并筛选高频发生2n雄配子的资源;利用实时荧光定量PCR技术分析2n雄配子相关基因的表达,克隆候选基因SDS,建立兰花基因功能快速鉴定体系。主要研究结果如下:(1)墨兰×兔耳兰杂交后代2n雄配子形成主要通过二分体和三分体方式。杂交后代2n雄配子普遍发生,但不同组合之间差异明显。2n雄配子平均发生率最高的组合是‘达摩墨兰’×兔耳兰,为3.82%;其次是‘金嘴墨兰’×兔耳兰和‘企剑白墨墨兰’×兔耳兰,其2n雄配子平均发生率分别为3.25%和3.10%,最低是‘小香墨兰’×兔耳兰,为1.68%。(2)‘小香墨兰’×兔耳兰和‘金嘴墨兰’×兔耳兰杂交后代2n雄配子发生率显著高于其亲本,分别筛选出连续3年2n雄配子发生率大于1%的资源4份和7份。墨兰×兔耳兰部分杂交后代2n雄配子发生率在不同年份间差异显著,说明2n雄配子的发生不仅受基因型的控制,也受环境因素的影响。(3)SDS基因在兰花不同组织的表达具有显著性差异,SDS基因在花粉中表达量显著高于其它组织,是花瓣中的表达量的50倍,是子房中的表达量的580倍。(4)在整个减数分裂过程中SDS表达量逐渐降低,减数分裂间期I至中期I,SDS在低频发生2n雄配子株系‘67-109’的表达量显著高于高频发生2n雄配子株系‘67-80’,表明SDS基因可能是导致二分体形成的关键基因。减数分裂Ⅰ中期-减数分裂Ⅱ中期,AFH14、DYAD1、ANP2、NACK11和NACK12在株系‘67-80’的表达量显著高于‘67-109’中的表达量;减数分裂Ⅱ中期-成熟花粉期,ANP2和NACK11在‘67-80’的表达量显著高于‘67-109’,MAPK41在‘67-109’的表达量显著高于‘67-80’。At PS1基因在整个减数分裂过程中表达量呈下降趋势,减数分裂Ⅱ中期-成熟花粉期,该基因在‘67-109’的表达量显著高于‘67-80’,可能是导致三分体形成的关键基因。(5)适合(墨兰×兔耳兰)×银针杂交后代根状茎试管花诱导的培养基为MS(2KH2PO4,1/2 NH4NO3)+6-BA 3.0 mg·L-1+TDZ 0.05 mg·L-1+NAA 0.02 mg·L-1+蔗糖50g·L-1+卡拉胶7 g·L-1+AC(活性炭)0.02 g·L-1,在该培养基上试管花诱导率为77.78%,正常花率为12.22%。温度和光照对试管花诱导有显著影响。25℃、光强1500-2000 lx下,试管花诱导率最高,为93.33%;15/25℃(夜/昼)、光强1500 lx下,正常花率最高,为12.22%,此时‘14-16-16’2n雄配子发生率为6.57%。(6)从株系‘67-80’和株系‘67-109’中克隆的SDS基因DNA序列一致,总长度为3200 bp,其中包含6个内含子和7个外显子。其所编码的氨基酸序列也是相同的,说明SDS基因的差异表达可能与转录调控环节有关。构建了含有SDS基因的过表达载体来进行基因功能验证,目前未筛选到转基因植株。通过上述研究,获得了一批高频发生2n雄配子的兰花资源,克隆了兰花SDS基因,初步阐明了2n雄配子发生的分子机理,建立了兰花2n雄配子基因功能鉴定的离体培养体系,为创建有性多倍体资源,深入研究2n雄配子的遗传机制奠定了基础。
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