BoFLC2内含子和外显子多态性参与调控结球甘蓝开花期早晚的功能鉴定

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结球甘蓝(Brassica oleracea var.capitata)属于十字花科芸苔属蔬菜作物,是典型的绿体春化型植物,其抽薹开花需要植株长到一定大小并经过持续的4~10℃低温春化作用。前期研究发现早花结球甘蓝和晚花结球甘蓝的BoFLC2基因的第一内含子区域存在215bp的插入/缺失片段,此外在第二外显子区域存在3个位点及3bp SNPs(早花/晚花cds:GAT232-234)的插入/缺失。但BoFLC2变异引起结球甘蓝的开花期早晚的原因需要进一步验证。本试验将早、晚花甘蓝BoFLC2基因分别命名为BoFLC2E和BoFLC2L,通过对田间结球甘蓝自然群体和早晚花F2群体BoFLC2的多态性与开花期关联分析、早晚花结球甘蓝春化途径中影响抽薹开花相关基因的表达,及农杆菌介导法创造拟南芥和甘蓝转基因植株对内含子和外显子引起的开花期变异进行功能验证。本研究结果如下:1、前期研究发现BoFLC2E和BoFLC2L第一内含子215bp的差异与外显子的差异连锁。试验结果发现,含有早花标记(501bp)的结球甘蓝连续三年的开花期(2018:203.64±6.37 DTFs;2019:201.69±7.40 DTFs;2020:201.19±7.27 DTFs)显著早于含有晚花标记(286bp)的结球甘蓝(2018:208.12±5.18DTFs;2019:209.28±8.08 DTFs;2020:207.48±5.44 DTFs,P<0.05)。对早花甘蓝F416与晚花甘蓝P1杂种F2代的分子标记和开花期鉴定结果显示含早花标记的F2代开花期(213.75±3.75 DTFs)显著早于含晚花标记的F2代(216.75±3.39 DTFs)。该研究结果说明了BoFLC2E和BoFLC2L多态性参与影响了结球甘蓝的开花期。2、利用q RT-PCR,分析了早花甘蓝F416和晚花甘蓝P1在4℃恒温与田间自然条件下,及F416与P1的杂种F2代极端早花和极端晚花混合池田间自然条件下春化过程中,春化途径影响抽薹开花的相关基因表达。结果显示,4℃恒温春化条件下BoFLC2基因在早花甘蓝F416与晚花甘蓝P1中分别于春化30d和40d时达到最低值;BoFLC2E上游调控基因Bo VIN3、Bo VRN2、Bo VRN5、Bo SWN和Bo FRI也于30d上调表达至最高值,而BoFLC2L的这些上游调控基因于40d上调表达至最高值,这说明了BoFLC2E和BoFLC2L的多态性引起上游调控基因对其沉默速率产生了差异。除此之外,春化作用后早花甘蓝F416中维持BoFLC2沉默的Bo VRN2、Bo VRN5、Bo SWN和Bo CLF基因保持一定的高水平表达量至春化结束,但晚花甘蓝P1中这些基因上调表达到最大值后迅速回落,进而导致BoFLC2下游基因Bo SOC1和Bo LFY在早花甘蓝F416维持较高表达水平,而在晚花甘蓝P1中表达量提高后又迅速回落,这一差异致使春化后期早花甘蓝F416的Bo FT基因表达量迅速增加,完成春化,而晚花甘蓝P1依旧处于较低表达水平。田间春化作用下也出现类似的现象,早花甘蓝F416和早花F2混池均在春化30d时BoFLC2基因处于最低表达水平,而同时期F1代、P1、晚花F2混池的BoFLC2基因表达水平继续下降。而其他基因在早花F2混池及F416中的表达水平均高于晚花F2混池和P1中的表达量,引起早花F2混池和F416中Bo FT上调表达。3、通过人工合成BoFLC2第一内含子插入/缺失及第二外显子的SNP突变的特异性片段,并克隆BoFLC2启动子连接于表达载体上,构建了外显子多态性植物表达载体p Bo::BoFLC2E、p Bo::BoFLC2L和内含子多态性植物表达载体p Bo::BoFLC2Lintron 1+BoFLC2E。利用花序浸染法转化拟南芥,验证BoFLC2第一内含子插入/缺失及第二外显子的SNP突变对拟南芥开花期的影响。获得了7株T1代BoFLC2E、5株BoFLC2L和3株BoFLC2Lintron 1+BoFLC2E转基因拟南芥。对T2代转基因拟南芥植株进行开花期的统计,结果发现BoFLC2L转基因拟南芥的开花期(9.67±1.64片)比BoFLC2E转基因拟南芥(10.28±1.33片)早,与野生型拟南芥(10.33±1.37片)没有显著性差异;然而BoFLC2Lintron 1+BoFLC2E转基因拟南芥的开花期(11.45±2.27片)显著晚于其他类型(P<0.05)。将构建的植物表达载体,利用农杆菌介导法转化TO1000甘蓝(缺失BoFLC2),得到6株BoFLC2E、21株BoFLC2L和4株BoFLC2Lintron 1+BoFLC2E转基因甘蓝。T1代转基因甘蓝春化处理后,BoFLC2L转基因甘蓝开花期(6.87±0.81片)早于BoFLC2E转基因甘蓝(7.24±0.89片),但是与野生型(7.33±0.78片)没有显著性差异,而BoFLC2Lintron 1+BoFLC2E转基因植株的开花期最晚(7.69±0.95片),晚于野生型。春化途径中,BoFLC2Lintron 1+BoFLC2E转基因植株中BoFLC2的起始表达量显著高于其他类型,BoFLC2上游和下游基因的表达量均低于其他类型。本研究说明了BoFLC2L的第一内含子会引起开花期延迟,而BoFLC2E和BoFLC2L外显子的差异对开花期没有显著影响,与BoFLC2L相比,BoFLC2E第一内含子的215bp插入会造成上游调控基因的快速表达和高水平表达量的维持来引起BoFLC2E快速沉默和维持,以促进下游开花整合基因的表达,引起BoFLC2E结球甘蓝早花。
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