黄瓜花斑叶突变体及候选基因鉴定

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花斑叶突变体是叶绿体发育研究的重要材料。在本研究中,从课题组前期构建的EMS诱变黄瓜突变体库中筛选出了一个黄瓜花斑叶突变体,经过多代自交花斑叶性状能够稳定遗传,命名为Csv1。Csv1突变体叶片表现为与正常绿色叶片不同的花斑表型,即在同一叶片中黄、白、淡绿及正常绿色区域随机分布,且花斑的严重程度随着光强和发育而变化。本研究对Csv1突变体及其野生型的主要农艺学性状进行观察和比较,对黄瓜花斑叶性状进行遗传分析,并利用基因组重测序、MutMap和基因分型等技术对花斑叶候选基因进行鉴定。此外,通过RNA-seq技术比较Csvl突变体和野生型叶片的差异表达基因,筛选出黄瓜花斑叶发育相关基因。主要研究结果如下:(1)表型鉴定1)突变体植株与野生型植株的叶片特征、植株整体特征、花态特征差异在整个生长周期中,野生型植株每个节位的叶片都呈现为正常的绿色,而在Csvl突变体中,当第一片真叶生长至3 cm左右时,叶片开始表现出花斑。与野生型相比,Csvl突变体的叶长、叶宽、叶面积显著减小。此外,与野生型相比,Csvl突变体的株高、茎粗、节位数、节间长度和分枝数都显著降低;雌花和雄花的形态异常。2)突变体植株与野生型植株的叶片叶绿体结构及叶绿素含量差异通过透射电子显微镜观察Csv1突变体及其野生型的叶肉细胞,结果表明,野生型叶片中叶绿体具有组织良好的类囊体和淀粉粒,而Csv1突变体的叶肉细胞中仅含有形态可见的叶绿体,但不具备正常叶绿体的结构特征。通过丙酮浸提法测定Csvl突变体及其野生型叶片的叶绿素含量,结果表明,Csvl突变体的叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)均显著低于野生型.对Csvl突变体及其野生型的叶片进行光合参数测定,结果表明,Csvl突变体叶片净光合速率显著低于野生型,而气孔导度,胞间CO2浓度和蒸腾速率显著高于野生型。3)突变体植株与野生型植株的叶片光氧化胁迫测定对Csvl突变体及其野生型的叶片进行叶绿素荧光参数测定分析,结果表明,Csvl突变体黄叶部分的实际光合能力、光合活性和PSII的电子传递速率均低于野生型,Csvl突变体叶片受到光氧化胁迫。通过对未形成花斑叶黄瓜植株进行遮光和过滤紫外光处理,推测花斑叶的形成受自然光的诱导,且紫外光可能为诱导花斑产生的主要因素。(2)花斑叶性状遗传规律分析F1代叶片表现为与野生型相同的正常绿色,在158株F2群体中,叶片表现为正常绿色表型的单株有116株,表现为突变体花斑叶表型的单株有42株,野生型:花斑叶突变型=116:42,经卡方检验(?2=0.135<?2 0.05,1=3.84)符合分离比3:1,遗传分析结果表明黄瓜花斑叶性状是单基因隐性遗传。(3)候选基因鉴定利用MutMap和KASP基因分型鉴定出位于黄瓜6号染色体上的Csa6G405290是黄瓜花斑叶突变体的候选基因,命名为Cscs,其功能是编码分支酸合酶。候选基因生物信息学分析结果表明,Cscs序列全长5392 bp,包括13个外显子和12个内含子,在第9个外显子上碱基C突变为T,导致了脯氨酸转变为丝氨酸,且突变氨基酸(P-S)发生在黄瓜分支酸合酶CS的FMN结合位点。通过qRT-PCR对候选基因表达模式进行分析,结果表明Cscs基因在突变体和野生型叶片中表达没有差异。组织特异性表达分析结果表明,Cscs基因在野生型茎中表达量最高,在卷须、叶、根、雄花、雌花中表达量逐渐降低。(4)转录组测序分析:通过RNA-Seq在Csvl突变体及其野生型叶片中鉴定出183个差异表达基因,通过对这些基因的注释和分析筛选出与热激蛋白、锌指蛋白、乙烯响应转录因子和WRKY转录因子相关基因,这些基因与叶绿体发育及叶绿素合成与降解密切相关,可能调控黄瓜花斑叶的发育。GO分析结果表明,这些差异表达基因主要涉及发育过程、核酸结合转录因子活性、细胞过程、催化活性、代谢过程和生物调控等。Pathway分析结果表明差异表达基因主要富集在倍半萜和三萜生物合成、内质网蛋白加工、植物病原相互作用、抗原加工和表达和MAPK信号通路等。综上所述,本研究初步阐述了黄瓜花斑叶形成机理,为后续深入探索黄瓜花斑叶突变体形成的分子机制提供了理论依据。
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