三角梅传粉生物学及自交不亲和相关基因的转录组学分析

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三角梅属(Bougainvillea)是瑞香目(Thymelaeceae)、紫茉莉科(Nyctaginaceae)的常绿藤状观花灌木,其生命力强、花期长、花色繁多,广泛应用于园林绿化。但其品种育性低,严重阻碍了三角梅新品种的创新及种质资源库的扩大。本研究以伊娃夫人(Bougainvillea glabra‘Mrs Eva’)、小叶紫(B.glabra‘Sao paulo’)、伊娃夫人白(B.glabra‘Mrs Eva White’)、暗斑浅紫(B.glabra‘Mrs Mauve Wonder’)、加州黄金(B.×buttiana‘California Gold’)、橙红(B.×buttiana‘Afterglow’)6个品种为试材,对三角梅开展传粉生物学研究,主要包括花期物候、花部结构特征、花粉特性、繁育系统、套袋试验等方面的内容;选取伊娃夫人自交授粉和杂交授粉30 min、3 h、24 h的柱头进行转录组测序,并对三角梅自交不亲和相关基因进行了转录组学筛选分析。以期找出影响三角梅育性的因素,同时为今后进行三角梅人工杂交选择合理的亲本提供依据,并为三角梅自交不亲和分子机理的研究奠定基础。主要结果如下:(1)三角梅单花开放时间均在2-5 d,其花被管构造特殊,不利于风媒传粉,同时阻碍大部分昆虫传粉,使花粉无法有效地进入柱头上,从而影响其结实率。通过对三角梅访花昆虫的观察,发现主要有鳞翅目昆虫、缨翅目昆虫、食蚜蝇科昆虫、瓢虫科昆虫、半翅目昆虫和蚁科昆虫,其中鳞翅目昆虫、食蚜蝇科昆虫对三角梅有传粉作用。(2)三角梅花粉粒二维形态为圆形或椭圆形,其大小在20μm以上,单花药花粉量在812.5-1625.0粒之间,不同品种花粉量存在差异。三角梅花粉活力和离体萌发率均低,低育性会影响其结实率。28℃干燥保存的方法不适宜维持三角梅的花粉活力。(3)三角梅花粉存在群体萌发效应。温度、硼酸、蔗糖和p H值对三角梅花粉离体萌发和花粉管生长有影响。最适宜三角梅花粉离体萌发的温度为28℃,硼酸和蔗糖浓度分别为300 mg/L和300 g/L,p H值为8;适宜三角梅花粉管伸长的温度为28-30℃,硼酸和蔗糖浓度为500 mg/L和400 g/L,p H值为7.5。(4)三角梅的繁育系统主要为异交类型,需要传粉者协助授粉。通过套袋试验得出:三角梅存在自交不亲和现象,需要传粉媒介;伊娃夫人适合做母本,小叶紫适合做父本。自交与杂交授粉后花粉管的发育情况表明,三角梅存在自交不亲和现象,且自交不亲和模式为孢子体型自交不亲和。(5)对差异表达基因进行分析发现自交授粉处理中起主导作用的基因表现为下调,而杂交授粉处理中起主导作用的基因表现为上调,说明三角梅自交授粉与杂交授粉的调控机制是不同的,且自交授粉处理特异表达的差异基因数目均比杂交处理多,说明三角梅自交不亲和反应过程更为复杂,需要参与的基因更多。(6)细胞过程、代谢过程、生物调控、对刺激的反应、发育过程等生物过程在自交授粉处理和杂交授粉处理中均涉及,说明三角梅柱头与花粉的互作反应主要涉及这些生物过程。(7)对在ZA24H(杂交授粉24 h)中表达不明显而在ZI24H(自交授粉24 h)中表达上调的基因进行筛选,共筛选出32个差异表达基因。这些基因大多与丝氨/苏氨酸蛋白激酶(serine/threonine-protein kinase)、富含半胱氨酸受体样蛋白激酶(cysteine-rich receptor-like protein kinase)相关,说明三角柱头在识别自身花粉过程中,可能产生自交不亲和反应,激发了更多与自交不亲和相关基因的表达。同时对泛素化活性的相关基因进行筛选,共筛选到17个在ZI24H中上调而在ZA24H中表达不上调的基因。这些基因多与E3泛素蛋白连接酶(E3 ubiquitin-protein ligase)相关,说明三角梅花粉与柱头的接触过程中可能产生了孢子体自交不亲和(SSI)反应。
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