毛竹笋—竹生长发育过程系统分析与生长素相关基因研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 37次 | 上传用户:a15968331849
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作为具有极高经济价值、生态价值和文化价值的中国最重要的经济竹种之一,毛竹(Phyllostachys edulis)是世界上生长速度最快的物种之一。其奇特的笋—竹生长发育(冬笋—春笋—幼竹,本文简称笋—竹)一直以来备受研究者的关注,但有关其生长发育内在机制的研究甚少。为此,本研究以毛竹基因组数据为参考,分析笋—竹快速生长阶段的转录组及特异基因的差异表达;根据毛竹笋—竹生长发育进程,分析不同生长发育时期和部位的内源激素变化及笋尖解剖结构的动态变化;在此基础上,筛选可能参与毛竹快速生长的关键基因,进行系统进化分析,同时进一步分析其在毛竹笋—竹生长发育过程中的表达模式,并进行基因克隆与分析;结合转录组、激素含量、解剖结构及基因系统进化与表达分析的动态变化,综合分析毛竹笋—竹生长发育的内在机制。主要研究结果如下:(1)转录组测序分析结果显示,共获得10,689个差异表达基因(|log2Ratio (RPKM-HRPKM-CK)|≥2和FDR﹤0.001),其中6,076个基因上调,4,613个基因下调;差异表达基因按照功能划分至细胞代谢、细胞运输、信号转导以及抗虫反应等多个类别中,分别涉及细胞壁代谢、碳代谢、氮代谢、信号转导、转录、抗性等功能类别。从10,689个差异表达基因中,进一步筛选出可能参与毛竹快速生长的关键候选基因,这类基因分别涉及编码转录因子家族、植物激素、细胞周期调控、细胞代谢与形状等方面。其中,植物激素相关基因1,154个,占差异表达基因总数的11%之多,而生长素相关基因为169个,在激素相关基因中占有较大比例。(2)植物内源激素分析显示,在毛竹笋—竹不同生长发育时期,吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)、玉米素(ZR)、油菜素内酯(BR)和脱落酸(ABA)等5种内源激素浓度呈现整体波动性,均为先上升后下降趋势,其中IAA基本呈现单峰曲线变化;GA3呈双峰曲线变化;ZR浓度基本均呈单峰曲线变化;BR大致呈三峰曲线变化;ABA在各个时期的变化趋势明显不同甚至相反,在初期冬笋时处在较高水平,随着生长发育进行明显下降,随后生长进入盛期、末期后又呈明显上升趋势。此外,5类激素间的比值基本均呈单峰曲线变化,均为先上升后下降趋势,且峰值主要集中出现在笋体高度为1m和6m时,与此对应的1m笋高期是基部最早的显著伸长期,6m笋高期是中部的显著伸长期;促进细胞生长和伸长的IAA、GA3、ZR、BR浓度和抑制细胞生长的ABA的浓度比值呈显著正相关。特别指出的是,在同一生长发育时期的3个不同生长部位的IAA含量,除冬笋外,顶部含量最高,向下呈向基性递减,且均具有显著差异。(3)毛竹笋—竹不同生长发育时期笋尖解剖结构分析结果表明,至少笋体生长至6m高时笋尖分生组织仍处于旺盛的细胞分裂状态,其不断生长、分化、伸长,表现为生长轴不断伸长并分化出主侧芽,主侧芽又生长、伸长分化出次级侧芽,依次向下分化直至笋体高达12m高生长完成后形成毛竹各级侧芽的形态建成,与居间分生组织形成的节间伸长共同完成毛竹笋—竹的生长发育。同时,此过程中笋尖及侧芽细胞分裂、分化旺盛,毛竹的笋尖和各级侧芽等一直处于幼嫩顶尖状态,这与毛竹笋—竹不同生长发育时期的三个生长部位中顶部生长素的最高含量相对应。(4)转录组分析、酶联免疫检测和组织切片观察等结果表明,生长素及其相关基因在毛竹笋—竹生长发育过程中发挥重要作用,因此本研究选择转录组中差异表达显著的3个生长素相关基因PheLAX3、PheARF、PheSAUR进行系统进化、表达模式、基因克隆等研究。系统进化关系聚类结果显示,PheLAX3、PheARF、PheSAUR与拟南芥、水稻相应基因家族中参与细胞分裂、分化、伸长等的相关基因聚在一起。qRT-PCR表达模式分析结果表明,在毛竹笋—竹不同生长发育时期,PheLAX3基因表达量顶部高于基部,笋体6m高时顶部数值量达最大值,与生长素的含量变化大致相对应;PheARF在毛竹笋—竹快速生长阶段,顶部表达量基本都维持在较高水平,以笋体9m高时值最大,中部表达量逐渐下调,基部表达量逐渐上升,而越冬期冬笋和展叶后茎秆的表达量相对下降;总体上,PheSAUR基部的表达量变化不大,在笋体3~12m高时,同一时期以中部表达量最高,与此时对应的毛竹茎秆中部茎节的快速伸长相符。PCR扩增与测序结果显示,本研究成功克隆3个毛竹生长素相关基因PheLAX3、PheARF、PheSAUR的CDS全长序列。
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