苹果砧穗间差异表达RNA筛选及MdAGL24调控花芽孕育的功能研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:hejiashuo
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嫁接是苹果生产上广泛应用的繁殖技术。利用矮化砧木(如M9、T337和M26等)嫁接接穗,能够使苹果树体矮化、早花、丰产及果实品质提升。当前,富士作为我国苹果主栽品种,总栽培面积和产量均在75%以上,但其存在成花难、花芽质量差及大小年结果严重等生产问题,严重制约我国苹果产业的优质高效发展。生产实践中,应用矮化砧木对于改善富士成花难等问题具有积极的调控作用,但砧穗间差异表达的mRNAs、miRNAs和lncRNAs如何通过嫁接改变接穗成花性状的调控机理目前尚不清楚,由此形成的分子调控网络也有待确定,因此本研究通过高通量测序对苹果砧穗间差异表达的RNAs进行分析,从中筛选响应嫁接并参与接穗成花调控的关键mRNAs、miRNAs和lncRNAs,为苹果砧穗互作基因调控网络鉴定提供基础数据;以筛选得到的关键候选基因MdAGL24为研究对象,分析其表达模式,筛选其互作蛋白,研究其通过嫁接参与苹果成花调控的分子网络,并鉴定其功能,取得的主要结果如下:(1)以盛花期30 d的‘长富2号’/M9嫁接苗为材料,利用RNA-seq测序获得嫁接口上、下10 cm处韧皮部转录组数据(3个生物学重复)。在6个样本中,共获得约36 G测序数据。结果表明:1)在砧穗间共筛选获得1593个差异表达基因,其中在嫁接口上10 cm处韧皮部中分别有971和622个上调和下调表达。GO和KEGG分析发现,这些差异基因主要涉及光合、代谢、糖酵解、碳固定和果糖代谢等生物学过程。另外,鉴定发现差异基因中有45个为转录因子,且大部分属于MADS-box家族蛋白,暗示MADS-box家族蛋白通过嫁接参与苹果接穗成花调控中发挥重要作用。2)分析发现,生长素原初响应基因Aux/IAA家族成员在嫁接苹果砧穗间显著差异表达,进一步通过生物信息学方法鉴定得到苹果中有54个Aux/IAA基因家族成员,分布在苹果16条染色体上,qRT-PCR结果表明MdIAA22(MD09G1202300)和MdIAA51(MD17G1183500)在嫁接口下10 cm处韧皮部的表达量显著低于嫁接口上方,说明其具有通过嫁接参与接穗性状调控的重要作用。(2)以盛花期30 d的‘长富2号’自根苗顶梢(BS)、M9自根砧根尖(RS)以及‘长富2号’/M9嫁接苗的顶梢(BG)、嫁接口上10 cm处韧皮部(UP)、嫁接口下10 cm处韧皮部(DP)和根尖(RG)为材料,构建了18个sRNA文库(3个生物学重复)。结果表明:1)在BS、RS、BG、UP、DP和RG共6个样本中分别获得11,686,623、11,590,477、11,775,098、11,874,809、11,663,829和11,896,826个clean reads。总计鉴定获得206个已知miRNAs属于42个保守miRNA家族以及976个新miRNAs。2)聚类分析结果表明,所有miRNAs在6个样本中均有6类表达模式显著响应嫁接。在已知miRNAs中,有30个在嫁接苗顶梢中相对于‘长富2号’自根苗顶梢上调表达,43个在嫁接苗根尖中相对于M9自根苗根尖上调表达,115个在嫁接口上韧皮部相对于嫁接口下韧皮部中上调表达;在新miRNAs中,分别有168、268和54个具有同样的表达模式。3)进一步通过生物信息学预测得知这些已知和新miRNAs分别有1051个和7473个靶基因,结合其注释信息及所有miRNA在砧穗间各组织中的表达特点,分析发现mdm-miR156-MdSPLs、mdm-miR159-MdMYB、mdm-miR171-MdGRAS、mdm-miR171-MdAP2等在砧穗间差异表达,说明这些miRNAs及其靶基因可以通过嫁接参与调控苹果接穗成花。(3)以4年生‘长富2号’/M9的幼果(YT),顶梢(ST),韧皮部(SP)和根尖(RT)为材料,构建了12个RNA-Seq文库(3个生物学重复)。结果表明:1)分别在ST、SP、YF和RT中获得125,890,873、127,949,159、127,839,931和127,821,622个clean reads。经过滤筛选,共鉴定得到1726个苹果hc-lncRNA(high confidence lncRNA)。2)在YF、RT、ST和SP中分别鉴定到522、551、553和631个hc-lncRNAs,其中分别有85、33、36和45个在这4个组织中唯一表达。有850个hc-lncRNA可预测到靶基因。3)进一步比较砧穗间差异表达的lncRNA,发现在ST和SP中有43和16个相对于RT上调表达,76和25个下调表达,包括TCONS00118115、TCONS00090580和TCONS00043576,其靶基因分别为AP2和AGL24,说明lncRNA也参与并构成了砧穗间苹果成花的分子调控网络。(4)通过前3个组学数据综合分析,筛选确定MdAGL24为研究对象,分析其表达模式,筛选其互作蛋白并鉴定其功能。1)以‘长富2号’短枝顶芽cDNA为模板克隆得到MdAGL24编码基因全长765 bp,编码254个氨基酸;含有高度保守的MADS保守结构与和K-box结构域;定位于细胞核中。组织特异性定量分析表明,MdAGL24在芽中表达量最高;不同激素处理结果发现,MdAGL24主要响应GA3诱导表达,而对ABA、SA以及MeJA处理微弱响应或不响应。2)通过GUS染色鉴定了MdAGL24启动子的核心活性片段,并构建了MdAGL24-pAbAi载体,利用酵母单杂交技术筛选得到MdAGL24的上游调控因子MdHY5。通过酵母单杂交和双荧光素酶试验证明MdHY5可以靶向调控MdAGL24。3)构建了MdAGL24-pGBKT7载体,利用不同发育时期短枝顶芽的酵母cDNA文库筛选得到49个互作蛋白,测序结果显示互作蛋白中有9个为转录因子;进一步通过BIFC试验证实,MdAGL24与多个直接调控成花相关的蛋白,如MdAGL19、MdAGL42、MdSOC1a/b和MdTIFY6b蛋白存在互作关系。4)在番茄中过量表达MdAGL24基因,发现转基因株系中成花相关基因FT和SPL3等的表达量相对于野生型均显著上调,且转基因株系具有明显早花和早果表型,说明MdAGL24在苹果成花调控中具有重要作用。综上所述,本研究通过鉴定分析苹果砧穗中差异表达的RNAs,构建了由mRNAs、miRNAs和lncRNAs形成的苹果矮化砧木通过嫁接影响接穗成花的分子调控网络,并进一步对通过嫁接参与接穗成花调控的苹果MADS-box基因家族关键成员MdAGL24进行互作蛋白筛选,通过遗传转化番茄对其进行功能验证,为解析MdAGL24基于嫁接调控苹果成花的分子机理提供理论基础。
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