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题名: 麻竹成花转变生物学特征的观察及转录组和蛋白质组学的研究
作者: 王晓燕1
答辩日期: 2014-12
授予单位: 中国科学院大学
授予地点: 北京
导师: 郭振华
关键词: 麻竹 ; 形态特征 ; 成花转变 ; RNA-seq ; iTRAQ
学位专业: 植物学
中文摘要: 竹子属于禾本科(Poaceae)竹亚科(Bambusoideae),包括木本竹种和草本竹种两大类。其中木本竹种具有不同于其它开花植物显著的生物学特征:幼茎生长快速,营养生长周期长(3-120年),终生只开一次花;同一个种的一个克隆株开花后其余克隆株也陆续开花;多数竹种开花后集体死亡。这些特征严重威胁着竹林的可持续发展和以竹子为食的动物乃至人类的生活。麻竹(Dendrocalamus latiflorus)作为木本竹种的成员之一,广泛分布在中国南部和东南亚,是对生态和经济有重要影响的竹种。到目前为止,有关竹子成花机理的研究主要停留在开花行为和开花原因的讨论上,而对竹子成花的分子机理研究非常少。因此,开展麻竹花期生物学特性和成花转变的分子机制的系统研究,探讨竹子的成花机理,具有重要的理论和现实意义。本研究通过多年的对麻竹开花行为的观察和实验研究,初步掌握了丛生竹麻竹成花转变时期的生物学特征变化规律及内在的基因调控机制。主要的研究成果如下: 1. 麻竹成花转变过程中的生物学特征 麻竹属于零星开花竹种,是丛生竹。在成花转变过程中,外观发生变化的主要器官是营养芽和叶片。营养芽最终发育成花芽。叶片从完全营养时期的营养叶到开花早期的大型花叶再到开花后期的小型花叶或最终脱落状态逐渐转变。麻竹的花序基本单位是小穗。每个小穗由3-10朵小花组成,无柄半轮生着生在花序枝上。麻竹的小花由外稃、内稃、6枚雄蕊和二裂羽状柱头组成。花的开放过程首先是花药初露 → 花药全露而花丝未露 → 花药全露 → 花药下垂开裂 → 干枯的全过程。 2. 麻竹成花转变不同阶段叶片的特征变化 在成花转变过程中麻竹的叶片可分为完全营养丛的营养叶(L0)、开花丛营养生长植株上的营养叶(L1)、开花植株上的大型花叶(L2)及小型花叶(L3)四个生长阶段。L1、L2和L3来自同一开花丛。成花转变过程中4个阶段叶片的叶表面积大小:L0>L1>L2>L3,且存在显著性差异。4个阶段叶片的气孔主要分布在下表皮,平均每平方厘米约4万个左右。与L0相比,气孔大小从L1到L3呈现一定程度的递减,差异著性。麻竹叶肉细胞主要由臂形细胞组成,分布在两维管束之间。利用叶绿素荧光成像仪发现L2的光合速率与L3的光合速率没有显著差异。 3. 控制麻竹成花转变和花早期发育的10个候选基因的表达规律 通过扫描电镜、石蜡切片等技术手段在组织学层面研究了麻竹成花转变过程中营养芽到花芽转变的形态特征。营养芽的生长锥要宽于和高于最早期的花芽。在形态学分析的基础上,使用实时荧光定量PCR (Real-time quantitative PCR, qRT-PCR)方法得到了营养芽和不同发育阶段花芽(0-2 mm,2-3 mm,3-4 mm,4-5 mm)的10个候选基因表达谱(DlAP1、DlTFL1、DlRFL、DlMADS1、DlMADS2、DlSPL9、DlFT、DlID1、DlFCA和DlEMF2)。对基因表达规律的分析表明AP1基因在麻竹整个成花转变过程中呈现持续下降的趋势,可以作为预测处于营养生长期的麻竹是否将要开花的候选分子标记。 4. 麻竹成花转变过程中不同阶段叶片的转录组学的研究 我们运用RNA-seq技术,对麻竹成花转变过程中不同阶段的叶片总mRNA进行高通量测序,将测序得到的reads用Trinity进行拼接并与以往研究中得到的麻竹花的转录组和根茎叶混合材料转录组以及从NCBI上下载的EST序列分别进行组装成参考序列,并将测序结果与其进行比对筛选差异基因,并通过qRT-PCR进行验证。用Nr和UniprotKB数据库对差异基因进行功能注释,并对差异基因进行GO和Pathway富集分析。结果表明:①与L0相比,L1,L2和L3存在共同差异表达基因254个。用Blast2GO软件对这些差异基因进行生物学过程(biological processes)、细胞组分(cellular components)和分子功能(molecular function)等注释,表明生物学过程中的差异基因主要集中参与有机物的代谢、细胞分子过程、主要代谢过程、氮复合物代谢过程以及对外界刺激的响应、生物合成过程等。②与L0相比,L3中有4376个差异基因。对其注释发现了一些与成花转变相关的基因,如主要集中在依赖光周期开花途径中的一些基因(CO、FT等)。此外,也发现了一些与成花素有关的物质,如糖类激素等。③Kyoto encyclopedia of genes and genomes(KEGG)分析表明营养叶和花叶(L0 vs L3)差异基因的功能主要集中于依赖生物钟调控的开花诱导途径FT-CO途径、光合作用速率、程序性细胞死亡和细胞壁形成及其控制叶型等方面。另外,这些差异基因还参与了蛋白转运、初级代谢、TCA循环和抗逆反应等生物代谢过程。对得到的CO-FT代谢途径进行分析发现,参与代谢通路中的大多数基因在花叶中呈现上调表达趋势。④根据所有分析结果,我们提出了麻竹成花转变的初步模型。 5. 成花转变过程中营养叶与花叶(L1 vs L2)的蛋白质组学的研究 在转录组学研究的基础上,运用iTRAQ技术对麻竹同一开花丛中的营养株上的L1和开花株上的大型花叶L2叶片进行蛋白质组学研究。对得到的差异蛋白进行GO功能注释和Pathway富集分析后,进一步将差异表达蛋白与差异表达基因进行关联分析,结果表明:①L1和L2中鉴定到的蛋白数量为4,636。对所有蛋白进行GO注释后发现与开花相关的蛋白有59个。②依据差异在1.2倍及以上为差异蛋白的标准,得到差异蛋白721个。L2与L1相比上调的蛋白有282个。其中GO注释后发现,在L2中上调蛋白有13个与花发育相关。③对所有的差异蛋白进行Pathway富集分析后发现,其主要分布在光合作用、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸生物合成等通路。④将L1和L2的转录组数据与其蛋白质组数据进行关联分析,发现关联性较低(R2=0.477)。将在转录组和蛋白组中共同出现的差异蛋白进行了Pathway分析后发现,集中在碳代谢、糖代谢及光合作用相关代谢通路上的蛋白在转录组和蛋白质组中有较高的相关性。这些途径都直接或者间接影响着花发育。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/25775
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