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梨休眠分子生理机制研究

刘国琴  
【摘要】:在生长-休眠-生长的周期变化过程中,芽休眠是一个动态连续的统一体,是十分复杂的生命活动过程。随着全球气候的变暖,许多果树(包括梨)受低温不足影响,进而影响其产业的可持续发展。近年来梨设施栽培的不断发展也从客观上要求了解梨休眠特性,以便确定适宜的品种及设施升温时间。梨在世界上广泛栽培,芽休眠研究较多的集中在生理机制,而对于分子机理所知甚少。为此,以‘酥梨’(Pyrus pyrifolia white pear group cv. Suli)、‘翠冠’(P. pyrifolia cv. Cuiguan)、圆黄’(P. pyrifolia cv. Wonhwang)、翠玉’(P. pyrifolia cv. Cuiyu)、‘雪青’(P. pyrifolia cv. Xueqing)梨为主要试材,分析了梨不同品种、梨花芽和叶芽及其在不同生态环境条件下的休眠特性,利用RNA-Seq技术,全面系统地研究了梨芽休眠过程中基因转录的动态变化,探讨梨休眠的分子机制,主要结果如下: 1、梨不同品种芽的休眠状态不同,同一品种在不同生态条件下芽休眠状态不同,同一品种花芽和叶芽的休眠状态也不同。‘圆黄’和‘雪青’梨花芽和叶芽在同一时间解除内休眠,而‘酥梨’、‘翠冠’和‘翠玉’梨花芽解除内休眠的时间均比叶芽早。‘翠冠’梨叶芽与花芽的休眠深度在不同生态条件下差异较大,花芽均没有表现深休眠,叶芽除在四川金堂没有深休眠外,其余地区都有一定时间的深休眠。‘酥梨’、‘翠玉’、‘圆黄’和‘雪青’梨叶芽维持深休眠的时间比花芽长。 2、梨的需冷量随品种、生态条件和芽的性质而不同。除‘圆黄’和‘雪青’梨花芽和叶芽的需冷量相同外,‘酥梨’、‘翠玉’和‘翠冠’梨花芽和叶芽的需冷量都不同,且叶芽的需冷量比花芽高。‘翠冠’梨花芽和叶芽在五种不同的生态条件下的需冷量不同。7.2℃模型结果显示‘翠冠’梨花芽的需冷量范围为205-486CH,叶芽为559-1239CH;犹他模型结果显示‘翠冠’梨花芽的需冷量范围为229-565CU,叶芽为555-1097CU;动力学模型结果显示‘翠冠’梨花芽的需冷量范围为20-29CP,叶芽为26-61CP。需冷量变化幅度最小的是动力学模型,其次为犹他模型,变化最大的是7.2℃模型。 3、利用RNA-Seq技术进行‘酥梨’休眠期间芽转录组和数字基因表达谱分析,测序产生约100M高质量reads,利用苹果基因组确定基因区间,进行de novo转录组组装,获得69,393Unigene,平均长度为853bp,其中包含14,531Cluster和34,194Singleton,阈值E小于10-5的序列中共有51,448(74.1%)Unigene被注释到公共蛋白数据库。其中36,717个被注释到生物学过程、分子功能和细胞组分GO类别的60个功能组,39,973个Unigene匹配到25类COG功能组,29,500个Unigene被富集到128个KEGG代谢通路。 4、比较梨芽休眠不同时期的差异基因及表达模式,不同时期间差异表达基因(DEG)数量和表达模式有差异。11月15日和12月15日(Nov.15-VS-Dec.15),芽均处于内休眠阶段,但仍有1,978个DEG,其中1,228个基因显著下调,750个基因显著上调。12月15日和1月15日(Dec.15-VS-Jan.15),有1,024个DEG,其中443个下调,581个上调。1月15日和2月15日(Jan.15-VS-Feb.15),芽均在生态休眠阶段,共有3,468个DEG被鉴定,其中794个下调和2,674个上调。KEGG功能分析表明,Nov.15-VS-Dec.15、 Dec.15-VS-Jan.15和Jan.15-VS-Feb.15中分别有599、343和793个DEG显著富集到15、6和17个代谢通路。等级聚类分析Nov.15-VS-Dec.15、 Dec.15-VS-Jan.15和Jan.15-VS-Feb.15间均有显著变化的190个DEG被分成7组。其中选择7个基因用实时荧光定量PCR技术对RNA-Seq差异表达基因的表达变化进行验证,结果表明,两种方法测定的基因表达变化呈现高度显著相关性,相关系数(R)为0.7533,达到极显著水平。 5、PpMADSl和PpMADS2两个基因都具有MADS-box家族的特征序列MIKC-基序,PpMADS1和PpMADS2分别与日本梨休眠相关的两个MADS-box基因PpMADS13-1和PpMADS13-2聚在一起,且单独聚为一支,与李属植物休眠相关的MADS-box基因关系最近。休眠过程中,三个品种‘酥梨’、‘翠冠’和‘圆黄’PiMADSl和PpMADS2表达呈现相似的变化趋势,都有一个表达高峰,但‘翠冠’梨PpMADSl和PpMADS2的表达高峰均出现在11月15日,而‘圆黄’梨PpMADSl的表达高峰延后到12月30日,PpMADS2的表达高峰出现在12月15日,且三个品种PpMADSl和PpMADS2的表达高峰都出现在内休眠解除之前,随内休眠解除其表达量下调,生态休眠阶段表达量维持在较低的水平。据此推测PpMADSl和PpMADS2的表达对梨芽内休眠的解除具有调控作用。


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