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《中国农业科学院》 2007年
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苎麻性别决定及相关基因的基础研究

邢虎成  
【摘要】: 苎麻是重要的纤维作物,且苎麻是多年生无性繁殖为主的异花授粉作物,杂种优势明显,杂种优势利用潜力较大。由于苎麻品种高度杂合性,苎麻杂种F_1代性状严重分离;另外由于苎麻是雌雄同株作物,杂种优势利用中需要隔离和去雄,费时费力;这是长期困扰苎麻杂种优势利用的两大难题。再者,由于苎麻的杂合性,种子繁殖会造成后代的严重退化,生产中常用无性繁殖方法,但是无性繁殖成本高,速度慢,且易带病虫,这也是苎麻生产中遇到的问题。苎麻的性别决定是苎麻杂交优势利用及苎麻繁殖方法改进的基础。 关于苎麻性别决定的研究,前人观察表明苎麻雄花序分化过程中先形成雌雄蕊原始体,然后雌蕊退化形成雄花。而雌花中没有发现雄蕊痕迹。但是并没有给出雌雄蕊决定的准确时间,也没有外部形态标记。GA_3诱导苎麻属全雌性无融合生殖种产生雄花的试验表明,花芽分化至雌蕊原基分化形成之前(花芽长度0.5cm左右)比较容易诱导性转换。但是此试验并没有给出性别决定的确切时间点和外部形态特征标记。外源激素与苎麻性别的关系的研究方面主要集中在性别逆转上。关于苎麻性别决定相关基因方面的研究迄今为止未见报道。 本研究利用性别表达特异的材料,对其植物学性状、生长动态、花芽分化、内源乙烯、苎麻乙烯合成关键酶(ACC合成酶)基因的克隆及时空表达特性等几个方面进行研究,结果如下: 1)对性别表现特异的雌株苎麻(GBN-09)和雌雄同株苎麻(GBN-08)进行田间调查,发现GBN-08叶柄微红、托叶合生,茎黄绿色,花蕾绿色,茎斑细小且稀疏,而GBN-09叶柄绿色、托叶分生,茎绿色,花蕾黄白,茎斑大且密集。 2)对雌株苎麻(GBN-09)和雌雄同株苎麻(GBN-08)进行生长动态调查,发现GBN-08和GBN-09二麻期的株高日生长量呈抛物线,三麻期的株高日生长量逐渐降低;在二麻和三麻期,节位数的日增加量以前期增加较快,后期增加减缓为主;叶长与叶宽生长动态与株高的生长动态相同,而且叶片的伸长与加宽是正相关的。 3)对雌株苎麻(GBN-09)和雌雄同株苎麻(GBN-08)进行开花特性调查,发现苎麻第一花芽(最先分化的花芽)的性别决定整株的性别,即如第一花芽是雌性,则整株是雌株;如第一花芽是雄性则整株是雌雄同株。 4)对GBN-08和GBN-09的花芽分化进行显微切片观察,发现第一花芽大小为0.20±0.067cm是雌雄同株苎麻GBN-08的性别决定期,此时总节位为28-30节;第一花芽大小为0.25±0.037cm时是雌株苎麻GBN-09的性别决定期,此时总节位为24-29节。 5)对不同性别苎麻茎尖乙烯释放速率、不同性别苎麻材料不同节位花芽乙烯释放速率、雌雄同株苎麻的雌花序、雄花序和雌雄混合花序的乙烯释放速率进行测定,同时对外施乙烯抑制剂(AVG和AgNO_3)对苎麻性别的控制进行研究,表明苎麻性别分化与内源乙烯密切相关,高水平乙烯释放速率诱导雌株苎麻或雌花的产生。雌株苎麻在茎尖、叶和花芽中的乙烯含量都大于雌雄同株苎麻。在雌雄同株苎麻中,乙烯在雌花序中的含量高于在混合花序和雄花序中的含量。乙烯抑制剂AVG和AgNO_3可以控制苎麻的性别表现,以乙烯合成抑制剂AVG效果好,且以300mg/L为最佳诱导剂浓度。 6)通过比较几种RNA提取试剂对雌花,果实,叶片,茎皮的总RNA提取效果,发现RNAplant可以有效地提取苎麻不同组织的RNA且质量很好,可以进行mRNA的抽提,cDNA的合成,RT-PCR等下游实验。 7)根据已克隆的双子叶植物的ACC合成酶基因序列设计简并引物,以苎麻茎尖总RNA为模板,通过RT-PCR结合NEST-PCR扩增得到615bp的cDNA序列。对得到的cDNA序列在NCBI网站进行BLASTn和BLASTx比对显示此序列是苎麻ACC合成酶基因,编码205个氨基酸。苎麻ACC合成酶基因推导的氨基酸与苹果、拟南芥、大豆、番茄、甘蓝、黄瓜、柑桔、烟草、桃的蛋白结构域的保守性分析显示含有以报道的ACC合成酶基因5个保守区。同源树分析表明,苎麻ACC合成酶基因与大豆ACC合成酶基因的同源性最高。 8)实时定量PCR分析苎麻ACC合成酶基因的时空表达,发现在苗期以茎尖的表达量较高,叶片和茎杆次之,根中最低。在开花期和结果期,该基因的表达都比较低。当第一花芽大小为0.75cm时(处于花芽分化后期至开花前期之间),雌株苎麻(GBN-09)的茎尖ACC合成酶的表达量是苗期茎尖的26.2倍,雌雄同株苎麻(GBN-08)的茎尖表达量是苗期茎尖的10.1倍;而对于花芽来说,ACC合成酶基因表达量同样以雌株苎麻高于雌雄同株苎麻,它们分别是苗期茎尖的9.36和1.27倍。 综上所述,本研究在植物学性状,花芽分化,内源乙烯、乙烯合成关键酶(ACC合成酶)基因以及苎麻ACC合成酶基因时空表达特点与苎麻性别的关系等方面取得了显著的新进展,对苎麻性别控制、杂种优势利用和改进苎麻繁殖方法等方面具有重要的理论和实践价值。
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