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中国黄连木性别表现分子机制的研究

白倩  
【摘要】:中国黄连木(Pistacia chinensis Bunge)是荒山绿化、用材、观赏树种,因其果实含油率40%以上,现成为北方重点发展的生物能源树种。但其为雌雄异株且缺乏良种,造成人力、地力的浪费及产量的低而不稳。项目组发现了罕见的雌雄同株资源,为探究其生物学特性、起源及花发育机制,本研究利用雌雄同株与雌雄异株材料,探究了不同性别类型黄连木表型特征、不同性别表现的部位DNA分子标记、性别稳定性、花芽分化与花器发育过程,并取性别分化关键期的各性别花芽进行了 RNA转录组及Small RNA测序,初步筛选出影响性别决定的关键基因后,对候选基因进行了功能验证。主要结果如下:1.在河南、河北共发现99株雌雄同株黄连木,两地均包括雌雄同株不同枝、雌雄同株同枝、雌雄同花序和雌雄同花类型。对其中23株展开详细调查,发现河北雌雄同株比例占当地黄连木的15%,两性花小花外观与雄花相似,但其花序显著大于雄花序而小花数量差异不显著,故小花间距较大。花序、小花器官等变异情况多样,如花药数有1-6枚等。雌雄同株的开花散粉物候期变化较大,进一步授粉试验证明雌雄配子体均可育,两性花可自花授粉。2.用24对已在黄连木属植物中进行性别鉴定的引物及针对特异条带设计的16对特异引物,对雌株、雄株、雌雄同株上雌、雄、两性部位的DNA进行扩增,发现差异条带为不同植株或群体间的多态性结果,与性别无关。同一棵雌雄同株不同性别部位的扩增带均完全一致。3.雌雄同株不同性别部位采集接穗嫁接后的性别表现与接穗性别不完全一致;雌雄同株大树上单枝性别可在一年内转变,说明特异性别并非起源于稳定的芽变。4.石蜡切片结果发现各性别类型在花发育早期均存在花原基两性期,第一年分化出雌性器官优先(雄蕊原基退化成第二轮被片,形成雌花)或雄性器官优先(雌蕊原基逐渐消失)两种类型,第二年雄性器官优先型可发育成雄花(无雌蕊原基)或两性花(再次形成雌蕊原基)。内部发育过程可通过外部形态特征及物候期初步判断。5.性别间差异基因种类相似,但表达模式有异,花器最终表型可能是相关基因表达量的差异造成。促雌及促雄基因间互相抑制,两性花第一年促雄基因高表达,而第二年大部分促雌促雄基因均不同程度地上调;两性花第二年性别分化关键期有大量响应光和冷的基因富集,说明两性花形成与春化有关,HSP、MADS、AP2家族等基因在性别分化中发挥了重要作用。6.在两次性别分化关键期,各性别类型的Small RNA测序中共鉴定到的已知miRNA成熟体385个,前体735个,预测到novel miRNA成熟体86个,前体109个;筛选出23个在性别中差异表达的miRNA;与转录组进行关联分析,发现了较多调控花发育的重要miRNA及通路。7.获得PcHSP70-1及PcHSP90基因全长并进行序列分析和功能验证,过表达PcHSP70-1可上调花发育相关基因,促进拟南芥抽薹并使花期提前,在干旱条件也可多抽薹。本研究排除了雌雄同株黄连木起源于芽变的假设,推测是环境持续作用造成的基因标签影响了性别决定。最终性别随着环境变化基因标签发生变化,表现为基因型不变,性别却改变的表观遗传现象。


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