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百子莲花芽分化及开花机理研究

张荻  
【摘要】:本论文以热带常绿花卉百子莲(Agapanthus praecox ssp. orientalis)为研究对象,通过花芽分化解剖观察、胚胎学、开花生理学、内源激素分析、转录组学与蛋白组学系统的研究了百子莲花芽分化规律和开花内源调控因子的作用机制。 1.花芽分化解剖观察:百子莲花器官发育可分为6个明显的阶段:未分化期、花序芽分化期、小花原基分化期、花被片分化期、雄蕊原基分化期和雌蕊原基分化期。整个花芽分化过程约持续40天的时间,前3个阶段分化速度较慢,后3个阶段分化速度明显加快。百子莲开花模式符合单子叶植物改进型的ABC模型,即B基因参与了第一轮花器官的形成。 2.胚胎学特征:百子莲花药壁从外到内由表皮、药室内壁、中层和绒毡层构成,花药壁发育类型为双子叶类型;花药成熟时纤维化加厚发生在药室内壁导致花药开裂;分泌型绒毡层;小孢子母细胞减数分裂为连续型,产生十字交叉形四分体;成熟花粉为2细胞型花粉,椭球形,具单萌发沟,表面纹饰为凹陷网纹状。子房上位,3室,中轴胎座;倒生型胚珠,双珠被,薄珠心;T型大孢子四分体,通常合点端大孢子发育成功能大孢子,经过3次连续的有丝分裂发育成蓼型胚囊。授粉后50h发生双受精现象,在授粉后第7天精核与卵核发生融合并开始分裂。百子莲的胚发育属于柳叶菜型,胚乳为核型胚乳。整个胚胎发育需要50d左右的时间。各花器官与胚乳细胞中含有大量的淀粉粒与蛋白类物质,绒毡层与花粉壁中富含多糖、蛋白与脂类物质。在胚发育过程中,胚柄早期退化,胚的发育主要依靠吸收胚乳细胞提供物质能量供应。比较胚胎学表明百子莲科、石蒜科和葱科具有较近的亲缘关系,这3个科的系统演化顺序为:百子莲科→石蒜科→葱科。 3.开花生理特征:从营养生长到生殖生长整个发育过程中茎尖和叶片中的核酸、可溶性蛋白、淀粉、可溶性糖及淀粉酶各项生理指标在开花诱导期和盛花期均有显著的提高。花芽分化过程中茎尖中伴随着旺盛的糖类代谢活动,茎尖中淀粉含量持续下降,淀粉酶活性一直维持较高的活性。各时期之间RNA含量差异显著,从营养生长期到花芽发育期茎尖内RNA含量持续升高,在花芽发育期含量达到最高水平1129.55μg·g-1FW-1,比营养生长期和开花诱导期分别增加了213%和108%。可溶性蛋白含量在诱导期花芽中显著增加,比营养生长期高出138%。 4.内源激素分析:12种赤霉素在百子莲各器官中检测到11种,对花芽分化起到调控作用的是GA4。茎尖(花芽)中GA4含量在形态转变期与花芽发育期含量升高,这两个时期茎尖GA4含量分别为营养生长期的2.76和2.63倍。GA主要分布在小花原基与胚珠中,对花芽分化与胚珠发育具有重要的调控作用。茎尖中IAA含量变化最为显著,茎尖中IAA含量在形态转变期比营养生长期提高了581%。IAA在小花原基、花器官原基、花药绒毡层与花丝、胚珠中都有很强的免疫荧光信号。IAA对百子莲花芽分化、花器官分化与发育都具有重要的调控作用。15种细胞分裂素在植株内检测到8种,其中Z、ZROG与IPR含量较高。具有生物活性的玉米素(Z)促进百子莲的花芽分化,茎尖中Z含量在形态转变期与花芽分化期都显著性上升。细胞分裂素主要分布在百子莲的小花原基与胚珠中。低含量的脱落酸促进花芽分化,高含量促进花器官分化。综合分析表明:GA、IAA与CTK促进花芽分化,ABA对花芽分化及发育速度具有负调控作用。高的IAA/ABA比值有利于百子莲由营养生长向生殖生长转化。GA3+4/IAA比值低有利于促进花器官分化,比值高则促进花葶的伸长。高的(IAA+GA3+GA4+Z+iP) /cis-ABA比值可能对百子莲开花决定具有重要作用,其中IAA对于百子莲花芽分化起到至关重要的作用。 5.转录组学:72个已知功能的差异表达基因的主要功能分为12类,其中代谢相关基因所占比例最大,达到22%。对33个具有重要调控功能的基因进了定量表达分析,其中在诱导期与花序芽时期持续上调表达的基因有23个,占到总数的69.7%;在诱导期花芽中显著性上调表达的基因有8个,占总数的24.2%;有2个差异表达基因持续下调表达。花芽分化过程中,生长素主要受体蛋白TIR1与赤霉素信号的负调控转录因子GAI的表达水平表明生长素促进百子莲的花芽分化,低水平的赤霉素对开花决定具有调控作用,较高水平的赤霉素对花芽分化和花器官发育具有促进作用。 6.蛋白组学:利用双向电泳分离得到72个差异表达蛋白点,在诱导期与花芽分化期上调表达的蛋白有26个,占总数的38.2%;诱导期花芽中特异性上调表达的蛋白有21个,占总数的30.9%;持续下调表达的蛋白有15个。这些蛋白按功能划分为11类,代谢相关的蛋白占有比例最大,达到35%。分析表明,糖类合成代谢途径、H202与乙烯调控途径可能是调控百子莲花芽分化的重要内源调控因子。 7.生物信息学分析:部分差异表达基因与蛋白参与调控植物的光合固碳生物途径与糖酵解/糖异生途径。经过综合分析,对百子莲花芽分化具有重要调控作用的内源因子主要有:生长素信号途径、赤霉素信号途径、乙烯信号调控途径、H202调控途径、糖类物质合成代谢途径。


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