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棉花开花时间相关基因的挖掘鉴定与功能分析

魏俊梅  
【摘要】:开花是高等植物重要的生理特征之一,植物的花期调控也一直是植物分子生物学的研究热点之一。棉花是重要的经济作物,但近年来棉花种植面积减少,粮棉争地矛盾突出,同时,棉花具有无限生长习性,给棉花收获带来很大困扰,因此培育高产优质的短季棉(Short Season Cotton)和调控花期长短成为解决粮棉争地、提高生产效率、优化农业结构的重要方法。早熟性是短季棉育种目标的重要性状之一,棉花的早花可缩短生育期,促进其早熟;另一方面,调控开花时期长短,使棉花集中开放、集中吐絮,有利于机械化收获,减少人力、物力投入,在棉花生产中也具有重要意义。根据前人研究,表明FT(FLOWERING LOCUS T)、AP1(APETALA1)基因是促进植物开花的关键基因,所以本实验选取这两个基因作为目的基因,在棉花中验证其功能,同时利用RNA-seq技术对花期不同的材料进行转录组分析,以期挖掘新的与开花时间相关的基因,解析棉花花期调控规律及分子基础。主要研究成果如下:1、对FT、AP1两个基因的氨基酸序列进行比对,发现FT基因在物种进化过程中变异很小,保守性很强,而AP1基因有一定的变异,但在棉花中保守性强。2、通过构建GhFT和GhAP1基因的超表达(OE)载体,将这两个基因导入棉花中研究其对开花时间的调控作用。对T_1、T_2代进行鉴定和观察,发现GhFT-OE中虽然阳性单株目的基因表达量上升,但未出现提前开花的现象;GhAP1-OE中的阳性植株株型紧凑,开花提前并集中开放,果枝整体较多、花量多,与前人的研究较为一致。3、对棉花早开花(ERLY-F)、晚开花(LATE-F)、不开花(NON-F)三种材料的顶端分生组织进行观察,发现它们在形态上存在较大差别,开花材料顶端隆起,细胞分布规则,不开花材料顶端平整,细胞排布杂乱。因此选取这三个材料的起始发育原基,提取RNA,利用RNA-seq技术进行转录组测序。4、将样品分为三个比较组:NON-F_vs_ERLY-F、NON-F_vs_LATE-F、LATE-F_vs_ERLY-F。测序结果表明,以NON-F为对照,ERLY-F、LATE-F两个开花材料中下调表达的差异基因比上调表达的多,分别为7999个和6459个,推测这部分基因可能与抑制开花相关;以LATE-F为对照,ERLY-F中上调表达基因较多,为5755个,推测这部分基因可能与促进开花相关,另外有1993个DEGs同时存在于三个分组中,表明这部分基因可能对开花与否、开花时间早晚都有调控作用;Gene Ontology(GO)注释分析表明,与转录调控和DNA模板化、核苷酸的转录调控、激酶活性等功能相关的基因与能否开花密切相关,与羧酸代谢、催化活性、氧化还原酶活性等功能相关的基因与开花时间早晚密切相关;KEGG pathway分析表明,与能否开或开花时间早晚相关的差异表达基因主要富集在光合作用碳固定、昼夜节律、α-亚麻酸代谢等代谢途径上;在差异表达的转录因子中,主要的转录因子家族有bHLH、NAC、MYB-related、ERF、WRKY、C2H2、MYB,这七类转录因子家族在开花时间的调控中发挥了重要作用。


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