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百合春化和光周期开花途径关键基因的筛选及作用机制分析

来源：花匠小妙招时间：2024-11-30 05:20

百合春化和光周期开花途径关键基因的筛选及作用机制分析

【摘要】： 百合是重要的商品花卉,花期是其重要的性状。目前对百合开花调控的研究主要集中在低温春化途径或光周期途径,而百合种类繁多且花期不同,这两条主要的成花途径是否存在互作,以及与环境有何关系很少有研究。因此,以不同开花特性百合为材料,依据转录组数据筛选低温春化途径和光周期途径及脯氨酸合成酶关键基因(P5CSs)的基因家族成员并进行序列分析;在此基础上,比较研究了这些基因在不同百合成花过程中以及铁炮百合不同规格种球在不同低温贮藏时间和光周期条件下的表达特征,筛选出调控不同成花类型百合开花的关键基因成员;同时分析了LP5CSs基因和光周期成花调控途径中关键基因表达的相关性。本研究对百合花期的进化机制研究以及栽培技术的建立提供了理论基础。主要研究结果如下:(1)依据转录组数据和NCBI在线数据库,从不同百合中获得与低温春化和光周期途径相关基因家族成员序列,其中低温春化基因序列LFRI共20条、LSVP共3条、LVIN3共14条、LVRN共13条;光周期途径相关基因序列LCRYs共10条、LGIs共11条、LFKF1共5条、LCOs共42条;开花整合基因LLFY共5条、LSOC1共6条。对这些基因家族序列进行了系统进化关系、保守蛋白结构域序列、一级结构和理化性质分析,同时推测LFRI3-1、LFRI3-2、LVIN3-1、LVRV1、LCRY1和LGI2基因可能为单子叶植物开花相关特有基因。(2)对种植前花芽分化类型盆栽百合开花过程中LFTs表达进行分析,结果表明LFT3在成花转变期茎尖高表达,可能参与低温春化需求较高百合开花转变。对盆栽百合花谢后叶片和鳞片中LFTs表达进行分析,结果表明鳞片中LFT1在花谢后初期表达上升,与小籽球的发育相关;LFT2在叶片和鳞片中均先上升后下降,可能与小籽球分生和增殖相关;LFT3在花谢后期高表达,参与百合植株花后营养积累。(3)对铁炮百合和新铁炮百合现蕾时期材料进行3代测序,分别获得12.39G和10.67G的Unigene数据量,得到124001条和145038条核苷酸序列;对获得基因序列在NR、Swiss Prot、KEGG、KOG、GO、NT、Pfam数据库进行功能注释,获得大量基因功能注释信息;转录因子分析表明两种百合中共有光敏色素信号相关GRAS和FAR1转录因子,新铁炮百合独有昼夜节律维持相关GARP-ARR-B转录因子,表明两种百合开花均与光周期密切相关,而新铁炮百合开花与昼夜节律基因表达密切相关。(4)对铁炮百合不同规格种球在不同低温贮藏时间和长短日照条件下开花性状和低温春化及光周期途径中成花关键基因表达模式进行分析。结果表明,铁炮百合成花受春化途径和光周期途径双重影响;其中,春化途径对大球成花转变影响较大,小球成花则受光周期途径影响较大;低温处理提高铁炮百合小球植株对长日照的敏感性。低温春化途径中Ll VRN1,光周期途径中Ll FKF1、Ll GI、Ll CO5、Ll CO7、Ll CO16、Ll FT1、Ll FT3和整合因子基因Ll SOC1可能直接参与铁炮百合成花转变过程。(5)对湖北百合及其杂种‘Black beauty’低温春化和光周期途径中开花相关基因表达模式进行分析,结果表明Lh VRN1、Lh VIN3-2、Lh CO5、Lh CO6、Lh CO7、Lh CO9、Lh CO11、Lh CO16、Lh FT1、Lh FT2、Lh SOC1、Lh FKF1、Lh GIs可能参与湖北百合植株的开花转变,而Lbb VRN1、Lbb VIN3-2、Lbb CO5、Lbb CO6、Lbb CO9、Lbb CO11、Lbb CO14、Lbb FT1、Lbb FT3、Lbb FKF1、Lbb GIs基因则可能参与‘Black beauty’的开花转变。据开花相关基因表达量和表达模式分析可得出,这两种百合均为种植后开花,成花调控途径以光周期途径为主,冷藏可促进其成花;两种百合开花的共同关键基因为LFKF1、LGIs、LCO5、LCO6、LCO9、LCO11、LFT1。(6)在铁炮百合、新铁炮百合和‘索邦’百合中分别克隆得到2个LP5CSs同源基因,而湖北百合和‘Black beauty’百合中得到3个LP5CSs同源基因,序列分析结果显示这些LP5CS基因较为保守。铁炮百合、新铁炮百合、湖北百合和‘Black beauty’百合开花过程中LP5CSs表达模式研究结果表明,LP5CS1基因与百合各个生长阶段均密切相关;LP5CS2参与植株营养生长且可能与长日照条件相关,同时也可能参与百合成花转变。而LP5CS3与植株成花诱导密切相关,与光照条件关系不大。在百合开花过程中,LP5CSs与光周期途径开花促进因子LCO6、LCO9、LFTs、LFKF1、LGI等基因的表达具有显著正相关性。(7)对转Va P5CS-F129A基因‘索邦’进行抗旱和抗盐碱试验。逆境胁迫下,转基因植株相较于对照植株‘索邦’叶片内脯氨酸含量较高,而丙二醛含量较低。Va P5CS和Lo P5CS1均可被干旱和盐碱处理显著诱导表达量上调,Lo P5CS2基因表达的上调幅度相对较低。转基因植株相对于对照具有更高的耐旱性和耐盐碱性。另外,相同环境条件下转基因植株长势更好,瓶插寿命更长。

【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2022

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