转录组分析揭示与细胞分裂素调控星油藤花性别分化相关的基因表达变化

        花性别分化是植物生殖器官分化发育的重要方面,也是影响植物果实和种子产量的主要因素之一,这一重要的生物学过程是受遗传因子和外源环境因素共同调控的。许多研究表明,植物激素对花性别分化起着重要的调控作用。我们前期研究发现,采用外源细胞分裂素 (6-BA) 处理,可诱导星油藤 (Plukenetia volubilis) 花序上的雄花转变为雌花(Fu et al., 2014, Ind. Crop. Prod., 59:295–298)。然而,细胞分裂素调控星油藤花性别分化的分子基础仍不清楚。   

版纳植物园热带植物资源可持续利用重点实验室能源植物分子育种研究组通过对6-BA诱导产生的星油藤早期发育雌花序芽和雄花序芽进行了比较转录组分析研究。花序转录组数据的从头组装获得了57,664个基因序列 (unigenes),其中45,235个基因序列在数据库中被成功注释。差异表达分析筛选获得了1385个在雌雄花序芽中显著差异表达的基因,从中鉴定了6个与细胞分裂素和生长素信号通路相关的基因,16个重要转录调控因子基因;并发现PvoCRCPvoRL1PvoRL2PvoHEC2PvoWOX9PvoSUP和花器官发育调控C类基因PvoAG在6-BA诱导产生的雌花序芽中显著上调表达,而参与雄蕊发育的B类基因如PvoAP3PvoPIPvoTM6则显著下调表达。该研究结果表明星油藤花性别分化是一个多基因参与的复杂调控过程,本研究鉴定获得的差异表达的基因功能有待进一步验证,从而进一步揭示细胞分裂素调控星油藤雌雄花性别分化的分子机理,为星油藤的遗传改良提供候选功能基因。 

        上述相关研究成果近期以 De novo transcriptome assembly and comparative analysis between male and benzyladenine-induced female inflorescence buds of Plukenetia volubilis为题,发表于国际植物学专业期刊Journal of Plant Physiology。付乾堂副研究员为该论文第一作者,徐增富研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金 (31300568)和云南省应用基础研究项目 (2014FB186和2016FB051)等项目的资助,研究过程中得到中心实验室的大力支持,在此表示感谢! 

                 细胞分裂素诱导的星油藤雌花序芽(FIB)与雄花序芽(MIB)的差异表达基因分布(A)及上调和下调表达的差异基因数量(B)

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赤霉素降解酶基因JcGA2ox6调控小桐子的生长发育

       赤霉素(gibberellins, GAs)是一类在植物生长发育过程中起重要调控作用的植物激素。GA2ox (Gibberellin 2-oxidase) 基因家族编码的赤霉素降解酶通过直接的催化作用将具生物活性的赤霉素转化为非生物活性的赤霉素,从而降低植物体内具生物活性的赤霉素含量。小桐子(Jatrophacurcas)是大戟科多年生木本油料植物,其种子含油率高达40%,是加工生产生物燃油的优质原料。然而,小桐子营养生长过于旺盛,且开花习性不稳定,导致种子产量低。通过降低小桐子内源具有生物活性的赤霉素含量,从而调控小桐子的生长发育过程,可为小桐子的转基因育种奠定基础。 

版纳植物园热带植物资源可持续利用重点实验室能源植物分子育种研究组的博士生胡颖雄在徐增富研究员和陶彦彬助理研究员的指导下,从小桐子中克隆了JcGA2ox6基因并进行了基因功能鉴定。通过qPCR分析表明,JcGA2ox6在小桐子的各个组织部位均有表达,其中在根、茎、花以及授粉后30天的果皮中表达量最高,而在叶、茎尖、花序、授粉后10天的幼果以及授粉后30天的种子中表达量较低。过量表达JcGA2ox6导致转基因小桐子和拟南芥均出现矮化表型,并且叶片变小、颜色变深,花、果和种子也变小。但是,转基因拟南芥的开花推迟,而转基因小桐子的开花时间无显著性变化。通过检测转基因小桐子植株的内源GAs含量发现具有生物活性的GA4含量下降。GA4含量的下降对赤霉素合成酶基因GA20ox1GA20ox3GA3ox1-3产生了负反馈调节,这些基因的表达量明显升高。这些结果表明过量表达JcGA2ox6基因能够降低小桐子内源具有生物活性的赤霉素GA4含量,从而导致了转基因小桐子植株矮化的表型。在后续研究中,我们将尝试通过密植矮化的JcGA2ox6转基因植株,期望提高小桐子的单位面积种子产量。 

      上述相关研究结果以Overexpression of Jatropha Gibberellin 2-oxidase 6 (JcGA2ox6) Induces Dwarfism and Smaller Leaves, Flowers and Fruits in Arabidopsis and Jatropha为题,发表在国际专业学术期刊Frontiers in Plant Science上。 该研究得到了云南省自然基金(2016FB048)、国家自然基金(31370595)、中科院项目(ZSZC-014, 2017XTBG-T02)及中科院“西部之光”的资助。

A是野生型小桐子;B和C分别是JcGA2ox6转基因小桐子株系L43和L27

 

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