能源植物小桐子LEAFY同源基因(JcLFY)调控开花时间和花器官发育

开花是高等植物发育过程中最重要的阶段之一,是连接植物营养生长和生殖生长的桥梁。在拟南芥等模式植物中已经发现了五条调控开花的路径,LEAFY(LFY)是调控拟南芥开花的关键因子。小桐子 (Jatropha curcas) 属于大戟科,为多年生木本植物,其种子油是加工生产生物燃油的优质原料。然而,小桐子开花习性不稳定,导致种子产量低,目前尚不能满足工业化生产的需要。此外,小桐子较长的童期影响其发育生物学与育种研究。

版纳植物园能源植物分子育种研究组的唐明勇博士及其合作者在徐增富研究员的指导下,通过Rapid Amplification of cDNA Ends (RACE)的方法克隆了小桐子中LFY同源基因JcLFY的全长cDNA,并通过在拟南芥和小桐子中超量表达JcLFY的方法分析其功能。序列同源比对结果显示,JcLFY与其它植物LFY的相似性为66%~88%。JcLFY主要在小桐子花序芽、花芽和心皮中表达,且花芽发育早期的表达量最高;与拟南芥不同,外源赤霉素处理的结果显示JcLFY的表达量不受赤霉素的诱导。超量表达JcLFY的拟南芥出现极度早花现象,同时还伴有终端花和单花的出现。超量表达JcLFY能恢复拟南芥LFY功能丧失突变体lfy-15的晚花和多分枝的表型。基因芯片杂交分析和实时荧光定量PCR检测结果显示超量表达JcLFY的拟南芥中一些花分生组织决定基因和花器官发育基因的表达量都上升。超量表达JcLFY的小桐子出现轻微的早花现象,但JcLFY共抑制的转基因小桐子植株中没有出现明显晚花表型。JcLFY共抑制植株的花序结构、花器官排列模式、数量以及果实形态等都发生了明显的变化。在JcLFY共抑制植株的花芽中一些花分生组织决定基因和花器官发育相关基因的表达量都降低。以上结果说明,JcLFY参与调控花分生组织起始、花器官数目和形态以及果实发育;JcLFY是拟南芥LFY的同源基因,但JcLFY并不是调控小桐子开花的主要决定因子。

上述研究结果以An ortholog of LEAFY in Jatropha curcas regulates flowering time and floral organ development为题,已经发表于Scientific Reports

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能源植物小桐子APETALA1(AP1)基因的功能研究

        小桐子由于种子油含量高和油品质好而被公认为最具有潜力的能源植物,然而由于小桐子开花习性不稳定,导致其产量低,不能满足商业生产的应用。而拟南芥的APETALA1AP1)基因编码是一个含有MADS 结构域的转录因子,在花原基中表达,具有决定花分生组织起始和控制花器官起始的双重作用。

版纳植物园能源植物分子育种研究组的唐明勇博士及其合作者在徐增富研究员的指导下,首先从小桐子中分离了AP1的同源基因JcAP1,序列分析表明JcAP1与其它植物AP1具有很高的相似性。JcAP1主要在小桐子的花序芽、花芽、花萼和花瓣中表达,在花芽发育的早期表达量最高。使用组成型启动子CaMV35S超量表达JcAP1导致转基因拟南芥极度早花,同时产生不正常的花,并引起了转基因拟南芥AP1下游基因表达量的上升。另外,超表达JcAP1能够恢复拟南芥ap1-11突变体的表型。这些研究结果说明,JcAP1是拟南芥AP1的同源基因,二者具有相似的功能。然而,用相同的启动子在小桐子中超量表达JcAP1并没有导致开花时间和花器官形态的显著改变,说明JcAP1可能不是调控小桐子花芽分化和花器官发育的关键基因。

相关研究结果以Ectopic expression of Jatropha curcasAPETALA1 (JcAP1) caused early flowering in Arabidopsis, but not in Jatropha为题,已在线发表于国际专业期刊PeerJ 4:e1969 https://doi.org/10.7717/peerj.1969

超表达JcAP1的转基因拟南芥极度早花并出现畸形花

超表达JcAP1的转基因拟南芥极度早花并出现畸形花

 

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