纽荷尔脐橙柳叶形突变体赤霉素生物合成及基因表达谱分析

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nm76181156
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叶形不仅是分类学上重要的形态标记,也是非常重要的农艺性状。叶片形态和结构不仅影响植物的生命活动,而且影响其光合效能和生物质积累。叶片发育受到环境和遗传因素的共同控制。赤霉素(gibberellin,GA)对最终成熟的叶片形态有重要的影响。但是人们对于柑橘叶形变异形成的分子机理仍知之甚少。‘柳叶形纽荷尔’脐橙是新发现的一个脐橙叶形突变体。本研究以‘柳叶形纽荷尔’脐橙及其野生型‘纽荷尔’脐橙[Citrus sinensis(L.) Osbeck]为一对研究材料,比较了两者形态、解剖、内源GA水平及其相关基因表达之间的差异,并采用SSH结合反向Northern杂交技术分析了两者在转录组水平上的差异。主要研究结果如下:  1.‘柳叶形纽荷尔’脐橙的表型鉴定  (1)与‘纽荷尔’相比,‘柳叶形纽荷尔’的叶片、节间和花柱变长,其中突变体和野生型的叶长、叶宽、叶形指数、第三节间长分别为10.72cm、4.50cm、2.40、1.66cm和8.87cm、4.89cm、1.82、1.39cm;通过组织切片观察发现,与‘纽荷尔’相比,‘柳叶形纽荷尔’的叶片变薄,主脉变小,栅栏组织细胞在基顶轴上的直径增加,而在中侧轴和背腹轴上的直径减小,海绵组织细胞面积减小,其中突变体和野生型叶片厚度分别为243.887μm和268.063μm,栅栏组织细胞长宽厚分别为9.066μm、8.470μm、19.282μm和8.483μm、9.009μm、25.328μm,海绵组织细胞面积分别为180.127μm2和262.692μm2。由此推测,异常的细胞延伸导致了‘柳叶形纽荷尔’叶形的变异。  (2)与‘纽荷尔’相比,‘柳叶形纽荷尔’的单果重下降,果皮厚度增加,纵径没有明显差异,横径减小,从而导致果形指数增加,其中突变体和野生型的单果重分别为232.38g和273.37g,果皮厚度分别为0.66cm和0.55cm,纵径分别为8.44cm和8.23cm,横径分别为7.63cm和8.11cm,果形指数分别为1.10和1.01;此外,突变体较野生型果肉颜色加深,果皮颜色没有明显差异;果肉可溶性固形物和维生素C含量增加,而可滴定酸含量没有明显差异,其中突变体和野生型果汁颜色分别为浅绿色透黄和绿色透黄,果皮颜色同为橙红色,果肉可溶性固形物含量分别为13.4%和11.0%,可滴定酸含量同为1.31%,维生素C含量分别为6.1mg/100g和4.9mg/100g;通过气相色谱分析可溶性糖和有机酸发现,与‘纽荷尔’相比,‘柳叶形纽荷尔’果肉的苹果酸和奎宁酸含量没有明显差异,而柠檬酸含量降低,果糖、葡萄糖和蔗糖含量增加,其中突变体和野生型果肉的柠檬酸、苹果酸、奎宁酸含量分别为6.27mg/g、1.26mg/g、0.16mg/g和8.79mg/g、1.24mg/g、0.18mg/g,果糖、葡萄糖、蔗糖含量分别为40.70mg/g、35.97mg/g、64.37mg/g和33.53mg/g、31.66mg/g、57.91mg/g。初步分析结果显示,‘柳叶形纽荷尔’和‘纽荷尔’的外观品质没有很大差异,而‘柳叶形纽荷尔’的内在品质可能优于‘纽荷尔’。  (3)‘柳叶形纽荷尔’叶芽组织的内源活性GA水平较‘纽荷尔’的高,其中突变体和野生型叶芽组织GA1、GA4、GA9、GA20的含量分别为10.1452ng/g DW、4.7839ng/g DW、23.8095ng/g DW、1.7596ng/g DW和4.2409ng/g DW、1.8158ng/g DW、3.5765ng/g DW、4.9521ng/g DW;实时定量PCR分析GA代谢基因的表达发现,与‘纽荷尔’相比,‘柳叶形纽荷尔’叶芽组织中GA20氧化酶基因(GA20-oxidase,GA20ox)的表达上调,而叶片中贝壳杉烯氧化酶(kaurene oxidase,KO)、GA20ox和GA2氧化酶(GA-oxidase,GA2ox)基因的表达上调。以上结果说明突变体的GA代谢活动比野生型的旺盛,可能因此导致其叶片变得狭长。  2.抑制性差减杂交(suppression subtractive hybridization,SSH)分析  为了获得‘柳叶形纽荷尔’叶形变异相关的基因,我们构建了‘柳叶形纽荷尔’与‘纽荷尔’叶芽组织的SSH文库,然后采用反向Northern杂交技术从文库中筛选差异表达基因。在对差异表达基因进行测序和序列分析后,我们总共获得了221条非冗余ESTs,其中176条与已知序列的同源性较高。在差异表达基因集中,我们发现许多与细胞壁和细胞骨架相关的基因。此外,控制叶片形态发生的两个关键转录因子基因,yabby和WUSCHEL-like homeobox(wox),在突变体和野生型中的表达有明显差异。SSH文库中高丰度基因大部分与逆境相关,此外,木质素途径的结构基因(o-methytransferase)和假定的调控基因(myb-like基因)亦在高丰度基因集中,暗示构成次生细胞壁的木质素也可能对柑橘叶形有重要的影响。  3.GA生物合成基因和受体基因的克隆与分析  我们分离了‘纽荷尔’脐橙GA生物合成的两个基因,KO和贝壳杉烯酸氧化酶(kaurenoic acid oxidase,KAO)基因,以及GA受体基因,GID。这三个基因与其他物种中对应的基因在氨基酸水平上具有较高的同源性。此外,它们在不同组织中的表达水平存在明显差异,在茎叶中的表达较高,而在叶芽、花和果实中的表达较低,说明GA在柑橘营养生长中的活动较为旺盛。
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