甘蓝型油菜花蕾簇生性状的遗传解析

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油菜是世界是我国主要的油料、饲料和能源作物。随着劳动力结构的改变、生产力水平的提高及农业结构的调整,油菜生产也出现了诸多问题,如劳动力不足、机械化作业程度低等,严重制约了我国油菜产业的发展。油菜花蕾簇生突变体具有无分枝或短小分枝、花蕾簇生、成熟期一致等优点,适于高密度种植和机械化收获从而增加油菜的总产量。本文以油菜花蕾簇生突变体为实验材料,主要从形态学、群体分离分析(Bulk Segregant Analysis,BSA)测序和转录组测序分析对油菜花蕾簇生遗传机理进行解析。主要研究结果如下:(1)不同生长时期的形态学观察和农艺性状分析。幼苗期,大约在15d,野生型和花蕾簇生突变体开始出现表型差异,突变体的叶原基起始速度快于野生型植株,后期差异持续扩大;苗期,突变体的叶片数目显著多于野生型;抽薹期,突变体的顶端分生组织(Shoot Apical Meristem,SAM)相比野生型更为膨大;花期,突变体的花序出现多个同时发育的SAM,主茎和分枝呈现粘连现象;成熟期,突变体角果数量多且角果密度极显著提高。综上所述,花蕾簇生突变体的SAM持续异常分裂分化,形成多个顶端分生组织同步生长可能是花蕾簇生的原因。(2)BSA测序分析。在花蕾簇生突变体和野生型构建的F2:3群体中筛选两种表型极端株构建子代混池进行BSA测序分析。共检测到6217291个SNP,3085197个InDel。通过关联分析获得6个显著关联区域,筛选到799个候选基因。候选基因的功能注释及互作网络分析发现,大多数候选基因涉及到转录调控、蛋白质修饰、蛋白质降解等路径。鉴定的多数转录因子属于MYB、MADS、AP2、C2H2和bHLH家族,这些家族都直接或间接参与SAM的调控。泛素-蛋白酶体系统中E3连接酶SCF复合体定位于显著关联位点峰值处,表明SCF复合体可能在顶端分生组织网络调控中起关键作用。(3)结合群体分离分析和比较转录组分析挖掘候选基因。BSA显著关联区域的候选基因和转录组测序中差异表达的转录因子互作网络分析发现,这些基因直接或间接互作调控SAM相关基因。例如,IAA8是BSA和转录组共有的候选基因,生长素在调控RPS10B表达从而促进腋芽发育起关键作用;PGY与REV、KAN1和KAN2共同调控叶原基细胞分化;FUS12作为CSN的组分,通过调节E3连接酶的活性参与光形态发生、生长素和茉莉酮酸响应;SE和AGO4通过调节PHB和KNOX表达调控分生组织活性和近轴叶的分化;SPL3通过CRN与CLV-WUS途径和NAC家族以及KNOX家族的转录因子相互作用调控SAM;KAN与AS1和AS2相互作用调控侧器官边界的形成。整合BSA和转录组结果表明这些关键基因和转录因子可能通过抑制顶端分生组织与叶原基的边界区域之间的生长调控,导致顶端分生组织失去顶端优势后改变叶原基起始位点,从而导致花蕾簇生表型的出现。本研究通过形态学观察和BSA分析并结合转录组测序初步揭示花蕾簇生的机理,进一步确定花蕾簇生是由于SAM调控网络异常,叶原基起始位点改变,SAM失去顶端优势,从而出现多个分生组织。花蕾簇生突变体的研究为选育适合机械化收获的油菜奠定了基础。
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