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在植物繁育系统的研究中,被子植物的繁育系统是目前研究最深入的领域之一,在不断的进化过程中,逐渐演化出多种繁育系统,如雌雄同株、雌雄异株、雌全同株、雄全同株、雌全异株、雄全异株等。功能性的雄全异株繁育系统在整个开花植物中十分罕见。雄全异株可能是雌雄异株(dioecious)或两性株(hermaphroditic)经过长期的进化而来的,但对其具体的进化机制仍不清楚。目前,已证实了大多数形态学上的雄全异株是功能性的雌雄异株,而功能性的雄全异株植物在被子植物中所占比例极低,不足0.005%。最近,传粉实验和父本分析已经证明了瘿椒树为功能性的雄全异株繁育系统,两性株花果同期发育。为了繁殖保障,两性花中投入到雌性功能的资源必然比雄性功能多,从而引起两性花花粉活力降低。在花发育过程中,糖类是最主要的能源物质,糖类物质的投入量对花的雌雄功能有较大的影响。因此本文通过对瘿椒树雄花和两性花花药糖含量的测定,糖代谢和糖转运相关基因的相对表达以及其表达的时空变化,探究瘿椒树两性花雄性功能减弱的原因。本文的主要研究结果如下:(1)两性花花药可溶性总糖和淀粉含量在液泡化小孢子(VM)和二核花粉阶段(BN)都低于雄花花药;与雄花花药相比,两性花花药的蔗糖含量在VM和BN阶段极显著降低;果糖含量在VM阶段极显著降低,在BN阶段显著降低。(2)与雄花相比,糖代谢相关基因SS2、HXK2、AGPase、UGPase、SSase1在两性花的VM阶段显著表达。VI在两性花的VM和BN阶段的表达处于上调,CWIN和SPS2在两性花的3个阶段的表达都较低。在BN阶段,两性花的CWIN、SS2、HXK2、SPS2和SSase1处于下调。糖转运基因ST2在两性花花药发育的三个阶段的表达量都高于雄花,而MT在小孢子母细胞阶段(MMC)的表达量低于雄花,在VM和BN阶段均高于雄花。花粉内壁合成基因FLA和USP在两性花发育过程的三个阶段的表达量均低于雄花,且在VM阶段的表达显著低于雄花。(3)原位杂交结果表明:CWIN在绒毡层和小孢子中表达。在四分体阶段(TDS),CwIN在雄花和两性花的绒毡层和小孢子的表达基本相同,没有明显差异。在早期小孢子(YM)和VM阶段,CWIN在雄花花药的绒毡层和小孢子中强烈表达;在成熟花粉阶段(MP),CWIN在小孢子中大量表达。和雄花相比,在YM和VM阶段,CWIN在两性花绒毡层和小孢子的表达显著降低;在MP阶段,在两性花粉粒中基本没有表达。糖转运基因ST2也在花药的绒毡层和小孢子中表达,在YM和VM阶段,其表达量在雄花和两性花中没有明显差异;在MP阶段,ST2在雄花花粉中有少量表达,但在两性花花粉粒中没有表达,而是在其药隔组织中大量表达。(4)成功克隆出瘿椒树的细胞壁转化酶基因,命名TsCWIN(登录号:KY072915),该基因cDNA全长为 2024bp,包含 1764bp的开放阅读框,25bp5’非编码区,235bp 3’非编码区。该基因编码的CWIN蛋白包含587个氨基酸,预测的分子量和等电点分别为66.35 kDa和9.05,属于疏水性蛋白。该蛋白属于糖基水解酶家族成员,系统进化树分析显示TsCWIN与可可的CWIN亲缘关系最近。在瘿椒树花药发育的过程中,两性个体承担着较大的繁殖压力。两性花通过对繁殖资源的重新分配减少了对雄性功能的资源分配,从而确保果实和雌性功能的正常发育,使雄株在两性种群得以维持。两性花花药糖含量低,且花药内糖代谢和糖转运存在异常,导致花药室内供小孢子发育的营养物质大大减少,最终使得两性花的雄性繁殖力下降。由此可见,瘿椒树两性花通过调节糖代谢和糖转运来实现资源的再分配,确保其功能性雄全异株的繁育系统得以维持。