论文部分内容阅读
榕树在热带地区被广泛用于美化环境,并以其非凡的气生根而著称。榕树是桑科植物中种类最多的一种,与传粉者紧密结合构成一个共生系统。大约有一半的榕属植物在功能上是雌雄异株的,这与雌雄同株榕属植物的不同之处在于,雄树结出的果实能产生功能性雄蕊和孕育榕小蜂的非功能性雌花(即瘿花),而雌树含有可以产生种子的功能性雌花和退化的雄花。先前的研究报道RAN1基因是决定无花果(F.carica)性别的关键基因。然而,它可能不是榕属植物唯一的性别决定系统。
本研究基于基因组学、遗传学、分子生物学等方法,探索榕树的性别决定机制,以对叶榕(F.hispida)为主要研究材料,收集对叶榕雌雄果实的三个主要发育时期样品,分析其性染色体的遗传结构、性别区域、演化方式以及表达模式。主要研究结果如下:
1.性别决定基因的鉴定:通过采集来自同一母本的种子并培育幼苗,对其中30株雄性F1代植株和30株雌性F1代植株及其母本进行全基因组重测序,将重测序数据与对叶榕参考基因组进行比对,检测每条染色体的单核苷酸多态性(SNP),分别构建父本和母本遗传图谱。在10号染色体的前2Mb区域检测到一个非重组区域,作为性别决定候选区域,在这个区域中仅包含一个MADS box转录因子Fh.10G0000020,对该基因进行转录组分析,其结果显示该基因在对叶榕的雄花发育时期高表达,在雌花、叶片、根中均不表达,表明了该基因可能是对叶榕的性别决定基因。功能分析显示,该基因为AGAMOUS(AG)基因家族的一个成员。
2.对叶榕性别决定基因的演化研究:系统发育树分析表明,雌雄同株的小叶榕含有1个AGAMOUS基因拷贝(FmAG),而雌雄异株的对叶榕存在3个拷贝(FhAG1、FhAG2和FhAG3),其中FhAG2和FhAG3分别为雄性特异性拷贝数。进一步分析表明,FhAG1与FmAG是直系同源,且两者所在的基因组区间存在大片段的共线性。而FhAG2、FhAG3与FhAG1互为旁系同源,前两个基因是FhAG1的复制和拷贝。这一结果表明,FhAG1是对叶榕AG基因的祖先拷贝,维持了祖先基因中控制雄蕊和心皮发育的功能,而FhAG2和FhAG3起源于FhAG1基因的复制,并发生新功能化,成为对叶榕控制性别决定的候选基因。
3.对叶榕性别调控基因网络的构建:基于雌雄异株对叶榕果实转录组数据,在果实主要的三个发育时期一共鉴定了1,818个性别差异表达基因。差异基因的功能富集分析的结果表明,9个基因调控对叶榕花原基发育网络。利用转录起始位点(TSS)的上游2Kb序列作为潜在的顺式元件结合位点,计算基因之间的皮尔森相关系数(PCCs),预测了14个可能参与FhAG2基因调控网络的基因。FhAG2、Fh.04G0001990、FhAG3在网络中为其他差异表达基因的上游调控基因。
本研究基于基因组学、遗传学、分子生物学等方法,探索榕树的性别决定机制,以对叶榕(F.hispida)为主要研究材料,收集对叶榕雌雄果实的三个主要发育时期样品,分析其性染色体的遗传结构、性别区域、演化方式以及表达模式。主要研究结果如下:
1.性别决定基因的鉴定:通过采集来自同一母本的种子并培育幼苗,对其中30株雄性F1代植株和30株雌性F1代植株及其母本进行全基因组重测序,将重测序数据与对叶榕参考基因组进行比对,检测每条染色体的单核苷酸多态性(SNP),分别构建父本和母本遗传图谱。在10号染色体的前2Mb区域检测到一个非重组区域,作为性别决定候选区域,在这个区域中仅包含一个MADS box转录因子Fh.10G0000020,对该基因进行转录组分析,其结果显示该基因在对叶榕的雄花发育时期高表达,在雌花、叶片、根中均不表达,表明了该基因可能是对叶榕的性别决定基因。功能分析显示,该基因为AGAMOUS(AG)基因家族的一个成员。
2.对叶榕性别决定基因的演化研究:系统发育树分析表明,雌雄同株的小叶榕含有1个AGAMOUS基因拷贝(FmAG),而雌雄异株的对叶榕存在3个拷贝(FhAG1、FhAG2和FhAG3),其中FhAG2和FhAG3分别为雄性特异性拷贝数。进一步分析表明,FhAG1与FmAG是直系同源,且两者所在的基因组区间存在大片段的共线性。而FhAG2、FhAG3与FhAG1互为旁系同源,前两个基因是FhAG1的复制和拷贝。这一结果表明,FhAG1是对叶榕AG基因的祖先拷贝,维持了祖先基因中控制雄蕊和心皮发育的功能,而FhAG2和FhAG3起源于FhAG1基因的复制,并发生新功能化,成为对叶榕控制性别决定的候选基因。
3.对叶榕性别调控基因网络的构建:基于雌雄异株对叶榕果实转录组数据,在果实主要的三个发育时期一共鉴定了1,818个性别差异表达基因。差异基因的功能富集分析的结果表明,9个基因调控对叶榕花原基发育网络。利用转录起始位点(TSS)的上游2Kb序列作为潜在的顺式元件结合位点,计算基因之间的皮尔森相关系数(PCCs),预测了14个可能参与FhAG2基因调控网络的基因。FhAG2、Fh.04G0001990、FhAG3在网络中为其他差异表达基因的上游调控基因。