罗布麻纤维发育规律及相关基因挖掘

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针对纺织行业对棉、麻等天然纤维的需求不断加大,而罗布麻被称为“野生纤维之王”,它在纺织业方面发展前景十分广阔。本研究以罗布麻作为实验材料,通过生理生化指标测定与转录组学结合的方法,对罗布麻纤维发育四个主要时期(萌芽阶段、幼苗阶段、开花阶段、果实成熟阶段)的纤维细胞形态变化、麻皮化学组分含量、植株农艺性状指标、纤维发育相关酶活性和糖分变化以及纤维品质指标进行测定分析,并以四个时期茎中部材料作为样本进行转录组测序,对不同时期茎中部进行转录组比较分析研究,探索罗布麻纤维发育过程的分子调控机制,旨在阐明罗布麻纤维发育规律及其分子调控机理。试验结果如下:(1)生理生化水平上研究结果体现在五个方面:①在形态建成方面,发现罗布麻纤维细胞发育自返青出土时即开始分化形成,幼苗阶段前后茎中部纤维细胞分别属于起始与伸长、次生壁加厚过程。同一时期不同部位沿生长方向纤维细胞发育越处于早期。②在茎皮化学组分方面,发现茎皮同一部位随植株生长发育,纤维素和木质素含量逐渐增加,分别可以达到10.45%和44.15%(茎中部),果胶与半纤维素含量逐渐降低,最终为10.69%和15.86%(茎中部)。同一时期不同部位茎皮各化学组分含量沿生长方向与发育进程推进呈相反趋势。该结果表明,罗布麻纤维收获应在果实成熟时期甚至更晚,并且收获的纤维中包含大量非纤维素物质,不利于纤维利用。③在农艺性状方面,发现株高、茎粗、皮厚、鲜茎重、生物量、鲜皮重、鲜茎出麻率等性状与原麻产量均呈显著正相关,同时各性状间也存在相互影响。该结果表明,可以通过株高、茎粗、皮厚等农艺性状评估罗布麻原麻产量。④在生理生化方面,发现蔗糖合酶(分解方向)、蔗糖磷酸合成酶、β-1,3-葡聚糖酶活性变化趋势相似,整体呈波动式下降。蔗糖含量与蔗糖合酶(分解方向)活性变化趋势相反,果糖和葡萄糖含量逐渐降低,表明在发育前期纤维素积累迅速,后期减缓。⑤在纤维品质鉴定方面,罗布麻纤维直径为14.1μm,低于亚麻、苎麻和棉纤维,可纺性强。断裂强力为1531.4N/mm2,高于亚麻、苎麻和棉纤维,而断裂伸长率相反,说明罗布麻纤维高强低伸特性显著。纤维超分子结构测定结晶度为65.92%,与亚麻相当,但低于苎麻纤维,取向度为98.41%,却高于两者。(2)在基因水平上,以比较转录组方法进行研究。①通过RNA-seq测序共获得543163384个Clean reads,占比原始序列98.05%,每个样本测序错误率均为0.03,测序质量较好。与基因组数据进行比对,比对率均达到95.20%以上,比对结果良好。②以p-value≤0.05和|log2FoldChange|≥1双标准为筛选条件,共筛选出7723个差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)。对发育阶段前后转录组比较,发现DEGs数量先降低后上升,而以时期I为对照,随着发育过程的推进,DEGs数量逐渐上升。③GO富集分析显示罗布麻纤维发育早期生长素响应和激素响应的生物过程条目显著富集,后期次生壁增厚阶段细胞壁等细胞组成成分条目和细胞壁组织或生物发生、细胞壁组织、葡聚糖代谢等生物过程条目显著富集。④KEGG富集分析显示苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导途径等通路在多数比较组中显著富集,并分别筛选出52、73、57个编码关键酶的DEGs。(3)罗布麻纤维合成候选基因的筛选。在罗布麻中查找拟南芥中参与植物纤维形成的直系同源基因,共在罗布麻中筛选出338个可能参与纤维合成的候选基因,这些候选基因参与多个生物学过程,分别为纤维起始和伸长23个候选基因、谷甾醇生物合成22个候选基因、UDP-葡萄糖生物合成13个候选基因、纤维素生物合成46个候选基因、木聚糖生物合成5个候选基因、木质素生物合成58个候选基因、UDP-糖相互转化30个候选基因、生长素生物合成63个候选基因、赤霉素生物合成17个候选基因、细胞分裂素生物合成23个候选基因、次生细胞壁形成的转录调控因子13个、自噬调节25个候选基因。并以这些候选基因为基础,结合形态建成过程建立了罗布麻韧皮纤维发育模型。通过qRT-PCR方法验证了 RNA-seq测序的可靠性。
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