牡丹体胚发生及相关基因PoWUS和PoAGL15的克隆与分析

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaodehuwei12
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本研究以牡丹‘凤丹’(Paeonia ostii)成熟种胚为外植体,经体细胞胚诱导、增殖、成熟培养后,实现牡丹体细胞胚的直接发生并以外观特征划分出6个时期共10个阶段的组织材料:种胚期(0 d、5 d、10 d、15 d、20 d);子叶生长期;体胚形成期;次生胚萌发期;次生胚生长期、成熟期。分别从组织细胞学、生理生化指标、分子生物学层面对这些组织材料展开研究,具体包括:对体细胞胚发生过程中各阶段进行石蜡切片观察,探究胚性细胞发生方式;研究3种内源激素IAA、ABA、GA3的含量及IAA/GA3、ABA/(IAA+GA3)比值在体胚发生过程中的变化规律;对体胚发生过程中各阶段进行三代全长转录组测序,从中克隆获得牡丹胚性相关基因Po WUS和Po AGL15,并对其进行生物信息学鉴定和表达分析。本研究旨在揭示牡丹体细胞胚胎直接发生过程中各个阶段的细胞形态结构和内源激素变化,为牡丹组织培养确立培养环节重要节点和优化培养基激素配比提供理论基础,准确挖掘并克隆牡丹体胚发生相关的基因,为后续分析其表达转录表达途径和调控作用方式和为建立高效稳定的植物离体再生体系打下前期研究基础。主要研究结果如下:(1)观察牡丹体胚发生过程中各时期切片发现牡丹成熟种胚诱导出的体细胞胚直接发生于种胚子叶表皮边缘和靠近胚轴处分裂旺盛的胚胎预决定细胞(PEDC)中,是一种多细胞内起源模式。(2)探究三种内源激素IAA、ABA、GA3的含量及比值在体胚直接发生过程中形态变化较大的8个阶段中的变化规律。其中IAA含量在刚接种0 d时最高,为0.947 ng·g-1,在暗培养第10 d时明显下降,在第20 d时有所上升,随着体胚发生IAA含量逐渐下降并在次生胚生长时达到最低值。ABA含量在各时期相较于其它两种激素都保持在一个较高的浓度水平,且在接种10 d和体胚成熟期、抽出真叶时,其含量最大分别为11.353ng·g-1和11.300 ng·g-1,呈现出“双峰”。GA3含量在体胚形成早期逐渐下降,在体胚成熟期其含量重新升高。IAA/GA3的值在8个阶段中总体呈现出先上升再下降的变化趋势,子叶体积变大,颜色变绿时达到最大值27.778,随后比值开始下降,在次生胚生长和成熟期IAA/GA3的值分别为1.053和1.066。ABA/(IAA+GA3)的值进入光照培养后逐步上升,在次生胚形成到进一步生长时ABA/(IAA+GA3)迅速上升并达到最大值175.900,后随次生胚生长至成熟过程中其值又迅速下降至89.920,仍是一个较高值。(3)以体胚直接发生各阶段的培养物提取总RNA,成功克隆出2条WUS基因CDS序列将其分别命名为Po WUS9-13和Po WUS9-14,长度均为861 bp,共编码286个氨基酸。同源分析Po WUS与其他15种植物的WUS氨基酸序列,平均相似性为64.85%。其中与葡萄(Vitis vinifera)相似性最高,达66%。系统进化关系表明牡丹Po WUS蛋白与茶(Camellia sinensis)的亲缘关系最近。同时分别预测了2种Po WUS蛋白的理化性质、二级结构和三级结构。通过q RT-PCR分析2种Po WUS基因的表达模式,发现其各不相同,但均在第10 d和成熟期有较高程度的表达,推测其可能都对牡丹胚性细胞形成以及体胚成熟时茎、叶等器官形成中起到重要的调控作用。(4)从牡丹‘凤丹’中分离出AGL15基因的2条同源序列分别命名为Po AGL15-1和Po AGL15-2,两个基因CDS序列长度相同都为768 bp分别编码255个氨基酸,具有MADS-box基因MADS域和K域这两类保守结构域。同源分析了牡丹两个Po AGL15与其他15种植物的AGL15氨基酸序列,平均相似性高达84.65%。其中与麻风树(Jatropha carcas)的AGL15蛋白序列相似性最高,达88%。用系统进化树分析可知,牡丹中两种Po AGL15可能与葡萄的亲缘关系相近。分别预测了两种Po AGL15蛋白的理化性质、二级结构和三级结构。Po AGL15-1和Po AGL15-2这两个基因表达模式较为相似,均在第5 d、10 d和体胚成熟期这3个阶段有较高水平的表达,可推测牡丹中AGL15基因会在早期胚中进行积累和表达,并且在牡丹体胚成熟后期也具有重要的调控作用。
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