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花粉管发育是开花植物有性生殖过程中非常重要的步骤。离体生长的花粉管,从花粉萌发到花粉管停止生长在24 h内完成,花粉管发育的后期是一种植物器官的衰老过程,花粉管会停止生长并逐渐死亡。花粉管可以用于研究植物的生长、衰老和死亡机制。本研究利用我国栽培面积最大的梨品种,也是完成梨全基因组测序的品种’场山酥梨’为试材,检测了梨花粉管发育过程中信号分子和细胞器的变化情况,结合表达谱技术等,从转录组水平上解析了梨花粉管发育过程中差异表达的基因。同时,基于梨基因组数据和表达谱数据,探讨了液泡Ca2+通道和阳离子/质子逆转运蛋白家族基因信息,在整体上分析了液泡离子转运体在花粉管发育过程中的作用特性,主要结论如下:1.分析了花粉管发育后期(衰老过程)中胞内信号分子和细胞器的变化特性,发现在花粉管衰老过程中花粉管胞内钙离子浓度和ROS水平显著上升,胞内囊泡转运受到破坏。花粉管生长过程中液泡体积增大,数目减少。此外,部分衰老的花粉管液泡pH升高、液泡膜破坏、核DNA发生降解,最终导致衰老花粉管的细胞程序性死亡(Programmed cell death;PCD)的发生。2.利用RNA-seq技术对花粉管发育过程中四个阶段样本进行表达谱测序,并对测序结果进行分析。4个阶段样本分别是成熟的花粉(Mature pollen grains;MP)、水合的花粉(Hydration pollen grains;HP)、正常生长的花粉管(Growing pollen tubes;PT)和生长停止的花粉管(Stopped-growth pollen tubes;SPT)。将测序所得的4个文库中的数据比对到梨基因组后共获得21,394个基因,GO功能分类为38个功能子类。MP-vs-HP,HP-vs-PT 和 PT-vs-SPT 间差异表达基因(Differentially expressed genes;DEGs)的数目分别为305、502和2,208个。采用qRT-PCR方法对表达谱测序结果进行验证,证明了数据的可靠性。同时还筛选出了多个和花粉管发育相关的基因,这些基因的发现有助于阐明梨花粉管发育后期胞内信号分子变化的分子机制。本研究为将来梨花粉管发育的研究提供了重要的数据参考,有助于阐明花粉管发育后期生长停止和死亡的发生机制。3.从五种蔷薇科物种中筛选获得220个一价阳离子/质子逆转运蛋白(Cation/proton antiporter;CPA),其中梨(Pyrus bretschneideri)、苹果(Malus domestica)、中国梅(Prunus mume)、草莓(Fragaria vesca)和桃(Prunus persica)中CPA基因的数目分别为53、61、34、35和37个。在总结梨CPA基因的基本性质基础上,分析了其系统发育、基因结构、线性关系和基因表达等。基于转录组数据发现梨果实和花粉中表达的CPA基因数目分别为35和37个。进一步研究了梨CHX16基因的功能,证实了梨CHY16在花粉管生长和胞内pH稳态中的重要作用。4.双孔通道1(Two pore channel 1;TPC1)是液泡膜上重要的钙离子通道,根据梨基因组信息,筛选获得了梨TPC1基因,证实梨TPC1蛋白定位于液泡膜。通过反义寡核苷酸技术降低了梨TPC1基因在花粉管中的表达。当TPC1基因表达被抑制后,花粉对钠离子更加敏感,说明TPC1基因可能参与盐胁迫响应。