竹叶兰开花特性及FT基因克隆与表达分析

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竹叶兰(Arundina graminifolia(D.Don)Hochr.)属于兰科(Orchidaceae)竹叶兰属(Arundina)地生兰,是傣族“雅解片”的主要药材成分,具有清热解毒、祛湿止痛等疗效。竹叶兰不仅药用价值高,其花酷似卡特兰,花型大而美丽,花香淡雅,可常年开花,极具观赏性。在马来西亚、新加坡等地被大力开发成为一种新花卉作物广泛用于园林绿化和盆栽。然而,在我国竹叶兰被用作传统解毒药,尚未引入观赏领域,多集中于药理活性等方面的研究,且被人们过渡开采,野生资源逐渐减少,目前已被列为国家二级保护植物。掌握植物开花特性是发挥其观赏价值和经济效益的关键,因此,本研究通过形态解剖学观察,检测光合特性、主要营养物质代谢、抗氧化酶活性和内源激素含量的动态变化,阐述了竹叶兰花器官发育特征及其生理特性,为新花卉作物开发利用和开花调控、栽培管理技术的提高提供理论依据;此外,基于转录组测序分析,获得2个开花关键基因AgFT1和AgFT2,对其序列特征和时空表达模式进行分析,为进一步研究竹叶兰开花分子机制和作为兰科植物分子生物学研究模型奠定前期研究基础。主要结果如下:(1)广州地区自然条件下户外栽培,竹叶兰营养期生长迅速,进入生殖生长期后长势趋缓;全年可开花,为总状花序,单朵次第开花,整枝花期可达188.18d,9月~翌年1月开花最旺盛,2-4月开花较少,是良好的园林观赏兰科花卉;根据竹叶兰花发育特征,将花器官形态建成过程分为5个时期:花芽分化期、萼片伸长期、合蕊柱发育期、花瓣着色期和花朵绽放期,单花发育周期为32 d。(2)通过对竹叶兰叶片光合特性、主要营养物质代谢、抗氧化酶活性和内源激素含量的测定,结果发现,自然光照下,竹叶兰叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾作用显著高于参照品种(墨兰‘企黑’和蝴蝶兰‘大辣椒’),而胞间CO2浓度较低,说明相较于兰科阴生植物,竹叶兰生长发育过程中对光照敏感性和需求量更高;转入生殖发育期后,叶片可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均显著上升,可溶性糖含量最高,其次为可溶性蛋白;同时,SOD,POD和CAT活性均表现平稳上升趋势,为竹叶兰生殖转变提供充足的养分和营造稳定的内部环境。竹叶兰花芽分化期,IAA、GA3和SA含量快速降低,与之相反,ABA和JA含量显著升高;该时期SA/IAA、ABA/IAA、JA/IAA、ABA/GA3、JA/GA3、SA/GA3、ABA/SA及JA/SA比值均明显上升,表明低水平IAA、GA3、SA和高水平ABA、JA有利于竹叶兰花芽分化,并通过激素间平衡调控开花。竹叶兰花芽分化期,IAA、GA3和SA含量快速降低,与之相反,ABA和JA含量显著升高;该时期SA/IAA、ABA/IAA、JA/IAA、ABA/GA3、JA/GA3、SA/GA3、ABA/SA及JA/SA比值均明显上升,表明低水平IAA、GA3、SA和高水平ABA、JA有利于竹叶兰花芽分化,并通过激素间平衡调控开花。(3)通过转录组测序及分析,获得2个竹叶兰FT同源基因CDS序列——AgFT1和AgFT2,聚类于PEBP家族FT-like亚家族;序列分析和比对结果表明,2个基因ORF全长均为525 bp,各编码174个氨基酸,且都含有PEBP-euk特殊结构域和PEBP保守结构域,两者相似性为69.77%,因此AgFT1和AgFT2两个不同的FT同源基因;AgFT1与铁皮石斛和小兰屿蝴蝶兰FT蛋白序列同源性较高,AgFT2与铁皮石斛和小兰屿蝴蝶兰Hd3a蛋白序列表现较高的相似性;系统发育树分析得,竹叶兰与兰科植物FT同源基因同属单子叶植物,符合分类学特性。(4)采用荧光定量PCR分析AgFT1和AgFT2表达模式,发现竹叶兰根、茎、茎尖生长锥、叶片、花朵及果实均检测到AgFT1和AgFT2基因,其中在叶片和花朵中高度积累,茎次之,但AgFT2在叶片中的表达量显著高于AgFT1,表明竹叶兰AgFT1和AgFT2在不同组织中呈特异性表达,这与FT的作用部位有关;生殖生长阶段,AgFT1和AgFT2均集中表达于花芽分化期和花朵绽放期,然而,花朵绽放期AgFT1表达水平明显高于AgFT2,推测AgFT1和AgFT2可能参与花芽分化和发育过程,且AgFT1对开花的影响程度大于AgFT2。本研究进一步成功构建AgFT1过表达载体,并正在开展转化拟南芥工作,为下一步转基因植株分析和验证AgFT1功能提供技术参考。本研究首次为竹叶兰景观应用的开发及开花调控技术的实际操作做了前期数据研究及分析工作,是进一步深入探讨和开展竹叶兰开花方面研究及发展成为兰科植物分子生物学研究模型的重要研究基础。
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