甘蓝型油菜硬秆性状形成机理初探

摘要

倒伏是导致油菜减产和影响其机械化收割的主要因素之一。深入研究油菜硬秆性状及其抗倒伏机制是稳定和提高油菜产量以及大规模机械化收割作业应用的关键。本研究利用的硬秆油菜YG689是荠菜与中油821（ZY821）的杂交品系。以YG689及其对照ZY821不同发育时期茎秆为研究对象，结合茎秆解剖结构、木质纤维素组分和含量分析、比较转录组学、比较代谢组学和木质纤维素组分全基因组QTL定位分析，揭示YG689抗倒伏硬秆性状相关解剖学和“组学”基础，初步阐明YG689硬秆性状形成机制。主要研究结果如下：
　　（1）YG689茎秆强度高于ZY821，抗茎倒能力高于ZY821。解剖学结果显示：YG689维管束虽少但分布面积大、束间纤维相对发达，木质素分布范围大于ZY821，说明YG689茎木质素含量高于ZY821。苗期、抽薹现蕾期、初花期、终花期和成熟期茎秆木质纤维素组分和含量比较分析表明：YG689木质素、纤维素和半纤维素含量高于ZY821；并且木质素单体含量均高于ZY821。这些预示茎秆木质纤维素特性与YG689的硬秆性状以及抗倒伏能力相关。
　　（2）利用RNA-seq技术对YG689和ZY821初花期茎进行转录组比较分析，发现8,644个差异表达基因（DEGs）。GO富集和Pathway富集分析表明，DEGs主要与调控植物类型过敏反应的生物学功能显著相关，主要参与核糖体、精氨酸和脯氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸等生化代谢途径。624个DEGs不能比对到油菜参考基因组，其中108个可比对到荠菜基因组，同源率≥80％的基因有6个。GO和KEGG功能注释同源率≥40%且可比对到荠菜基因组的DEGs，发现其主要与响应胁迫的生物学过程相关，说明荠菜中与防御相关基因通过远缘杂交重组到YG689基因组。这些结果证明荠菜基因的介入导致油菜ZY821产生新基因，从而形成了YG689的硬秆性状。30个DEGs与木质纤维素合成紧密相关，分析其中12个DEGs在YG689以及ZY821和TN070（软秆油菜对照）抽薹现蕾期、初花期和终花期茎的表达特征，发现YG689初花期茎中高表达的基因个数最多（9个），其中BnaA09g42650的高表达持续到终花期，达到表达最高值。
　　（3）利用GC-TOF/MS和UPLC-QTOF-MS对抽薹现蕾期、初花期和终花期YG689和ZY821茎进行代谢组学分析，分别鉴定了40、54和31个差异代谢物，这些代谢物主要参与糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径、半乳糖代谢、以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等9个代谢途径。蜜三糖、顺乌头酸和甲基延胡索酸含量在三个发育时期都有差异，推测它们的累积可能与YG689硬秆性状相关。
　　（4）利用SNP高密度遗传图谱对KN DH群体木质纤维素含量进行QTL定位分析，共定位到60个identified QTLs。对同一性状不同环境重复检测的identified QTL进行元分析整合，得到52个consensus QTLs。基于遗传连锁图谱和物理图谱共线性分析以及亲本重测序结果，52个QTL区间共得到5,522个木质纤维素候选基因。Mapman分类软件鉴定到130个与拟南芥同源的参与木质纤维素合成和调控的候选基因，并以这些基因构建了一个控制茎秆纤维合成的潜在调控途径。通过整合YG689和ZY821茎秆DEGs、差异代谢物以及KN群体木质纤维素QTL定位的候选基因，构建了包括14种代谢产物和8个关键酶的木质纤维素代谢途径，初步推测了这些物质和关键酶对YG689茎秆木质纤维素合成的影响。
　　综上，认为硬秆形成的形态解剖特征为茎秆强度高，茎维管束和束间纤维分布木质素多，木质素、纤维素和半纤维素含量高；多组学分析揭示基因NewGene_216（TPS7）、NewGene_6060（MAT3）、NewGene_3483（BGLU40）、BnaA02g18920D（TPS1）、BnaA09g42650（PRX17）、BnaC05g48040D（MS2）和BnaC05g48570D（GAUT13）可能是与硬秆性状相关的候选基因；差异代谢物甲基延胡索酸、顺乌头酸和蜜三糖的累积可能会影响油菜茎秆硬度。

目录

声明

1 绪论

1.1 作物抗倒伏研究进展

1.2 木质素合成途径与基因调控

1.3 甘蓝型油菜组学研究进展

1.4 硬秆油菜YG689研究进展

1.5 本研究内容、目的和意义

2 YG689和ZY821茎秆解剖结构和木质纤维素含量分析

2.1 材料

2.2 实验方法

2.3 结果与分析

2.4 讨论

3 甘蓝型油菜YG689和ZY821初花期茎转录组分析

3.1 材料

3.2 实验方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

4 甘蓝型油菜YG689和ZY821茎秆代谢组分析

4.1 材料

4.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.4 讨论

5 甘蓝型油菜KN群体茎秆木质纤维素QTL定位研究

5.1 材料

5.2 实验方法

5.3 结果与分析

5.4 讨论

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 主要创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ攻读博士学位期间发表及拟发表论文

附录 Ⅱ 论文中的附表