甘蓝型油菜多主茎突变体dt茎尖分生组织转录组和蛋白质组学研究

摘要

油菜（Brassica napus L.）是世界重要的油料作物，除了具有较高的营养价值和食用价值，油菜还被用来作为生产生物柴油的原料。我国是世界上主要油菜生产国，同时也是菜籽油消费大国。然而，我国的油菜种植方式以传统方式种植为主。随着劳动力成本的提高，这种耗时耗力的种植方式严重制约我国农民油菜种植的积极性。油菜育种家一直对油菜株型进行改良，使之适合机械全程化，有利于减少劳动力成本。此外，油菜株型的改良也有利于提高油菜产量。 植物株型由地上器官组成，这些器官都是茎尖分生组织（shoot apical meristem， SAM）发育而来。因此，研究SAM发育的分子调控机制对农作物株型改良和农作物的机械化种植具有非常重要的意义。在过去的几十年间，SAM分子调控机制的研究在拟南芥和水稻取得了丰硕的成果，然而在甘蓝型油菜中的研究尚浅。本实验室获得了一个甘蓝型油菜突变体dt，表型分析表明该突变体能形成多个主茎。该突变体的这种特性是研究SAM分子调控机制的一个良好突变体。因此，我们以dt突变体和野生型NY12为研究材料，采用转录组和蛋白组相结合的方法，从转录和蛋白水平解析dt突变体SAM发育的分子调控机制。本研究的主要结果如下： （1）对dt突变体和野生型的表型对比：在苗期，突变体植株表现出叶片增多、侧根增多等表型；抽薹后，dt表现出主茎增多、部分花器官分化异常、植株矮化等表型。这些表型说明dt突变体的SAM发生异常； （2）对dt突变体和野生型的发芽后幼苗叶片数量进一步分析，表明突变体幼苗在15天时叶片数量就显著超过野生型，且随着幼苗不断发育，二者之间差异越来越大。dt突变体的SAM能产生较多的叶片，说明其具有较强的活性； （3）通过对dt突变体和野生型的SAM组织切片分析，发现突变体SAM部分凸起，而且在茎尖部位形成多个分生组织，表明突变体SAM的发育异常； （4）利用RNA测序方法对dt突变体和野生型的SAM进行转录组学分析，共筛选到1019个差异显著基因，426个基因在突变体中上调表达，593个基因下调表达。GO和KEGG分析表明这些基因主要参与代谢、应激响应、次级代谢产物合成等生物学途径。对差异基因进一步分析，我们发现参与SAM发育、细胞分裂素（cytokinin，CK）合成和信号转导相关基因在突变体中发生了显著变化，特别是LOG5和ARR20，表达量分别上调了84倍和102倍。可能是由这些基因的异常表达，从而导致dt突变体SAM发育异常； （5）对dt突变体和野生型的SAM中细胞分裂素含量进行检测，与野生型对比发现突变体CKs主要成分tZ和IP分别上升了101%和35%。表明CKs在突变体的SAM中积累，影响SAM的正常发育； （6）利用二维电泳技术对dt突变体和野生型的SAM进行蛋白质组学分析，共分离到1200多个蛋白点，其中有50个差异显著蛋白，25个上调蛋白、12个下调蛋白，还有13个突变体特异表达蛋白。通过质谱鉴定，成功鉴定出41个蛋白。这些差异蛋白主要参与能量代谢、细胞骨架组装和活性氧代谢等生物学途径。推测这些蛋白在突变体SAM发育过程中发挥重要作用，特别是FSD1、SOD2，可能参与干细胞活性的维持。 上述研究结果揭示了油菜SAM发育的可能分子调控机制，为研究油菜生长发育提供理论依据，同时对油菜株型改良、有利于机械化收割和产量的提高都具有现实指导意义。

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