【摘 要】
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雌配子体是胚珠的核心结构,雌配子体游离核分裂期是胚珠发育过程中的关键时期。核分裂的失败将阻碍雌配子体的成熟和卵细胞的产生,可导致植株的雌性不育现象。所以,对该时期胚珠发育的分子调控机制进行研究,具有重要的理论和实践意义。目前,调控胚珠发育的分子机制已见报道,但主要围绕被子植物展开,对裸子植物的相关研究较少。而裸子植物的胚珠发育与被子植物不同,特别是木本植物,其差异更加明显。本论文以辽宁兴城油松种子
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雌配子体是胚珠的核心结构,雌配子体游离核分裂期是胚珠发育过程中的关键时期。核分裂的失败将阻碍雌配子体的成熟和卵细胞的产生,可导致植株的雌性不育现象。所以,对该时期胚珠发育的分子调控机制进行研究,具有重要的理论和实践意义。目前,调控胚珠发育的分子机制已见报道,但主要围绕被子植物展开,对裸子植物的相关研究较少。而裸子植物的胚珠发育与被子植物不同,特别是木本植物,其差异更加明显。本论文以辽宁兴城油松种子园中28号雌性不育系和可育系油松胚珠为材料,在前人研究的基础上采用抑制性消减杂交(supression subtractive hybridization,SSH)文库建立技术,和转录组高通量测序(RNA-seq)技术,辅以生物信息学等研究手段,对油松可育系(fertile line,FL)和不育系(sterile line,SL)在雌配子体游离核有丝分裂不同时期的胚珠差异表达基因进行研究,筛选功能性候选基因,以揭示雌配子体游离核有丝分裂的分子调控机制。主要研究结果如下:1.通过建立油松可育系与不育系胚珠正向与反向cDNA消减文库,分析了游离核有丝分裂时期雌性可育系与不育系的差异表达基因。从两个文库中共计选出756个克隆,得到了平均长度为286bp的EST序列。共计430条(56.9%)EST序列与公共数据库中序列具有高度相似性,336(47.9%)个蛋白得到了 GO功能注释条目。通过生物信息学分析发现在不育系中,编码类CKX、类MYB家族蛋白的基因上调表达,编码类BEL1、类CDK和类驱动蛋白-1的基因下调表达,潜在的功能性候选基因共计27个。2.通过采用荧光定量PCR技术,检测了 11个基因的在油松胚珠游离核旺盛分裂期的表达水平变化。这些基因的功能涉及发育过程,信号转导,转录调控,代谢及细胞组件,从而验证了抑制性消减杂交文库的研究结果。这些结果表明,游离核分裂中断可能与MYB家族基因,驱动蛋白-1以及泛素途径相关基因有关,这些候选功能基因的异常表达可能会导致植物激素通路紊乱,及下游蛋白的表达异常,从而引起表型异常。3.借助Illumina测序平台对雌配子体游离核分裂分裂前期、中期、后期的可育系及不育系油松胚珠进行转录组高通量测序,获取了油松胚珠在游离核分裂三个时期的转录组数据以及基因表达谱。建立了 6个样品的cDNA文库,产生了共计71.0M的高质量reads,并从头组装了油松胚珠转录组序列,产生了 63,449个unigene,平均长度为740 bp。超过48.5%的unigene与GenBank的非冗余蛋白数据库中的序列有高度相似性。将unigene与SwissProt、GO、KEGG公共数据库中的数据进行比对,获得注释信息的unigene数量为31,321(49.7%)。此外,基于转录组数据,探索了两种株系在三个时期的基因差异表达情况,发现了共计7,174个基因在三个时期差异性表达。4.通过采用荧光实时定量PCR分析,揭示了 14个激素信号转导通路中差异表达基因在不同样品三个发育时期的表达模式,验证了转录组高通量测序的研究结果。此外,而对差异基因进行了功能注释分析后,推测参与细胞周期、激素调控、泛素化等途径的差异表达基因共同组成了一个复杂的调控网络,可能在游离核分裂过程中发挥重要作用。综上所述,通过采用构建油松胚珠cDNA抑制性消减文库和转录组高通量测序技术,辅以深度生物信息学分析,经功能分析共筛选出94个候选基因,与胚珠发育相关的共计28个,其中与游离核分裂相关的共计18个。候选基因参与的生物学过程包括:细胞周期调控,生长素、细胞分裂素等激素相关通路,泛素化进程,发育过程等。这些结果初步揭示了一个潜在的油松胚珠游离核分裂调控网络。本研究结果拓展了木本植物胚珠发育的研究,并为油松胚珠败育的原因提出了假设。也能为木本裸子植物胚珠发育功能分析提供有用的候选基因。油松胚珠转录组数据是未来研究基因组学的宝贵资源,同时会对其他亲缘物种的研究有所帮助。
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