植物激素赤霉素抑制木本油料能源植物小桐子的成花转变

        小桐子(Jatropha curcas)是大戟科多年生木本油料植物,其种子含油率高达40%,是加工生产生物燃油的优质原料。然而,小桐子营养生长过于旺盛,且开花习性不稳定,导致种子产量低。赤霉素(gibberellins, GAs)是一类在植物整个生命周期的各个生长发育阶段都具有重要调控作用的植物激素,如种子的萌发与休眠、茎的伸长、分枝的发生、单性花性别决定以及果实和种子的发育与成熟等。大量研究表明,赤霉素可促进包括拟南芥在内的大多数一年生植物的成花转变;然而,不少多年生木本植物的成花转变往往被赤霉素所抑制。 

        为研究赤霉素在木本油料能源植物小桐子成花转变过程中的作用,中科院西双版纳热带植物园的中科院热带植物资源可持续利用重点实验室能源植物分子育种研究组的硕士生李家龙和副研究员潘帮珍在徐增富研究员的指导下,通过使用赤霉素及其生物合成抑制剂进行单独或组合处理修剪和未修剪的小桐子,观察统计这些处理对花芽发生的影响。研究结果表明,赤霉素抑制小桐子花芽的发生;赤霉素合成抑制剂促进小桐子花芽发生,并可削弱赤霉素的抑制作用。此外,为了解自然条件下赤霉素在小桐子成花转变过程中的作用,我们还分析了小桐子花芽发生前后,赤霉素合成及降解酶基因以及赤霉素受体基因的表达水平变化情况。研究发现,相对于花芽发生前,花芽发生后赤霉素合成酶基因表达量相对降低,而降解酶基因表达量相对升高,进一步说明了成花转变后赤霉素信号相对较弱。由此可知,与促进模式植物拟南芥成花转变的作用相反,赤霉素抑制小桐子的成花转变,这与之前在杨树和苹果等木本植物中的研究发现相似。 

        在后续研究中,我们将测定自然条件下,小桐子成花前后内源赤霉素含量的变化,检测赤霉素信号转导途径中各基因的表达变化;此外,我们还将通过关键基因的超量表达或沉默调控内源赤霉素含量的变化,进而从分子水平上解析赤霉素调控小桐子成花转变的机理。 

      上述相关研究结果以Gibberellin Inhibits Floral Initiation in the Perennial Woody Plant Jatropha curcas为题,已在线发表于国际专业学术期刊Journal of Plant Growth Regulation上。该研究得到了云南省自然科学基金(2016FB033)、国家自然科学基金(31500500 和 31370595)和中科院科研项目(ZSZC-014, 2017XTBG-T02)的资助。

      A: 对照; B: 赤霉素处理的小桐子植株。红色圆圈内是小桐子果序。

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转录组分析揭示与细胞分裂素调控星油藤花性别分化相关的基因表达变化

        花性别分化是植物生殖器官分化发育的重要方面,也是影响植物果实和种子产量的主要因素之一,这一重要的生物学过程是受遗传因子和外源环境因素共同调控的。许多研究表明,植物激素对花性别分化起着重要的调控作用。我们前期研究发现,采用外源细胞分裂素 (6-BA) 处理,可诱导星油藤 (Plukenetia volubilis) 花序上的雄花转变为雌花(Fu et al., 2014, Ind. Crop. Prod., 59:295–298)。然而,细胞分裂素调控星油藤花性别分化的分子基础仍不清楚。   

版纳植物园热带植物资源可持续利用重点实验室能源植物分子育种研究组通过对6-BA诱导产生的星油藤早期发育雌花序芽和雄花序芽进行了比较转录组分析研究。花序转录组数据的从头组装获得了57,664个基因序列 (unigenes),其中45,235个基因序列在数据库中被成功注释。差异表达分析筛选获得了1385个在雌雄花序芽中显著差异表达的基因,从中鉴定了6个与细胞分裂素和生长素信号通路相关的基因,16个重要转录调控因子基因;并发现PvoCRCPvoRL1PvoRL2PvoHEC2PvoWOX9PvoSUP和花器官发育调控C类基因PvoAG在6-BA诱导产生的雌花序芽中显著上调表达,而参与雄蕊发育的B类基因如PvoAP3PvoPIPvoTM6则显著下调表达。该研究结果表明星油藤花性别分化是一个多基因参与的复杂调控过程,本研究鉴定获得的差异表达的基因功能有待进一步验证,从而进一步揭示细胞分裂素调控星油藤雌雄花性别分化的分子机理,为星油藤的遗传改良提供候选功能基因。 

        上述相关研究成果近期以 De novo transcriptome assembly and comparative analysis between male and benzyladenine-induced female inflorescence buds of Plukenetia volubilis为题,发表于国际植物学专业期刊Journal of Plant Physiology。付乾堂副研究员为该论文第一作者,徐增富研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金 (31300568)和云南省应用基础研究项目 (2014FB186和2016FB051)等项目的资助,研究过程中得到中心实验室的大力支持,在此表示感谢! 

                 细胞分裂素诱导的星油藤雌花序芽(FIB)与雄花序芽(MIB)的差异表达基因分布(A)及上调和下调表达的差异基因数量(B)

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