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钙对榛子果实发育影响及钙相关基因调控网络研究

【摘要】:榛子(Corycus spp.)的败育现象是影响我国榛子收获产量的重要原因之一,但引起榛子败育的成因机理并不明确。在其他植物中已经报道钙对植物的生长发育有着重要的影响。为探寻钙元素在榛子果实发育过程中的生理及分子作用机制,本试验以当地主栽品种达维为试材,通过正常发育与败育果实中转录组与蛋白组的差异比较,分析导致果实败育的分子机制并挖掘调控果实发育的钙相关基因。同时利用加权共表达分析方法构建了不同发育时期的钙调控网络,阐述了钙在各个时期主要参与的生理活动。此外,利用不同钙处理条件下的基因表达谱进一步验证了钙处理果实对钙调控网络的影响,并且明确不同浓度CaCl2溶液的喷施对果实生长发育及成果率的影响,验证了生物信息学的部分结论。为钙元素对果实发育的机理研究提供理论依据,同时为榛子的高产育种及栽培提供理论基础。主要研究结果如下:(1)通过转录组和蛋白组分析获得了引起果实败育的分子机制。本试验以正常发育果实为对照,败育果实为处理,进行了转录组和蛋白组测序。在转录组测序中,获得了2970个上调基因,1384个下调基因,GO和KEGG富集结果显示,叶绿体及光合作用的基因在正常发育的果实中显著高表达。在蛋白组分析中,鉴定出败育果实中上调表达的差异表达蛋白237个,下调表达的差异表达蛋白376个。GO和KEGG富集分析结果表明,正常发育果实中与光合作用、激素相关通路、逆境应激响应、能量代谢、氨基酸代谢、碳水化合物代谢及脂类代谢相关的基因显著高表达。对败育与正常发育果实的差异表达基因和差异表达蛋白进行了关联分析,正常发育果实中高表达的基因/蛋白有8个GO term和3个KEGG通路在RNA和蛋白水平均显著富集。(2)本研究获得了在果实发育过程中起重要调节作用的钙相关基因。利用转录组分析结果,获得了差异表达的EF手型钙结合蛋白基因,钙调蛋白、类钙调蛋白及钙/钙调蛋白依赖的蛋白激酶均在败育的果实中上调表达。在蛋白组的分析中,共发现了可能与榛子果实发育相关的31个差异表达的钙相关的蛋白,包括钙调蛋白、类钙调蛋白及钙/钙调蛋白依赖的蛋白激酶等。对转录组和蛋白组的钙相关蛋白进行关联分析,有3个钙相关基因在mRNA/蛋白水平同时高表达,包括1个类钙调蛋白、1个钙敏感受体及1个光系统Ⅱ增氧增强子蛋白2。(3)本研究构建了不同发育时期的钙调控网络,阐述了钙在各个时期主要参与的生理活动,并利用不同钙处理条件下的基因表达谱进一步验证了钙处理果实对钙调控网络的影响。未授粉的雌蕊花序样品(F)、授粉后开始发育的幼果簇雌蕊花序样品(S)、早期胚珠形成的雌蕊花序样品(T)及胚珠生长已经完成的果簇样品(F0)四个发育时期的WGCNA结果表明,22个模块中brown模块与T期密切相关,yellow模块与S期密切相关。分析钙相关基因在各模块的分布,发现钙信号转导相关基因富集前三位的模块分别为blue模块、red模块及brown模块。对富集于不同模块的基因进行GO和KEGG富集分析,诠释了各模块基因所对应的功能和代谢途径。对授粉后的榛子进行不同浓度CaCl2溶液的喷施处理,并选取S期特异的yellow模块进行调控网络的验证,结果显示了调控网络的可信性。(4)在花期喷施钙能够显著提高榛子幼果生长关键期的钙元素含量及幼果的果实直径大小,同时能够提高榛子的平均果实数量及坐果率。且研究发现,榛子幼果含钙量与果实成熟期果簇的平均果实数量及坐果率均呈极显著正相关关系,与果实成熟期的每个果簇中败育果实数量及败育率呈极显著负相关关系。验证了生物信息学的部分结论。

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