發(fā)布時間：2020-11-13 18:04

　　 蓮是蓮科蓮屬的多年生水生植物。蓮屬植物僅包括亞洲蓮和美洲黃蓮兩個種。其中,亞洲蓮通常稱為蓮、荷花,在亞洲特別是中國栽培廣泛,以下統(tǒng)稱為蓮。蓮花多用于水生植物造景,荷葉因其富含荷葉堿可用于茶葉制造,蓮的地下莖在亞洲是常見的蔬菜,因其含有豐富的維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素且熱量適中而常見于食品加工和人們的日常餐點中。蓮根據(jù)生態(tài)型可分為熱帶蓮和溫帶蓮,二者具有不同的地下莖形態(tài)。熱帶蓮地下莖不膨大,溫帶蓮以其地下莖膨大成藕著稱。隨著氣溫降低和蓮地上部分凋落,蓮藕作為蓮越冬的物質(zhì)儲藏器官,逐漸積累淀粉等物質(zhì),蓮藕膨大約在3個月內(nèi)完成。蓮藕的膨大決定了蓮的生長發(fā)育的物質(zhì)基礎和下一生長周期的能量來源,是一項復雜的生理過程。此外,蓮藕膨大對于提高其產(chǎn)量,進而提高其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的經(jīng)濟效益具有重要意義。然而,目前對蓮藕膨大的分子機理知之甚少,對其研究尚處在初期階段。為深入揭示其分子調(diào)控機理,本研針對這一過程中的蛋白質(zhì)表達水平以及磷酸化修飾的動態(tài)變化特點展開研究工作;同時,對蓮CONSTANS-like基因家族開展系統(tǒng)研究,并對其成員NnCOL5進行功能解析。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)對蓮藕發(fā)育的關鍵時期:鞭狀莖時期(S1),膨大中期(S2),蓮藕時期(S3),進行了定量比較蛋白質(zhì)組學分析。通過質(zhì)譜分析共鑒定到2712種可定量的蛋白質(zhì)。其中,發(fā)育階段特異性表達的蛋白質(zhì)(SSP)302個,不同階段差異表達的蛋白質(zhì)(DEP)172個。發(fā)育階段特異表達蛋白質(zhì)的功能富集分析發(fā)現(xiàn)不同時期的蛋白質(zhì)承擔的主要功能有不同的側(cè)重:在S1階段主要富集到氧化和金屬離子響應通路;S2階段主要是細胞生長和分裂相關的蛋白被富集;S3階段富集到的蛋白質(zhì)多與淀粉的生物合成相關。此外,蛋白質(zhì)組學研究鑒定到大量與光信號、生長素信號和鈣離子信號傳導相關的蛋白質(zhì)的差異表達。推測蓮藕膨大過程中光信號和生長素信號以及鈣離子信號通路都參與其中。(2)對鞭狀莖時期(S1),膨大中期(S2),蓮藕時期(S3)的蓮地下莖同時也開展了磷酸化蛋白質(zhì)組學研究。共鑒定出2286個發(fā)生磷酸化修飾的蛋白質(zhì)。其中,能進行定量分析的蛋白質(zhì)835個。其中57%的蛋白質(zhì)僅在磷酸化蛋白質(zhì)組分析中得到鑒定,說明其表達量極低。比較分析共鑒定到發(fā)育階段特異發(fā)生磷酸化修飾的蛋白質(zhì)(SSPp)373個;不同階段磷酸化修飾強度發(fā)生變化的蛋白質(zhì)(DEPp)有230個;在蓮藕膨大過程中既存在蛋白質(zhì)表達水平發(fā)生變化,也存在磷酸化修飾強度發(fā)生變化的蛋白質(zhì)共有133個,通過GO和KEGG富集分析,發(fā)現(xiàn)許多生長素等激素信號傳導以及淀粉、糖代謝相關蛋白質(zhì)的磷酸化修飾狀態(tài)對于蓮藕膨大可能具有重要作用;(3)通過對蓮CONSTANS-like家族基因、蛋白結(jié)構(gòu)和在蓮藕發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)NnCOL5基因的表達隨蓮藕發(fā)育進程而升高,與蓮藕膨大具有正相關性。NnCOL5蛋白結(jié)構(gòu)由一個BBX和一個CCT功能域組成,定位于細胞核內(nèi)。馬鈴薯中過表達NnCOL5引起了短日照條件下微型薯塊莖單株薯重和淀粉的顯著升高。通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)過表達NnCOL5影響了馬鈴薯內(nèi)源激素信號傳導尤其是生長素信號傳導途徑,其次富集到包括淀粉和糖代謝等基因,并影響了CO-FT通路關鍵因子的表達。推及蓮藕膨大的生理進程,NnCOL5可能通過影響生長素信號轉(zhuǎn)導和淀粉合成等途徑,促進蓮藕膨大。綜合本研究,結(jié)合蛋白質(zhì)組學、磷酸化蛋白質(zhì)組學以及NnCOL5功能分析數(shù)據(jù),我們提出了溫帶蓮蓮藕膨大的工作模型。在長日照條件下,蓮通過PHYA和FYPP等感知光信號,促進地下莖伸長生長,同時可逆磷酸化修飾作用下的抑花因子FRIGIDA起到抑制開花的作用。生長素信號在蓮地下莖發(fā)育前期起到促進細胞分裂的作用。隨著短日照的來臨,NnCOL5負作用于生長素信號途徑,并且干涉CO-FT途徑關鍵基因的表達,促進蓮藕膨大。鈣離子信號也參與其中,鈣調(diào)素蛋白和CPK等蛋白發(fā)生可逆磷酸化修飾調(diào)控蛋白豐度,促進了蓮藕膨大過程中的物質(zhì)運輸。研究結(jié)果對于深入認識蓮藕膨大的調(diào)控機理,促進蓮藕育種及產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院武漢植物園)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：S645.1
【部分圖文】：

根據(jù)蓮的生物學特性和生態(tài)習性觀察、實地考察以及區(qū)域性試驗,蓮存在兩大自然生態(tài)型,即溫帶型和熱帶型,它們具有明顯不同的生長發(fā)育習性。這兩種生態(tài)型最主要區(qū)別之一就是地下莖形態(tài)的不同,蓮藕根狀莖形態(tài)有兩種形式,一種為蓮鞭,其由多個節(jié)和節(jié)間組成,細長如鞭(陳維培1988),另一種是藕,即由蓮鞭頂端膨大形成的根狀莖(圖1.1)。溫帶型蓮(如中國古代蓮)有明顯的年生長發(fā)育周期,在華中地區(qū)6-8月份開花結(jié)實,秋季地上部枯萎凋謝,地下莖則膨大成藕而休眠(圖1.2)。溫帶型蓮即使移種至熱帶地區(qū)(如泰國),其地下莖仍能膨大成藕。熱帶型蓮(如泰國蓮)在熱帶氣候條件下,長年不停頓生長,地下莖不膨大成藕,而呈鞭狀生長,但在溫帶地區(qū)會根據(jù)生長環(huán)境進行一定程度的貯藏器官膨大,綠葉期約從5月到11月長達7個月,花期約從6月到11月總長約5個月(張行言2006)。一般情況,蓮育種利用藕苫和蓮子進行繁殖。蓮藕的苫芽萌動在4月份;種子經(jīng)過處理后,從播種到長根長葉大約需要5~7天;5月中下旬立葉浮出水面;6月中下旬始花期;7、8月份進入盛花期;9月上旬為末花期;果熟期從7月下旬到9月中旬,同時也是地下莖膨大和充實期;9月下旬開始進入葉黃期,10月中旬后進入休眠期;整個生育期大概190天。蓮的生活周期因地域而稍有差異,南方氣候溫和,萌發(fā)和開花要早于北方。

溫帶型蓮(如中國古代蓮)有明顯的年生長發(fā)育周期,在華中地區(qū)6-8月份開花結(jié)實,秋季地上部枯萎凋謝,地下莖則膨大成藕而休眠(圖1.2)。溫帶型蓮即使移種至熱帶地區(qū)(如泰國),其地下莖仍能膨大成藕。熱帶型蓮(如泰國蓮)在熱帶氣候條件下,長年不停頓生長,地下莖不膨大成藕,而呈鞭狀生長,但在溫帶地區(qū)會根據(jù)生長環(huán)境進行一定程度的貯藏器官膨大,綠葉期約從5月到11月長達7個月,花期約從6月到11月總長約5個月(張行言2006)。一般情況,蓮育種利用藕苫和蓮子進行繁殖。蓮藕的苫芽萌動在4月份;種子經(jīng)過處理后,從播種到長根長葉大約需要5~7天;5月中下旬立葉浮出水面;6月中下旬始花期;7、8月份進入盛花期;9月上旬為末花期;果熟期從7月下旬到9月中旬,同時也是地下莖膨大和充實期;9月下旬開始進入葉黃期,10月中旬后進入休眠期;整個生育期大概190天。蓮的生活周期因地域而稍有差異,南方氣候溫和,萌發(fā)和開花要早于北方。1.1.3 蓮的組學研究和分子生物學研究

在馬鈴薯塊莖發(fā)育的通路研究中,以CO-FT通路研究的最為透徹(圖1.3)。馬鈴薯中的研究表明,COL1在StSP5G(S.tuberosum SELF-PRUNING 5G,FT同源基因)的啟動子中結(jié)合了TGTGGT元素,從而抑制了馬鈴薯塊莖的形成(Abelenda,Cruz-Oro et al.2016)。StCDF1是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,通過下調(diào)StCO表達并激活StSP6A(S.tuberosum SELF-PRUNING 6A,FT同源物)的表達的塊莖信號來控制植物的成熟并介導塊莖的發(fā)生(Kloosterman,Abelenda et al.2013)。該途徑的其他成員包括FLAVIN-BINDING,KELCH REPEAT,F-BOX 1(FKF1),GIGANTEA(GI)和CYCLING DOF FACTOR 1(CDF1)蛋白質(zhì)都參與調(diào)節(jié)CO的轉(zhuǎn)錄。在短日照條件下,擬南芥AtCO表達在夜間達到峰值,而在白天保持低表達;在長日照條件下,藍光感光體FKF1的積累可增強AtCO的表達(Imaizumi,Tran et al.2003)。在長日照條件,AtCDF1對CO的抑制作用通過與其啟動子結(jié)合實現(xiàn),而FKF1蛋白則通過其LOV結(jié)構(gòu)域與CO相互作用,起到穩(wěn)定CO蛋白的作用(Sawa,Nusinow et al.2007,Song,Smith et al.2012)。在馬鈴薯(Solanum tuberosum)中,CO基因表達的晝夜振蕩與擬南芥中不同。AtCO和Hd1(水稻中的FT同源物)轉(zhuǎn)錄水平在黃昏達到峰值,而馬鈴薯StCOL1在黎明表達峰值(de Montaigu,Rühl et al.2015)。在馬鈴薯安第斯亞種中過表達AtCO可以延緩短日照條件下馬鈴薯塊莖的形成。在CO-FT通路中,CONSTANS/CONSTANS-like(CO/COL)家族成員擔任了非常重要的角色。擬南芥中的CO/COL家族根據(jù)其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分為三個亞族,Ⅰ的結(jié)構(gòu)特點是包含2個b-box結(jié)構(gòu)和一個CCT結(jié)構(gòu)由6個保守氨基酸組成(Griffiths,Dunford et al.2003),成員有CO及COL1-COL5;Ⅱ群結(jié)構(gòu)為只含有一個b-box結(jié)構(gòu),成員有COL6-COL8和COL16;Ⅲ群包含一個b-box,一個次級分叉的鋅指蛋白結(jié)構(gòu),成員有COL9-COL15,三個亞族的所有蛋白質(zhì)都在C端存在一個CCT結(jié)構(gòu)域(Robson,Costa et al.2001)。CO/COL在擬南芥和水稻中都具有調(diào)控開花的作用(Valverde 2011),它的同源基因序列和功能具有高度保守性,各種各樣的植物中都存在著CO/COL的同源基因(Khanna and Wu 2009)。COL蛋白在許多植物中都承擔著轉(zhuǎn)錄激活的功能(Putterill,Robson et al.1995,Tiwari,Shen et al.2010,Chen 2012),有趣的是決定COL蛋白的轉(zhuǎn)錄活性的區(qū)域既不在b-box上也不在CCT功能域,而是在兩個結(jié)構(gòu)之間的谷氨酸富集區(qū)。CO主要在葉片中表達并接受光信號,在挪威云杉(Picea abies)中研究表明,針葉中表達量高于根尖(Holefors,Opseth et al.2009)。在蝴蝶蘭(Phalaenopsis hybrida)中也有證實COL蛋白在葉片中負責感受光信號(Valverde 2011,Zhang,Wu et al.2011)。在擬南芥CO在長日照下促進擬南芥開花(Robson,Costa et al.2001)。在馬鈴薯中過表達擬南芥的CO基因,能夠抑制馬鈴薯塊莖的膨大,而沉默馬鈴薯StCO基因,能夠促使馬鈴薯塊莖膨大(Navarro,Cruz-Oróet al.2015)。
【參考文獻】

相關期刊論文 前9條

1 孫玉燕;李錫香;;蔬菜變態(tài)根莖發(fā)育的分子機理研究進展[J];中國農(nóng)業(yè)科學;2015年06期

2 程立寶;齊曉花;高學雙;巴津津;尹靜靜;陳學好;李良俊;;蓮藕根狀莖膨大相關基因的挖掘與表達分析[J];園藝學報;2012年03期

3 李良俊;潘恩超;許超;葉枝榮;曹碚生;;蓮藕膨大過程中內(nèi)源激素、水楊酸和多胺含量的變化[J];園藝學報;2006年05期

4 張行言;王其超;;熱帶型荷花的發(fā)現(xiàn)與荷花品種分類系統(tǒng)[J];中國園林;2006年07期

5 柳俊,謝從華;馬鈴薯塊莖發(fā)育機理及其基因表達[J];植物學通報;2001年05期

6 柯衛(wèi)東,黃新芳,傅新發(fā),周國林,彭靜;蓮藕主要營養(yǎng)品質(zhì)和農(nóng)藝性狀的遺傳分析[J];武漢植物學研究;2000年06期

7 陳維培;張四美;;蓮的根莖構(gòu)造、伸長與增粗[J];Journal of Integrative Plant Biology;1989年03期

8 陳維培,張四美;蓮的生態(tài)解剖學研究[J];生態(tài)學報;1988年03期

9 陳維培,張四美,嚴素珍;蓮的花部解剖和發(fā)育的初步研究[J];南京師大學報(自然科學版);1982年04期

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1 李峰;蓮藕根狀莖膨大機理初步研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學;2008年

本文編號：2882466