發(fā)布時間：2020-11-30 14:23

【摘要】：寄生植物是指由于根系或葉片退化或缺乏足夠的葉綠素而必須從寄主植物中掠奪某些營養(yǎng)物質和水分等以滿足自身生長發(fā)育需求的一類植物。寄生植物與典型的植物自養(yǎng)生活方式大相徑庭,因為它們以異養(yǎng)的方式獲取有機碳源,利用稱為吸器的特殊器官與寄主植物的根或莖的維管組織直接相連。幾乎所有列當科植物都是寄生植物,主要寄生于寄主植物的根部,其中列當屬(Orobanche)的寄生植物因其對農作物的危害成為世界上研究最廣泛的寄生植物之一。向日葵列當(Orobanche cumana)是一種自身無法進行光合作用的全寄生植物,專性寄生于向日葵(Helianthus annus)的根部,主要分布于歐洲和亞洲北部地區(qū)。向日葵列當作為寄生性雜草,嚴重危害作物向日葵的生長發(fā)育,是歐亞地區(qū)向日葵產量的一個重要限制因素。近年來,在我國向日葵主產區(qū)內蒙古和新疆也遭受向日葵列當大面積侵染,產量急劇下降,造成嚴重經(jīng)濟損失。本研究從表型、生化、遺傳、基因組等多個角度對我國和歐洲的向日葵列當?shù)倪z傳多樣性、萌發(fā)刺激物、生理小種(寄生能力與毒性)等進行較全面的探索。在全球首個向日葵列當基因組測序組裝完成的基礎上,利用基因組重測序技術開發(fā)SNP,通過KASP分型技術構建完善其遺傳圖譜。首次對中國的向日葵列當?shù)幕�因組進行重測序,以SSR和SNP分子標記研究向日葵列當在世界不同區(qū)域的遺傳多樣性和種群結構。采用新開發(fā)的根系無土培養(yǎng)體系鑒定向日葵列當生理小種即毒性水平,尋找向日葵列當生理小種與種群遺傳多態(tài)性的關系。為探索寄主根系分泌物中的萌發(fā)刺激物與向日葵列當寄生數(shù)量的關系,開發(fā)了一種霧培體系和固相萃取技術結合高精度檢測向日葵的根系分泌物中的列當萌發(fā)刺激物的方法。取得的主要研究結果如下:(1)采用基于下一代基因組測序開發(fā)并驗證的具有高多態(tài)性的SSRs標記來評估世界不同地區(qū)的向日葵列當?shù)倪z傳多樣性。對來自中國5個不同區(qū)域的259份材料和來自歐洲27個不同區(qū)域的108份材料即共367份材料,通過熒光PCR結合毛細管電泳技術檢測其遺傳變異水平。向日葵列當?shù)氖澜绮煌瑓^(qū)域的遺傳多態(tài)性分析清楚地區(qū)分了中國種群和歐洲種群。遺傳系數(shù)、主成分分析和系統(tǒng)進化樹表明向日葵列當種群可劃分為3個群組:(I)中國新疆種群,靠近哈薩克斯坦和俄羅斯,寄生于食葵;(II)中國內蒙古種群,寄生于食葵;(III)歐洲種群,寄生于油葵。其中新疆種群具有最多的私有等位基因和最豐富的多態(tài)位點,暗示中國的新疆種群可能是其他向日葵列當種群的共同祖先之一,也可能是新疆的向日葵列當與當?shù)仄渌�列當科物種雜交的結果。(2)以西班牙的向日葵列當為參考基因組,首次探索了中國的向日葵列當基因組。采用最新基因組重測序技術,對9個具有代表性的中國內蒙古的向日葵列當和6個西班牙向日葵列當進行基因組重測序(llumina HiSeq~?3000)。重測序平均深度為15.3 X,檢測得到276926個SNP�；�于重測序篩選的SNP和基于外顯子組測序并驗證得到的1536個SNP進行融合分析與比較,發(fā)現(xiàn)不同地域的向日葵列當?shù)倪z傳變異差異較大,且不同的地理環(huán)境會產生不同的遺傳基因庫。世界不同地域的向日葵列當種群共有五個遺傳基因庫:(i)中國(內蒙古);(ii)西班牙中東部昆卡(Cuenca);(iii)西班牙西南部瓜達威爾河畔(Guadalquivir valley);(iv)法國;(v)東歐地區(qū)(匈牙利、羅馬尼亞、土耳其、烏克蘭)。SNP標記與SSR標記所揭示的向日葵列當種群遺傳多樣性結果基本一致,即向日葵列當中國種群與歐洲種群遺傳差異較大,暗示了地理隔離和寄主基因型的不同可能導致向日葵列當?shù)姆N群發(fā)生適應性進化,從而產生較大的遺傳多態(tài)性差異。(3)向日葵列當親本INA和IN12雜交的91個F_2個體采用KASP技術進行SNP分型,以509個SNP和18個SSR構建出28個遺傳連鎖群,總圖距為1479cM。向日葵列當父母親本INA和IN12重測序檢測出SNP40912個,其中13511個SNP定位到基因組的145個片段重疊群,占基因組90%。嚴格篩選出288個SNP進行KASP分型。將新增加的驗證有效的130個SNP錨定到145個片段重疊群,重組遺傳連鎖群,構建得到向日葵列當19個高密度連鎖群,對向日葵列當?shù)娜旧�體定位具有重要意義。(4)利用霧培體系和固相萃取技術檢測向日葵的根系分泌物中的列當萌發(fā)刺激物,將列當萌發(fā)刺激物的樣品收集預處理后,用高效液相色譜儀和三重四極質譜法聯(lián)合(UHPLC-TQ-MS)分離檢測列當萌發(fā)刺激物的組分。在霧培體系下,收集得到的列當萌發(fā)刺激物探測到了四種納摩爾與微摩爾級濃度的向日葵列當萌發(fā)刺激物,即去氫木香內酯(dehydrocostus lactone)、木香烴內酯(costunolide)、蒼耳素(8-epixanthatin)和向日葵內酯(heliolactone)。此方法已申請發(fā)明專利。(5)采用無土根系系統(tǒng)鑒定向日葵列當?shù)纳�理小種,此系統(tǒng)比傳統(tǒng)的土壤盆栽試驗更節(jié)省空間,更便捷準確。本研究初步建立了一個向日葵列當生理小種鑒定標準,以六個向日葵品系作為鑒定寄主,即向日葵品系2603、L86、LC1003、LC1093、R96和P96,六周后統(tǒng)計列當?shù)募纳鷶?shù)量。結果表明中國和法國的向日葵列當生理小種都介于小種E和F之間,暫定為小種X_(EF),向日葵列當?shù)纳�理小種即寄生能力與其種群遺傳多態(tài)性無關。研究發(fā)現(xiàn)新疆種群在食葵LD5009上的寄生數(shù)量遠多于其他種群,可能是寄主的基因型變化即從油葵轉為食葵,促使其發(fā)生適應性進化,這與基于SSR標記的遺傳多樣性分析結果相符。法國的列當小種鑒定采用土壤盆栽實驗,中國的列當小種的鑒定同時采用了土壤盆栽實驗和無土根系鑒定系統(tǒng),驗證了兩個體系的結果相似性,表明無土根系體系可用于快速準確鑒定向日葵列當?shù)纳�理小種。
【學位授予單位】：
【圖文】：

2圖1.1列當科系統(tǒng)發(fā)育樹.紅色圓點表示非寄生植物向寄生植物過渡；綠色圓點表示半寄生植物向全寄生植物過渡.利用10個基因位點的數(shù)據(jù)推斷列當科系統(tǒng)進化關系(極大似然法)，數(shù)據(jù)來源自Li等人[5,6].Figure1.1PhylogeneticrelationshipswithinOrobanchaceae.Thetransitiontoparasitismisindicatedbyredcircle,transitionstoholoparasitic(fromhemiparasiticancestors)areindicatedbygreencircle.PhylogeneticrelationshipswithinOrobanchaceaeinferredusingmaximumlikelihoodonacombineddatasetoftenloci.AdaptedfromLietal.[5,6].

4圖1.2向日葵列當生活史[3].Figure1.2LifecycleofO.cumana[3].1.1.4中國的向日葵列當歷史與現(xiàn)狀向日葵種植業(yè)在中國發(fā)展的最快時期是20世紀80年代和90年代。到上個世紀末，中國有超過一百萬公頃的向日葵種植面積。據(jù)中國農村統(tǒng)計年鑒(2019)統(tǒng)計，中國向日葵播種面積到達了921千公頃，產量為249萬噸，占中國農作物總播種面積的0.6%。截至2019年，內蒙古是我國最大的向日葵產區(qū)，種植面積約為56萬公頃，其次為新疆，種植面積在12萬公頃。在中國，向日葵列當雖是在上世紀七十年代大量出現(xiàn)于向日葵作物種植地區(qū)，但是早在1959年，在內蒙古(中國北部)就發(fā)現(xiàn)了向日葵列當，但寄生于青蒿(Artemisiasieversiana)上[16]。1979年，在吉林省田間發(fā)現(xiàn)了寄生于向日葵的列當[17]。近幾十年來，特別是20世紀90年代以來，隨著內蒙古、新疆地區(qū)向日葵產量的大幅度提高，向日葵列當?shù)娜肭殖蔀楫數(shù)叵蛉湛�產量的嚴重限制因素。1.1.5寄生雜草的防治控制寄生雜草是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。在過去的40年里，人們考慮了各種控制這些寄生雜草的方法，盡管取得了一些令人鼓舞的結果，但沒有一種是真正令人滿意的。目前，防除寄生雜草主要通過人工機械除草、化學防治、生物防

12圖1.3獨腳金內酯(SLs)和其他萌發(fā)刺激物的結構.(a)結構I是獨腳金醇類型的SL，具有典型的碳原子順序和ABC-D環(huán)結構；結構II是結構I(ent-I)的對映體，其C-2′位于S形結構；結構III是結構II的2′-epi-II和結構III的2′-epi-ent的差向異構體.(b)獨腳金醇類型在左列，列當醇類型在中間列，右列分別是carlactone，人工合成SL類似物GR24，karrikin和β-apo-13-carotenone.Figure1.3Structuresofstrigolactones(SLs)andothercompounds.(a)C-atomnumberingandthecharacteristicABC-D-ringstructureofastrigol-likeSL(structureI).StructureIIisanenantiomerofstructureI(ent-I)withtheC-2′inanSconfiguration.StructureIIIisanepimerofstructureII(2′-epi-II)anda2′-epi-entofstructureI.(b)Examplesofstrigol-like(leftcolumn)andorobanchol-like(middlecolumn)SLsalongwithstructuresofcarlactone(anSLlackingthetypicalABCring),thesyntheticGR24andent-GR24thatconstitutethecommerciallyavailableracemicmixture,karrikin(KAR1),andβ-apo-13-carotenone(rightcolumn).新報道的非經(jīng)典SLs除了carlactonoate外，都是寄生植物獨腳金屬和列當屬的萌發(fā)刺激物。向日葵內酯(heliolactone)是類胡蘿卜內酯(carlactone)類似物,可誘導紫花獨腳金(Strigahermonthica，中文暫定名),向日葵列當(Orobanchecumana),小列當(Orobancheminor),圓齒列當(Orobanchecrenata)和埃及列當(Orobanche
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