高溫誘導(dǎo)番茄柱頭外露的生理及分子基礎(chǔ)的研究.pdf

1、番茄（Solanum lycopersicum L.）是茄科番茄屬的一種重要的蔬菜作物，其開花前遭遇高溫脅迫容易引起柱頭伸出雄蕊，且明顯高于花藥筒，使得花粉不能正常到達柱頭。由于番茄的自花授粉率達98％以上，柱頭外露使得雌雄蕊無法正常授粉受精，子房萎縮，造成嚴重的落花落果，坐果率降低。
　　本研究以番茄‘Micro-Tom’品種為實驗材料，研究高溫脅迫對雄蕊、雌蕊生長以及柱頭外露的影響;利用組織切片技術(shù)研究高溫誘導(dǎo)番茄柱頭外露的細

2、胞學(xué)基礎(chǔ);利用植物生長調(diào)節(jié)劑噴施實驗研究不同植物激素對柱頭外露的生理影響;利用qRT-PCR技術(shù)分析了相關(guān)激素信號特征基因及逆境信號傳導(dǎo)基因在番茄柱頭外露過程中的時空表達特征，明確植物激素對高溫下柱頭外露的調(diào)控作用;利用RNA-seq測序技術(shù)，比較分析了高溫誘導(dǎo)的番茄柱頭外露前后雄蕊及雌蕊的基因表達譜差異，篩選差異表達基因，并進行GO功能分類和代謝通路分析，初步建立了高溫誘導(dǎo)番茄柱頭外露的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型，為深入解析高溫下植物生殖發(fā)育形態(tài)適

3、應(yīng)的分子機制提供了研究基礎(chǔ)，并為番茄抗高溫栽培技術(shù)的完善提供理論依據(jù)。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　(1)以番茄品種‘Micro-Tom’為實驗材料，觀察不同溫度處理下的現(xiàn)蕾期番茄植株。30℃/25℃與35℃/30℃（晝/夜）的高溫脅迫處理會引起番茄柱頭的外露，外露率達40％以上，柱頭外露程度1mm左右。35℃/30℃處理的番茄植株與正常溫度下生長的植株相比花器官變小，花粉活力與花粉數(shù)目顯著降低;而30℃/25℃處理對番茄花

4、粉活力影響不大，但花粉數(shù)目有所下降。40℃/35℃高溫處理番茄植株花芽發(fā)育停滯，不能正常開花坐果。對高溫脅迫處理下番茄花器官半薄切片觀察發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫引起番茄花藥細胞數(shù)目顯著減少，花絲縱向細胞長度變短，而花柱細胞變化不顯著，從而導(dǎo)致雌蕊長度大于雄蕊，柱頭伸出花藥筒。
　　(2)利用5種植物生長調(diào)節(jié)劑生長素（IAA）、赤霉素(GA3)、茉莉酸(JA)、2，4-表油菜素內(nèi)酯(EBR)以及多效唑(PAC)噴施亞高溫處理(33℃/28℃)

5、的番茄花蕾。亞高溫下噴施GA3加速了番茄柱頭的外露，外露率顯著增加，外露程度增大;而赤霉素生物合成抑制劑PAC處理會降低番茄柱頭的外露程度;噴施JA也可提高番茄柱頭外露率，但對外露程度作用不明顯;噴施IAA、EBR對柱頭外露及坐果率的影響均不顯著。以上結(jié)果證實了GA與JA可能參與高溫誘導(dǎo)的番茄柱頭外露的信號傳導(dǎo)過程。
　　(3)利用qRT-PCR技術(shù)研究高溫處理對番茄雄蕊和雌蕊中IAA、GA、ABA信號相關(guān)基因表達影響。3種激素相

6、關(guān)特征基因表達水平變化顯著，尤其是IAA和GA生物合成相關(guān)基因。在雌蕊中，高溫誘導(dǎo)番茄柱頭外露過程，IAA生物合成基因SlToFZY2與GA生物合成基因SlGA20ox2表達水平顯著上升，GA負調(diào)控基因SlGA3ox2和GA信號途徑負調(diào)控基因SlDELLA顯著下調(diào)表達;而在雄蕊中SlToFZY2顯著下調(diào)表達，SlDELLA基因表達變化不顯著。亞高溫下外源GA3或PAC處理實驗表明，在雌蕊中，亞高溫下外源噴施GA3也可使SlGA20ox2

7、上調(diào)表達，同時SlDELLA、SlGA3ox1顯著下調(diào)表達;而在雄蕊中，SlGA3ox1顯著上調(diào)表達。另外GA3處理導(dǎo)致SlPIF1-1、SlPIF4基因在雌蕊中的下調(diào)表達，而在雄蕊中基因相對表達水平變化不明顯。以上結(jié)果從轉(zhuǎn)錄水平上證實了GA參與高溫誘導(dǎo)番茄柱頭外露過程，并可能同SlPIF基因的互作有關(guān)。
　　(4)利用RNA-seq技術(shù)比較了高溫誘導(dǎo)番茄柱頭外露前后雄蕊及雌蕊的轉(zhuǎn)錄組差異。測序結(jié)果共鑒定了5839個高溫誘導(dǎo)差異表

8、達基因，其中在雄蕊中有5320個基因而雌蕊中只有519個;190個基因在雄蕊與雌蕊中差異表達均達到顯著水平。高溫處理2d，雄蕊與雌蕊中差異表達變化顯著的基因分別有2044個與74個;而高溫處理12d，雄蕊與雌蕊中差異表達基因各有3276個與445個。表明雄蕊與雌蕊在應(yīng)對高溫脅迫時，基因表達圖譜存在明顯的差別。利用qRT-PCR的方法，我們對其中與熱脅迫響應(yīng)相關(guān)的部分差異表達基因進行了驗證。
　　(5)差異表達基因GO分類以及代謝通

9、路分析。GO功能顯著富集的基因主要涉及:脅迫響應(yīng)、蛋白代謝、信號傳導(dǎo)過程等。對差異表達基因參與的代謝通路分析發(fā)現(xiàn)，在高溫處理12d雄蕊中，細胞分裂素生物合成途徑受到很大的影響，茉莉酸和赤霉素生物合成途徑也有所變化;而在雌蕊中這些代謝途徑?jīng)]有發(fā)生顯著變化;大量的細胞分裂相關(guān)基因和細胞壁合成相關(guān)基因在雄蕊中下調(diào)表達，而在雌蕊中表達變化不顯著;同時，大量的轉(zhuǎn)錄因子參與到雄蕊及雌蕊的熱脅迫響應(yīng)過程中，表明這些差異表達的基因可能參與了雌蕊與雄蕊在