十字花科主要作物同源四倍体创制及转录组分析

十字花科主要作物同源四倍体创制及转录组分析萝卜和不结球白菜均是我国南方最大的蔬菜作物,在蔬菜周年供应中起举足轻重的作用。本文以二倍体红皮萝卜(Raphanus sativus L.)’小顶红’和二、四倍体不结球白菜(Brassica rapa ssp.Chinensis Makino)’矮脚黄’为材料,通过不同浓度秋水仙素进行诱导、鉴定、选育获得同源四倍体红皮萝卜新种质。

建立了萝卜苗期叶片响应性状四倍体筛选方法,提高四倍体加倍率。开展二、四倍体不结球白菜’矮脚黄’转录组测序分析,并比较二、四倍体植株光合途径相关基因,从分子水平阐述四倍体植株光合能力高于二倍体的原因。

为今后进行同源四倍体不结球白菜的研究提供了数据基础。其研究结果如下。

1、用1.5 g·L-1、2.0 g·L-1和2.5 g·L-1浓度秋水仙素点滴二倍体萝卜’小顶红’子叶期生长点,各处理4次和6次,拉十字期时对叶片响应进行形态分类,形态解剖学和细胞学鉴定,二、四倍体农艺性状、肉质根营养成分及种子发芽相关物质测定。结果表明:2.0 g·L-1处理4次获得的四倍体植株加倍率最高,为5.64%。

幼苗真叶响应形态分为正常叶、簇状叶、棒状叶和勺状叶,其中,簇状叶比例最高,与四倍体最为相关。与二倍体相比,四倍体的气孔、花粉粒、花器官、叶片和肉质根等表现出明显的"巨大性",但气孔密度、单果种子数量显著减少。

四倍体萝卜肉质根的可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C含量分别比二倍体增加23.50%,12.24%和27.36%。四倍体种子的可溶性糖、可溶性蛋白、脱氢酶活性均较对应二倍体高。

经两代选育,四倍体纯度达95%,比二倍体增产20.21%,获得优质同源四倍体萝卜新种质。早期选择"簇状叶"可提高加倍率,经继代选育后,获得优质同源四倍

体萝卜新种质,为市场提供更优质高产四倍体萝卜。

2、运用Illumina HiSeqTM 2000测序平台对二倍体不结球白菜(Brassica rapa ssp.Chinensis Makino)’矮脚黄,及由之创制的同源四倍体为材料进行测序,比较二、四倍体不结球白菜成熟期基因表达情况。共获得70,576个Unigene,平均长度1,108 nt,N50达到1626 nt。

共有66,883个Unigene获得注释,其中,注释到COG、GO和KEGG库分别为24,919个,56,033个和37,647个。对转录组数据差异表达进行分析,筛选得到1,769个差异表达基因,其中,772个基因上调,997个基因下调。

KEGG pathway富集分析表明二、四倍体代谢水平差异是由基因层次决定的。通过对二、四倍体不结球白菜转录组分析,为二、四倍体的深入研究提供了丰富的资源,并为多倍体基因组进化提供数据。

3、以二倍体不结球白菜’矮脚黄’为对照,比较四倍体与二倍体植株光合能力差别,通过转录组分析,从分子水平解释四倍体光合能力增强的原因。结果表明,同源四倍体植株叶绿素含量、净光合速率和可溶性糖分别比二倍体高18.67%、19.16%和29.18%。

转录组测序共获得1 769个差异表达基因(DEGs;Differentially expressed gene),KEGG pathway分类获得41个光合过程相关DEGs,来自"光合天线蛋白"、"光合作用"、"卟淋和叶绿素代谢"和"类胡萝卜素合成"等代谢途径。结合MapMan 软件分析揭示同源四倍体具有更强的吸光能力和更高效的电子传递链。

通过转录组分析,为更深入研究二、四倍体光合能力差异奠定基础。