大蒜鳞茎生长发育的观察和转录组特征分析

摘要：

大蒜(Allium sativum L.)具有重要的营养和药用价值.鳞茎是主要食用器官,在生长发育过程中受遗传和环境因素的影响,造成形状和大小的差异.目前,对于大蒜鳞茎发育的研究不够深入.本文通过对不同时期与鳞茎膨大相关农艺性状观测,鳞茎解剖学结构观察及鳞茎8个不同发育时期转录组测序分析.从形态解剖和分子水平上初步解析大蒜鳞茎的长发育机理,为大蒜高产和品质改良提供理论基础.主要研究结果如下:1.不同发育期大蒜植株生长和鳞茎膨大相关农艺性状的动态观察.以白皮蒜'特选261','特选36-1'和紫皮蒜'中蒜1号','脱毒蒜','特选17'共5个大蒜品种为试验材料进行一系列表型性状观察,结果表明:5个大蒜品种鳞茎高,鳞茎直径和鳞茎干重均表现稳步上升,根毛干重和地上部分干重均表现为先上升后下降;品种间株高,株幅,叶长,叶宽,鳞茎直径,鳞茎鲜重,根毛干重,地上部分干重,鳞茎干重的增速'中蒜1号'均优于其他品种;'中蒜1号'和'脱毒蒜'属于晚熟类型,'特选17','特选36-1'和'特选261'属于早熟类型,在早熟蒜中'特选17'相对高产;紫皮蒜'中蒜1号','脱毒蒜','特选17'的鳞茎直径增速较比白皮蒜'特选261','特选36-1'快,接近收获期,紫皮蒜地下部分干重也显著高于白皮蒜;植株地上部干重变化与地下鳞茎干重变化趋势基本相似.针对大蒜多品种间多性状综合比较,根据大蒜鳞茎干重,鲜重生长变化,找出了大蒜地上部植株生长和地下部鳞茎膨大的关键时期和转折点,为从分子水平研究鳞茎发育提供了依据,对新品种选育和高产优质栽培具有理论指导意义.2.鳞茎生长发育的解剖学结构观察.通过对鳞茎不同发育时期的徒手解剖和石蜡切片观察发现:鳞茎生长发育主要可四个时期:大蒜新叶萌发期,鳞芽分化期,鳞芽膨大期,鳞茎成熟期;鳞茎分化特点:小鳞芽着生位置多集中在花茎周围最内层1~2叶腋间,鳞芽排成两轮;小鳞芽的形成与分生细胞团所在位置有关,且生长锥显出明显的原套原体结构;分生组织细胞核中染色体变化活跃,分生细胞团内部有淀粉粒的积累,维管组织的形成也发生在细胞团周围,木质部具有发达的导管,成熟的蒜瓣木质化程度较高;鳞茎中维管束为周韧维管束,有限外韧型,数目众多,导管为螺纹导管.通过鳞茎生长发育的解剖学结构观察,可以发现在鳞茎的膨大过程,其内部细胞和组织也随之发生着明显变化,这些变化为从细胞水平解释鳞茎的膨大机理提供了理论基础,也为进一步从分子水平分析鳞茎不同发育时期的基因差异表达和功能分析提供依据.3.大蒜鳞茎不同发育时期转录组分析.对鳞茎8个不同发育时期进行转录组测序,共得到103.12Gb Clean Data组装共得到64,242条Unigene;使用BLAST将Unigenes分别比对到COG,GO,KEGG,Pfam,Swissprot及NR数据库,最终获得24,604个有注释信息的Unigenes;应用MISA软件对1kb以上的Unigene分析,共获得5,353个SRR标记;分别对相邻两时期进行差异表达基因分析,研究基因在大蒜鳞茎发育中的表达变化;对差异表达基因进行GO富集分析,共得到135个显著富集的GO条目,其中76个参与生物过程,33个富集条目参与细胞组分,26个参与分子功能;对差异表达基因进行KEGG富集分析,共得到20个显著富集的途径,发现淀粉与蔗糖新陈代谢,植物激素信号传导,氨基糖和核苷酸糖代谢,光合作用等途径在鳞茎发育过程中起到重要作用.