褐藻裙带菜单倍体雌雄同体现象的生物学机制及应用

As one of the major sublittoral seaweed groups, species in Laminariales have drawn much attention from phycologists due to its ecological importance and diverse utiliations in human life. In particular, the haploid stages in the life cycle have been the research focus ever since their discoveries. Parthenogenesis and apogamy in haploid stages, as well as apospory in the diploid stage, have been reported in several species of Laminariales, reflecting the form of life cycles in this order is complex. In this project,based on our recent finding of the zoospore-derived monoecious gametophytes in Undaria pinnatifida, representative species in Laminariales will be selected for further investigating the popularity of this monoecy phenomenon. We will try to reveal the regulation mechanism and impacting factors. Specific DNA sequences linked to the sex of monoecy will be screened by various molecular markers. Related functional genes will be detected by comparing the profiles of transcriptomes between different haploid stages. Number of the chromosomes and karyotype will be studied to determine the ploidy status. This project is expected to shed light on the mechanism of sex determination of species in Laminariales and the plants in marine enviorenment. In addition, a novel breeding method combining culture and crossing of pure lines is expected to be developed to be applied in breeding practice.

海带目海藻物种是潮间、潮下带主要大型海藻群落组成者，一直受到广泛关注，也被广泛工业化利用。其生活史中单倍体世代一直是全世界海藻学工作者关注重点。在海带目多个海藻物种中，关于单倍体世代中的孤雌生殖、无配生殖以及二倍体世代中孢子体分化形成丝状体多种复杂生活史形式都被报道过。本项目基于前期在裙带菜由游孢子而来的雌雄同体单倍体生活史现象的新发现，有针对性选取海带目代表物种，揭示雌雄同体单倍体在本目海藻中存在的普遍性，阐释这一现象形成的规律和诱因，利用现代分子生物技术，开发与不同单倍体世代相关联的特定序列，依靠转录组技术，挖掘相关发育过程中的功能基因，通过染色体制片技术，确定不同阶段染色体数目，从而了解海带目海藻性别决定机制的生物学本质，丰富我们对生活在海洋环境中植物性别决定机制的认知；在应用领域，将发展一条纯系培养方法，应用于杂交新品种培育，为我国海带目经济海藻栽培产业提供更多、更好的新品种。

经过4年的研究，我们在四个方向上研究进展不一。以产业化应用领域进展最好，分别发展了建立雌、雄孢子体纯系的方法，发展了利用两种孢子杂交的技术，可以有效提高杂交效率，弥补利用配子体杂交方法的缺陷。在雌雄同体配子体染色体倍型确定方向上，受困于裙带菜全基因组信息的缺乏，利用现有的常规方法，无法获得突破，我们先后尝试了常规染色体染色技术方法，没有能够清晰无误的计数裙带菜染色体数目，但是使用流式细胞仪分析游孢子的倍型获得了相对可靠的结果，雌雄同体自交获得的孢子体，性成熟后释放的游孢子的倍型和野生裙带菜释放的游孢子的倍型不存在2倍关系。在配子体雌雄同体结构形成的分子调控机制研究方面，我们开展了配子体发育的转录组分析工作，确定了开展相关基因表达研究需要的参考基因；我们在项目执行的最后一年，开展了裙带菜雄配子体的全基因组测序工作，这部分工作不属于既定的研究内容，但是深入阐释海带目海藻物种性别决定机制（雌雄同体机制）的必由之路；截止到2018年10月，已完成了全基因组测序，预计2019年完成注释，之后我们会继续对雌配子体以及雌雄同体配子体的基因组进行测定，这部分工作，将利用项目结余经费完成。关于在海带目其它海藻物种中是否广泛存在这种雌雄同体现象，我们检测到了在部分野生海带中也存在这种现象，受困于外来物种引种审批问题，未来我们会选择和国外相关机构开展合作的方式，开展调查。