利用花性别分化突变体研究小桐子性别决定机制

Sex determination is a key problem during angiosperm evolution and also an important factor that affects plant yield in agricultural production. Based on the three different sex expression Jatropha plants: monoecious, gynoecious and andromonoecy genotypes, three F1 mapping populations are created by out-crossing of andromonoecy×gynoecious, monoecious×gynoecious and andromonoecy×monoecious, respectively. The whole genome re-sequencing and map-based cloning technologies are applied to identify the loci that are responsible for sex determination. Meanwhile, comparative analysis of transcriptome among deferent genotype inflorescences is conducted to determine the candidates controlling sex determination in Jatropha. The gene overexpression and silencing approaches are employed to test which of the candidates are indeed sex determination genes. In addition, combined with the key genes and signal transduction pathways involved in the process of sex differentiation in Jatropha inflorescences, we develop a regulatory model of sexual differentiation and reveal the molecular mechanism on sex determination of Jatropha. This study provides a foundation to uncover the sex determination mechanism of flowering plants and also is helpful for the improvement of agronomic characters and development of high yield Jatropha varieties using molecular marker assisted breeding and genetic engineering technologies.

花性别决定机制是被子植物繁殖系统演化研究的关键问题，也是农业生产中影响植物产量的主要因素。本课题主要以雌雄异花同株（monoecious）、纯雌花（gynoecious）和雄花两性花同株（andromonoecy）三种不同花性别类型的小桐子为研究材料，构建三个F1代作图群体，通过全基因组重测序技术、分子遗传学和生物信息学方法，对控制小桐子花性别决定的基因进行定位，结合转录组比较分析，筛选、克隆候选功能基因。利用农杆菌介导的转基因方法，在小桐子中对候选基因进行超量表达和敲除实验，确定小桐子的花性别决定基因。然后以花性别决定基因为锚点，对参与花性别分化进程的关键基因及其调控信号通路进行解析与整合，建立花性别分化调控模型，初步阐明小桐子性别决定机制。此研究对于揭示开花植物的性别决定机制研究具有重要意义，也为采用分子标记辅助育种技术和基因工程手段改良小桐子农艺性状和培育高产品种奠基础。

小桐子种子含油量高，抗逆性好，适应性强，被认为是一种很有发展潜力的能源植物。本项目主要以雌雄异花同株（Monoecious）、纯雌花（Gynoecious）和雄花两性花同株（Andromonoecy）三种不同花性别类型的小桐子为研究材料，构建F2代自交群体进行花性别决定基因的定位，并对可能参与花性别分化过程的基因进行功能验证，同时重新组装了Monoecious型小桐子高质量基因组。结果表明，小桐子花发育相关基因中，APETALA3 (JcAP3)、SEPALLATA3 (JcSEP3)、SHORT CHAIN ALCOHOL DEHYDROGENASE (JcTS2)、GIGANTEA (JcGI)基因沉默转基因植株和SEPALLATA1 (JcSEP1)、TREHALOSE-6-PHOSPHATE PHOSPHATASE J (JcTPPJ)过表达转基因植株的花表型无明显变化。SEPALLATA2 (JcSEP2)基因沉默植株花柄伸长，雄蕊发育正常；JcSEP3过表达植株花药有缺陷，花粉发育异常；小RNA JcmiR172过表达植株开花提前，每轮花器官均有缺失。此外，茉莉酸合成途径基因Jatropha DEFECTIVE IN ANTHER DEHISCENCE 1 (JcDAD1)基因沉默植株花增大，花数增多，部分小花败育，但正常发育雄花的雄蕊表型无变化；茉莉酸信号调控基因JcMYC2基因沉默植株花表型无变化。在小桐子花序中特异性过量表达Arabidopsis adenylate isopentenyltransferase 4 (AtIPT4)基因可以显著提高花序中细胞分裂素水平，从而增加单个花序中小花和两性花数量，但是雄花和两性花不育。以上结果表明，JcSEP3和细胞分裂素信号参与雄蕊的发育，可能在小桐子的性别分化中有重要作用；而多个小桐子花器官决定基因在调控花发育过程中的功能与拟南芥同源基因明显不同，两者花发育调控机制应该存在较大差异，值得进行深入研究。研究结果为阐明小桐子花性别决定机制，建立多年生木本植物花发育调控模型奠定基础。