毛白杨花发育过程的分子调控机制研究

This study targets at the problems such as pollution caused by the pollen shed by the male poplar and the flying catkins from the female plant in Spring, and the weak foundation of the research on the molecular mechanism of flowering regulation. We take Populus tomentosa as test meterials, analyze the sugar metabolism and the change of phytohormone during the process of floral buds development in poplar, on the basis of the rule of flower buds morphological differentiation, and carry out the transcriptome research using NGS. Using WGCNA analysis to cluster the genes according to the module of expression, we correlate different modules of expression with phenotypic character (of hormones and sugar metabolism) or samples from particular stages, research the genetic regulatory relations inside the modules, construct the co-expression gene network, and find the hub genes. In this study, we build overexpression vectors and CRISPR-Cas9 gene editing system for key genes, and also do a series of molecular analysis, physiological and biochemical analyses and phenotypic observation, in order to comprehensively evaluate the gene function. Our study reveals the molecular mechanism of flowering regulation of poplar in terms of morphogenesis, physiology and biochemistry, and gene expression level. We also obtain 1~2 key regulative genes that play important roles in the floral induction and floral organ development in poplar. This study is not only of great theoretical significance to clarifying the molecular mechanism of flowering regulation in poplar, but also valuable as a reference to relevant researches of other perennial woody plants.

本研究针对杨树春季飞絮散粉造成环境污染以及开花调控相关分子机理的研究基础较薄弱等问题，以毛白杨为试材，在对雌雄花芽发育进程形态解剖学分析的基础上，分析花发育过程糖代谢和激素变化规律；利用二代测序技术开展花发育过程转录组学研究，采用WGCNA分析方法将基因根据表达模式进行聚类，把不同表达模块与表型性状（激素、糖代谢）或特定时期样本相关联，研究模块内部的基因调控关系，构建花发育过程基因互作网络，发掘关键核心基因；构建关键基因的正义表达载体和CRISPR-Cas9基因编辑系统，转化拟南芥和杨树，进行一系列分子检测、生理生化分析和表型分析，对基因功能进行综合评价。从形态发生、生理生化和基因表达三个层次揭示杨树花发育过程的分子作用机制，并获得杨树成花和花发育过程关键调控基因1-2个。本研究的开展不仅对阐明杨树开花调控的分子机理具有重要的理论意义，同时为其他多年生木本植物的相关研究提供一定借鉴。

本研究以毛白杨为试材，通过Illumina RNA测序技术，开展杨树芽休眠和解除过程的转录组学研究，结果表明参与激素代谢、转运和信号转导的基因在休眠解除过程中出现差异表达。在转录组数据基础上，系统分析了31个开花相关基因在花发育和休眠过程中的表达趋势，构建雌雄花芽共表达网络并筛选出关键节点基因，结果表明这些开花相关基因在花发育和休眠过程中具有潜在的双重作用。鉴定分析了与海藻糖合成相关的13个PtTPS和10个PtTPP基因，并探究其在杨树雌雄花芽的发育过程中的表达模式，为揭示该家族成员及海藻糖在杨树花发育过程中的调控功能提供一定参考。基于转录组数据，在全基因组水平系统鉴定了杨树YABBY基因家族，分析了该家族成员在毛白杨雌雄花芽8个发育时期及根、茎、叶等组织中的表达模式，克隆了PtYABBY7基因的编码区序列，构建35S::PtYABBY7过表达载体，利用拟南芥进行基因功能研究，结果表明转基因植株开花推迟、叶片颜色加深并向下卷曲。另外，本研究全面分析低温胁迫下毛白杨的基因表达谱，鉴定出主要参与糖代谢、抗氧化防御系统、激素信号转导和光合作用的低温响应基因。本研究首次在分子水平上系统研究激素相关基因在毛白杨芽休眠解除中的表达模式以及开花相关基因在生殖芽休眠转换过程中的表达模式，首次解析了杨树YABBY基因家族和PtYABBY7基因的初步功能。不仅可以为深入研究多年生树木中激素与休眠之间的关系提供参考，而且为探究树木芽休眠的复杂机制和树木花发育与休眠之间的关系奠定一定的理论基础，并为利用生物技术调控关键候选基因调控杨树生殖和营养生长以及进一步增加木质生物量积累提供了可能。