翠竹茎端分生组织成花转变中关键细胞学过程及分子基础

Bamboo, a kind of plant with special flowering characteristics, had been investigated extensively in flower morphology, embryonic development, flowering gene cloning and floral developmental gene expression in previous studies, but little is known about the development of the shoot apical meristem (SAM), which plays a key role during the flower induction process. . To address this problem, we investigated morphological and anatomical analysis of the vegetative meristem (VM) and inflorescence meristem (IM) in Pleioblastus pygmaeus, the results indicated that there were differences in morphology and cell structure between IM and VM which caused the transition from vegetative growth to reproductive growth. . Basing on our findings above, to address the key molecular mechanism regulating the flower development in next step, we plan to use TEM, cryo-sectioning, laser capture microdissection, high throughput transcriptome sequencing technology together with the model plant system to identify the differentially expressed genes between the apical meristem of IM and VM. We hope to finally disclose the key cellular process and its responding flower molecular regulating pathway of Pleioblastus pygmaeus through this project.

竹类植物具有特殊的开花习性，目前对其开花的研究主要集中在花形态、开花基因的克隆以及各花器官发育基因表达上，而对竹子成花转变过程中起着关键作用的茎端分生组织（SAM）发育的认识接近空白。针对这个科学问题，我们前期通过研究，完成了翠竹营养分生组织（VM）和花序分生组织（IM）以及花芽分化的形态解剖学分析，发现翠竹花芽和叶芽顶端分生组织形态与细胞结构存在差异，这种差异是成花信号传递给茎端分生组织后导致翠竹由营养生长转为生殖生长。在此基础上，本项目拟借助透射电镜技术、冰冻切片技术、激光显微切割技术、高通量转录组测序技术结合模式植物验证系统等方法对花芽与叶芽顶端分生组织细胞的形态与结构进行更深入地观察与分析；对其差异表达基因进行筛选、验证及功能分析；以最终明确翠竹成花的关键细胞学过程及其分子基础。研究结果将对丰富竹类植物生殖生物学的理论基础、保护竹类植物种质资源具有重要的理论及实践意义。

翠竹是一种具有较高生态和经济价值的观赏竹，2015年南京林业大学竹园首次开花。本项目利用林间定期观察、透射电镜、高通量测序、生物信息学分析等手段对翠竹花序的发育进程、转录组差异以及成花年龄途径中关键SPLs基因的筛选展开研究，明确了翠竹花序的生长发育进程，从解剖学和分子生物学角度揭示了翠竹成花的相关细胞学过程及分子基础。.对翠竹花芽分化等一系列重要生殖发育过程进行了研究。同一小花的雄蕊和雌蕊发育是同步的。胚乳发育为核型。胚乳的发育早于胚。在发育过程研究的基础上，对开花和未开花的翠竹不同时期的芽顶端组织进行了形态表征和转录组分析。开花翠竹的花芽与未开花翠竹的叶芽存在明显差异。共获得了364840条unigene，有251300条unigene得到了注释，鉴定的序列大多与代谢合成、信号传递、翻译等功能相关。从总unigene筛选出277种与开花相关的基因，包含7773条unigene，分布在光信号传导途径、GA途径、春化途径、自主途径和年龄途径中。研究还表明，在早期的翠竹笋芽中成花基因就已开始表达。.进一步地，从翠竹中筛选出了28个SPLs。系统发育分析表明，来自8个植物的183个SPLs可分为9个亚家族，翠竹的28个PpSPLs分布在8个亚家族中。同源分析表明，在翠竹和水稻中发现多达32对同源基因，在翠竹和毛竹中发现83对。.最后验证了PpSPL14基因在调控翠竹成花转变的作用，发现PpSPL14基因能够促进转基因水稻的早花表型和增产。该研究结果表明PpSPL14基因参与翠竹从营养生长阶段向生殖生长阶段的转变过程，促进翠竹成花转变，为进一步阐明翠竹成花年龄途径的调控网络提供了理论依据。本研究将丰富竹类植物生殖生物学的理论基础，在竹类植物开花分子机理研究和种质资源保护上具有重要的理论及实践意义。