菊芋块茎休眠分子生理机制研究

Qinghai Plateau is located in the northeastern part of the "roof of the world" Qinghai-Tibet Plateau, where is dry, the frost-free period is short and the temperature difference between day and night. The product of Jerusalem artichoke tuber has high sugar content and good quality. In recent years, it has been widely concerned as a plateau specialty crop. The dormant characteristics of Jerusalem artichoke tubers are closely related to reproductive growth, edible quality and processing storage. At present, the research on plant dormancy is concentrated on the dormancy of perennial woody plants, and there are few studies on tubers, especially the mechanism of dendritic dendrites in dendrites. The aim of this study was to investigate the morphological and physiological and biochemical changes dormancy of Jerusalem artichoke and study the characteristics and dormancy of Jerusalem artichoke. The dormancy of Jerusalem artichoke was studied by trans-group-miRNA-iTRAQ multi-group analysis And the release of the process of metabolic pathways and key genes, to carry out genetic function validation, and then initially explain its dormant molecular regulation mechanism. Therefore, this study will lay a theoretical foundation for the regulation of dormancy of chrysanthemum tubers by means of physical chemistry and molecular biology. At the same time, it will further enrich and deepen the study of dormancy mechanism of plant tuber and provide important theoretical basis for high quality and efficient production of Jerusalem artichoke tuber.

青海高原地处"世界屋脊"青藏高原东北部，这里气候干燥、无霜期短和昼夜温差大的特点，生产的菊芋块茎含糖量高，品质好，近年来作为一种高原特色作物而受到广泛关注。菊芋块茎的休眠特征特性与繁殖生长、食用品质以及加工贮藏密切相关。目前，针对植物休眠的研究多集中在多年生木本植物的芽休眠上，而对于块茎类植物的研究较少，尤其菊芋块茎休眠分子生理调控机制方面未见报道。本项目拟通过研究菊芋块茎休眠与解除的诱导因素、休眠期的形态学与生理生化变化，掌握菊芋块茎休眠的特征特性；利用转录组-miRNA-iTRAQ多组学联合分析技术，明晰菊芋块茎休眠与解除过程中的代谢通路与关键基因，并开展基因功能验证，进而初步阐释其休眠的分子调控机制。因此，本研究将为通过物理化学和分子生物学手段调控菊芋块茎休眠奠定理论基础，同时，也将进一步丰富和深化植物块茎休眠机制的研究，对菊芋块茎的优质高效生产提供重要的理论依据。

菊芋（Helianthus tuberosus L.）是一种多倍体（2n=6x=102）无性繁殖作物，一般以根部匍匐茎上产生的块茎作为营养器官繁殖。与马铃薯、甘薯和萝卜等根茎类作物不同，菊芋块茎可以耐受-30℃左右的严寒正常休眠翌年发芽。菊芋在青藏高原由于其优异的抗寒性和耐受性，逐渐成为一种饲草料和生态改良的多功能型作物。为探究菊芋独特的休眠特性，我们探究了休眠期间菊芋的生理变化特性，从果聚糖聚合度解聚、果聚糖和其他单糖双糖变化规律及变化趋势之间的相关性方面解释菊芋在休眠期间的碳水化合物供给特征，高聚糖在休眠过程中充当调节源的作用，通过解聚分解为菊芋正常休眠提供代谢能量。结合环境因子和激素变化分析引起菊芋块茎休眠的主要因子，其中环境温度和内源性GA和休眠特征显著相关。基于DIA测序技术的结果表明差异蛋白集中于碳水化合物代谢、响应环境压力及激素代谢通路，其中伴侣蛋白CLPB/HSP、果聚糖合成基因1-SST/1-FFT、蔗糖合成酶SS/SUS等为主要差异蛋白。根据差异蛋白组分析我们构建string互作结果，并将这些差异蛋白确定为菊芋块茎休眠的标志物。 差异蛋白对应的转录本数据揭示了mRNA指导合成蛋白过程中可能存在抑制翻译效应，进而通过miRNA数据来分析造成丰度不同步可能由miR156、miR157、miR479等靶向调节翻译进程造成。关联分析结果表明miRNA-mRNA-蛋白质调控途径在菊芋的休眠中发挥了重要作用，它们共同调节了碳水化合物和激素代谢通路从而维持休眠的正常进行。通过转录因子分析筛选出与菊芋休眠相关的23个MADS-Box基因。这些基因经过与已知休眠基因的聚类分析后被分为10大类，基序结构高度保守。GO分类结果表明，这些候选基因大都具有相似的生物学功能。最后，为了鉴定菊芋休眠相关基因，我们克隆并分析了菊芋块茎休眠过程中MADS-Box的动态表达结果，发现10个MADS-Box基因在菊芋块茎休眠过程中起到重要的调控作用。综上研究结果为块茎类作物耐贮性的原理解析、产业中果聚糖易分解以及块茎商品性降低提供理论依据的支撑，同时可为人为调控菊芋块茎的生产期提供技术支持。