菊花远缘杂交胚胎败育的分子机理研究

菊花原产中国，是我国十大传统名花、世界四大切花和十大盆花之一，在花卉生产中占有十分重要的地位。目前，国内菊花品种高达数千个，但多数观赏性状优良的品种各种抗性较差，而多数近缘种属的野生资源中却含有许多栽培菊品种所缺乏的优良性状，为此运用栽培品种与野生资源进行远缘杂交的方法将是改良菊花抗性的有效途径。然而，已有研究表明，菊花远缘杂交中经常遇到各种生殖障碍，其中杂交后的胚胎大量败育则是最为常见的现象，但迄今为止有关胚胎败育的机理仍不清楚，从而严重地影响菊花野生资源的利用和育种效果。为此，本项目针对菊花远缘杂交中胚胎败育的问题，基于我们已有的研究工作基础，拟通过蛋白质组学与分子生物学等技术开展此项研究，旨在从分子水平上阐明菊花远缘杂交中胚胎败育的原因，为采取有效措施克服胚胎败育以及进行菊花种质创新提供理论依据。因此，本项研究具有较高的科学意义和重要的应用价值。

菊花是我国十大名花和世界四大切花之一，在花卉生产中占有十分重要的地位。目前，国内菊花品种高达数千个，包括盆栽菊、地被菊、切花菊、造型菊等。地被菊多用于园林绿化，栽培管理较粗放，需要有很高的适应性，但多数观赏性状优良的品种对栽培条件要求较高，抗性较差，严重限制了其应用范围和美化效果。目前，运用种间，甚至属间杂交，将菊属及其近缘种属中的优良性状导入栽培菊是提高菊花抗性的最有效途径之一。然而，菊花远缘杂交中经常遇到受精前和受精后障碍，导致远缘杂交结实率低，其中受精后胚胎败育是导致菊花远缘杂交失败的主要原因之一，且目前对于菊花胚胎败育的研究主要集中在形态结构、组织化学等方面，很少从基因、蛋白等分子生物学方面开展研究。.本项研究通过对远缘杂交后的菊花正常和败育胚胎开展了转录组和蛋白质组学研究，一共获得68000个注释基因和700个蛋白。对基因和蛋白的功能分析表明，有140个差异表达的基因和41个差异表达的蛋白参与了菊花的胚胎败育。在败育胚胎中，参与细胞死亡、蛋白质降解、活性氧的清除以及胁迫响应的基因和蛋白显著上调；相反，涉及细胞分裂和生长、细胞骨架、蛋白质合成及能量代谢的基因和蛋白在败育胚胎中的表达量却显著降低。此外，对菊花胚胎败育过程中Caspase活性的检测发现，Caspase-4、Caspase-6、Caspase-9的活化程度最高，这些结果表明，菊花胚胎败育可能于程序性细胞死亡或细胞凋亡相关，能量代谢减慢、细胞生长缓慢、细胞骨架降解、蛋白质降解等这些生物学活动都促成了细胞的衰老和死亡，进而引起胚胎败育。.此外，通过对正常和败育胚胎的小RNA研究发现，有228个miRNA在菊花胚胎发育过程中差异表达，在18天正常和败育胚胎中，共有69个差异表达的miRNA。此外，共预测到1037个靶基因，并根据转录组数据库进行了注释，发现与代谢途径相关的靶基因数量最多。在这些靶基因中，有52个与菊花胚胎败育相关，其中包括31个转录因子和21个功能基因。GO注释还表明，较多的miRNA靶基因在细胞过程和代谢过程中参与转录调控和胚胎发育。.本项研究从转录组学、蛋白质组学以及miRNA等分子水平上增加了我们对菊花胚胎败育的认识，获得的结果将为进一步研究菊花胚胎败育相关基因的作用机制与功能、以及miRNA的生物功能提供了重要基础。此外，研究结果也将为其他花卉杂交中胚胎败育研究提供重要理论参考。