LED光质对药用植物槲蕨配子体性别分化的调控机制研究

Due to the huge demand for Drynaria roosii, the main source of the Chinese traditional medicine “Gu-Sui-Bu”, the D. roosii wild resources is becoming increasingly over-exploited. Therefore, establishing artificial breeding and propagation technology of D. roosii has become bottleneck of the sustainable use of D. roosii. Here, we focus on some key questions to analyze how the light quality affect the sex differentiation of D. roosii gametophytes during artificial propagation: (1) Morphological and structural features of gametophytes and sexual organs. (2) Light quality influence on gametophyte structure and sexual expression. (3) Synthesis/secretion or perception of antheridiogens as well as expression of protein in response to different light quality. Observation and analysis will be carried out by combining conventional light microscopy, electron microscopy, nuclear magnetic resonance, preparative liquid chromatography system and mass spectrometry, with an aim to reveal the regulatory mechanism for light quality on sexual differentiation of D. roosii gametophytes. The present study may provide deeper insight into the mechanism for sexual determination of ferns, thereby playing important roles in establishing the propagation technology system for large scale production of D. roosii.

槲蕨是我国传统中药材，是骨碎补商品的主要来源，由于需求量大而人工栽培技术相对落后，导致野生槲蕨资源日益枯竭。因此，建立槲蕨的快速繁育技术体系已经成为中药骨碎补产业化发展的瓶颈。本项目围绕槲蕨人工繁殖中的关键问题，即光质如何影响槲蕨配子体的性别表达，进行以下研究：(1)槲蕨配子体发育及性器官发生过程中的关键结构特征；(2)光质处理引起槲蕨配子体的形态结构和性别表达方式的变化；(3)槲蕨配子体感应和分泌成精子囊素的能力与差异蛋白表达对不同光质的响应。上述研究将采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、核磁共振、制备液相色谱系统、质谱分析等技术，旨在揭示光质对槲蕨配子体性别分化的调控机制。研究结果对深入阐明蕨类植物的性别决定机制具有重要的科学意义，为建立骨碎补原料植物槲蕨人工育种与繁殖技术产业化体系提供支撑。

槲蕨是我国传统中药材，是骨碎补商品的主要来源，由于需求量大而人工栽培技术相对落后，导致野生槲蕨资源日益枯竭。因此，建立槲蕨的快速繁育技术体系已经成为中药骨碎补产业化发展的瓶颈。本项目通过对槲蕨配子体发育和性器官形成的观察发现，槲蕨配子体为雌雄同体，性器官混生于配子体背腹面中肋上，颈卵器内部有一个卵细胞、一个腹沟细胞和一个具有双核的颈沟细胞，成熟卵细胞外有双层卵膜。精子器内的精原细胞经过有丝分裂形成精母细胞，后者经过核浓缩形成精细胞，精子具有鞭毛，呈逆时针旋转，在水的作用下通过受精孔进入卵细胞受精。LED光质处理可明显改变槲蕨配子体性器官的分化，处于性别分化阶段的配子体对LED光质的处理效应更敏感。LED红光和LED蓝光产生相反的处理效果，前者促进精子器的发育，导致群体中雄配子体的比例明显上升，后者促进颈卵器的发育，并提高群体中雌配子体的比例。对配子体生理生化水平的检测发现红光使配子体光合作用减弱，线粒体活性增强，呼吸速率升高，增加ROS的合成积累，使配子体处于能量缺损的逆境状态。而LED蓝光处理并未对槲蕨配子体造成逆境。对不同光质处理的配子体进行转录组测序，差异表达基因的分析结果表明，LED红光促进光合作用相关基因的转录表达，抑制呼吸作用相关基因的转录表达，使抗氧化相关基因表达上调，而LED蓝光的影响恰恰相反。运用WGCNA方法将光质诱导的差异表达基因聚类，结合KEGG通路分析发现，有5个模块与特定样品显著相关，且基因主要富集于能量代谢类群。利用系统能量代谢相关基因和转录因子基因，构建了8个基因共表达网络，发现这些基因间存在复杂的相互关系，并筛选了应答不同光质信号的能量代谢关键基因。以上研究结果揭示了槲蕨配子体性器官的分化规律，探索了槲蕨配子体的性别分化对不同LED光质处理的响应机制，有助于阐明蕨类植物的性别决定机制，而且为进行濒危蕨类植物的人工繁育提供了理论基础。