植物激素和糖类在调控小桐子花性别分化过程中的相互作用及其分子机理

Jatropha seed content is about 30-40% oil, which is an ideal feedstock for producing biodiesel and bio-jet fuels. Jatropha is one of the most promising energy plants. However, Jatropha plants have very low proportion of female flowers (3-7%), which results in the low seed yield observed. Jatropha seed production is low, and unable to meet the needs of the industry. We found that the plant growth regulator cytokinin and gibberellin treatments can induce bisexual flowers and asexual flowers. Cytokinin treatment significantly increased seed yield by increasing the proportion of female flowers. Sucrose treatments can also induce bisexual flowers. This project aims to use gene chip, and high-throughput transcriptome sequencing and real-time quantitative PCR technologies to analysis the gene expression profiles of cytokinin and gibberellin and sucrose. After treatments with cytokinin, gibberellin, and sucrose, the expression profiles of genes involved in cytokinin, gibberellin and sugar signal transduction pathways and their downstream targeting genes will be investigated to identify the key functional genes for controlling the transition from the vegetative growth to the reproductive growth of Jatropha, and genes involved in the flower bud differentiation and sex determination of Jatropha. The identified functional genes will be useful for generating superior varieties of high-yielding transgenic Jatropha.

小桐子的种子含油率高(30-40%)、油脂组成适合于生产生物柴油和生物航空燃油,是一种最具潜力的能源植物之一。但小桐子是雌雄同株异花植物，雌花的比例只有约3-7%，结果数量少、种子产量低、无法满足产业发展需求。我们前期研究发现采用细胞分裂素处理小桐子可以诱导产生两性花和无性花、提高雌花比例、显著增加种子产量。同时赤霉素处理小桐子也能诱导产生两性花和无性花，但蔗糖处理只能产生两性花。本项目拟在此基础上进一步采用基因芯片、高通量转录组测序和实时荧光定量PCR等技术，在基因组水平上比较分析细胞分裂素、赤霉素和蔗糖处理前后以及一个只开雌花的突变体小桐子基因表达谱的变化，鉴定候选功能基因并研究它们的时空表达模式与诱导表达特性，采用转基因超量表达和基因沉默的方法分析验证候选功能基因的确切功能；阐明细胞分裂素、赤霉素和蔗糖调在调控小桐子花性别分化过程中的相互作用及其分子机理，为培育高产的转基因小桐子优良品种奠定基础。

小桐子的种子含油率高、油脂组成适合于生产生物柴油和生物航空燃油,是一种最具潜力的能源植物之一。但小桐子是雌雄同株异花植物，雌花的比例只有约3%-7%，结果数量少、种子产量低、无法满足产业发展需求。我们前期研究发现采用细胞分裂素BA处理小桐子可以诱导产生两性花和无性花、提高雌花比例、显著增加种子产量；同时采用赤霉素(GA)处理小桐子也能诱导产生两性花和无性花，但采用蔗糖处理只能产生两性花。本项目在此基础上进一步采用基因芯片、高通量转录组测序和实时荧光定量PCR 等技术，在基因组水平上比较分析细胞分裂素和赤霉素处理前后以及一个雄花退化的突变体小桐子基因表达谱的变化，鉴定与花性别分化相关的候选功能基因，并研究它们的时空表达模式与诱导表达特性，采用转基因超量表达和基因沉默的方法分析验证候选功能基因的确切功能；阐明细胞分裂素(CK)和GA在调控小桐子花性别分化等生长发育过程中的相互作用及其分子机理。研究结果表明BA处理能够显著下调小桐子中一个与玉米TASSELSEED2（TS2）同源的基因JcTS2的表达，该基因编码一个短链乙醇脱氢酶，控制玉米雄花序中雌蕊的败育; BA可能通过抑制小桐子中JcTS2的表达来促进雌蕊发育，从而增加雌花和两性花的数量。但在雄花退化的突变体小桐子花序中JcTS2的表达量显著高于野生型，因而其在小桐子花性别决定中的作用需要进一步探讨。采用雌花特异性表达启动子JcTM6超量表达CK合成酶基因IPT，两性花的比例与IPT的表达量成正比，高表达株系的花序上全部是两性花。但在超量表达GA合成酶基因JcGA20ox1以及超量表达GA降解酶基因JcGA2ox6的转基因小桐子花序中，花性别比例没有发生显著的变化。已经将CK与GA代谢酶基因转基因植株进行杂交，将进一步分析杂交后代花序中花性别比例的变化，深入了解CK与GA相互作用对小桐子花性别分化调控作用的分子机理。