利用转录组测序技术挖掘调控紫薇株高性状的关键基因

Plant height is one of the most important traits of plant architecture which modulate many economic and ornamental traits. To elucidate the molecular mechanism of plant height, and to excavate the key genes modulating plant height of Lagerstroemia, the dwarf and standard seedlings from the F1 population of L. faurei (standard)×L.'Pocomoke'（dwarf）were used for transcriptome sequencing to screen and identify differentially expressed genes between standard and dwarf plants. The phenotypic traits, shoot anatomic structure, and endogenous hormones' content were investigated, while the effects of exogenous hormones and their anti agents on the standard and the dwarf plants were analyzed to determine the hormones regulating the plant height of Lagerstroemia. Combining transcriptome analysis, the key candidate genes modulating plant height were identified and cloned, and then the function of those genes was confirmed through transforming Nicotiana tabacum. The real-time qPCR and RNA in situ hybridization were used to analyze the genes expression, and the genes were located on the genetic map of Lagerstroemia. The results will improve the breeding technique for ideal plant architecture, and will provide new information to the research on the molecular mechanism of plant architecture of woody plants.

株高是木本观赏植物最重要的株型性状之一。为了阐明紫薇株高性状形成的机制，挖掘调控株高性状的关键基因，本研究采用已获得的屋久岛紫薇（Lagerstroemia faurei）（高）×紫薇品种L.'Pocomoke'（矮）杂交F1群体中的普通型和矮生型株系为试材，进行转录组测序；测定两种株型紫薇的表型性状、解剖结构、内源激素含量，并分析外源激素及其结抗剂对株高生长的影响，确定与株高性状密切相关的激素种类；利用转录组数据分析控制紫薇株高性状相关的激素合成基因及其调控网络，确定调控紫薇株高性状的候选关键基因，并进行克隆及功能验证；利用荧光定量PCR技术、RNA原位杂交技术等分析调控株高性状基因的表达规律，并将这些基因定位到紫薇遗传连锁图谱上。研究结果对定向培育不同株型的紫薇品种具有重要指导意义，也将为木本植物株高性状分子调控机制的研究提供重要的理论依据。

株高是植物最重要的株型性状之一，对观赏植物的外形表现和园林应用具有重要影响。但是，木本植物株高性状形成的遗传规律及其调控机制至今仍不清晰。本研究以屋久岛紫薇（Lagerstroemia fauriei）（高大）和紫薇品种‘Pocomoke’（L. indica ‘Pocomoke’）为亲本，利用6个世代群体进行了遗传规律分析，发现株高、节间长度、一级分枝点高度变异程度较高，节间长度适合在早代选择；利用SLAF-seq技术筛选出3个与矮化性状紧密连锁的SNP标记，以双标记组合选择时，关联准确率高达90%；利用转录组数据大规模开发EST-SSR标记，对收集的73份紫薇材料进行了群体遗传学分析，构建了紫薇核心种质资源库。以BC2为材料构建了紫薇遗传图谱，复合区间作图分析检测到8个QTL，其中与株高相关的有3个。以F1群体中普通型和矮生型株系为试材，对比了表型、茎段细胞模式（细胞数目和细胞大小）、内源激素含量，并分析了外源激素对株高生长的影响，认为节间长度是株高变化的主要因素，节间长度受细胞数目和细胞长度共同影响，生长素通过影响紫薇茎顶端分生组织中细胞分裂及随后的细胞伸长调控细胞数目和细胞长度，赤霉素4（GA4）对细胞伸长也具有调控作用；外源激素处理试验表明，GA4并非调控紫薇株高的直接作用激素，它可能部分拯救了矮生型紫薇中存在缺陷的生长素调控通路，增加了矮生型紫薇节间细胞数目和细胞长度。结合两种株高紫薇转录组分析，挖掘了激素通路、细胞分裂及细胞扩展相关的差异基因，对生长素转运及信号转导通路上的差异表达基因和3个CYCD基因、2个TCP转录因子进行了克隆、生信和表达模式的分析，认为其中11个基因是参与紫薇株高调控的关键基因，并对LfiCYCY3;1进行转基因功能验证。研究结果为阐明木本植物株高性状分子调控机制提供了理论依据，对进一步开展分子标记辅助选择，定向培育不同株高的紫薇品种具有重要指导意义。