睡莲种间杂交生殖障碍的细胞与蛋白质组学研究

Reproductive barriers often exist in some crosses of water lily and serious result in low seed set，consequently reducing breeding efficiency. We found that pre-fertilization barrier is one of the main reasons leading to the low seed set in the cross breeding of water lilies, but so far the mechanism is not clear, which seriously affected the utilization of the germplasm resources and breeding efficiency. Based on previous research, the pre-fertilization barriers of interspecific hybridization in water lily were investigated using proteomics and cytological techniques, aiming at elucidating the causes of interspecific hybridization of water Lily pre-fertilization barriers from the protein level, and to take effective measures to overcome the pre-fertilization barriers and provide the theoretical basis for water Lily Germplasm innovation. Therefore, this study is of great scientific significance and important application value.

睡莲(Nymphaea)种间杂交生殖障碍的存在导致杂交失败，严重影响了睡莲的育种效率。我们研究发现，受精前障碍是睡莲种间杂交生殖障碍的主要原因之一，但迄今为止其机理仍不清楚，从而严重影响睡莲优异种质资源的利用和育种效果。为此，本项目针对睡莲种间杂交中受精前障碍的问题，基于我们已有的研究工作基础，拟通过蛋白质组学及细胞学等技术开展此项研究，旨在从蛋白质水平上阐明睡莲种间杂交受精前障碍的原因，为采取有效措施克服受精前障碍以及进行睡莲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。

在耐寒睡莲与热带睡莲的跨亚属杂交过程中，育种者经常遇到杂交结实率差甚至不结实的问题，严重影响了热带睡莲优良性状向耐寒睡莲转移，为此有必要对这一问题进行深入研究。重点开展以下研究内容：（1）从生殖生物学层面，开展花粉生活力、花粉与柱头互作、胚胎和胚乳发育系统性研究，明确影响杂交结实率的主要因素。（2）确定杂交障碍的原因后，开展转录组学和蛋白质组学研究，进一步明确其机制。结果表明：（1）在‘彼得’×蓝星和‘彼得’×小花2个杂交组合中，与‘彼得’自交授粉相比，从授粉后2 h至24 h萌发的花粉粒数量大幅度减少，观察到花粉管在柱头上异常生长（花粉管分叉、卷曲等）。此外，在‘彼得’×澳洲巨花睡莲杂交组合中，大部分柱头上出现了杂交不亲和现象，即授粉后柱头表面、花粉和花粉管周围充满大量胼胝质，可能阻止了花粉的萌发和花粉管的生长，使花粉管难以进入子房完成受精。此外，在‘彼得’×蓝星、‘彼得’×小花2个杂交组合中，只有3.5%和3.7%的子房中具有正常的球形胚胎。‘彼得’×澳洲巨花睡莲杂交授粉后未观察到胚胎。以上结果表明受精前障碍可能是导致睡莲种间杂交失败的主要原因。（2）利用利用转录组学技术研究了杂交授粉柱头0 h、2 h和6 h后的基因表达水平。2 h vs 0 h、6 h vs 2 h和6 h vs 0 h比较组中差异基因的数量分别为8789个（4680个上调）、6401个（3020个上调）和11284个（6148个上调）。利用Label-free蛋白质组学技术分析了其蛋白质组的变化，共鉴定出3176个蛋白质。对鉴定的蛋白质数据进行统计学分析后，2 h vs 0 h、6 h vs 2 h和6 h vs 0 h比较组中差异蛋白质的数量分别为75个（43个上调）、9个（3个上调）和90个（52个上调）。GO和KEGG富集分析表明，差异基因和差异蛋白质主要参与细胞壁组织或生物发生、S-腺苷甲硫氨酸（SAM）代谢、过氧化氢分解和代谢、活性氧（ROS）代谢、次生代谢，次级代谢产物生物合成和苯丙烷生物合成。本项目从细胞学和分子生物学层面上加深了对睡莲花粉与雌蕊亲和性低的机制的认识，为今后克服睡莲受精前障碍提供了理论依据。