甘肃野生草地早熟禾无融合生殖胚发生的分子遗传机理研究

Kentucky bluegrass (Poa Pratensis L), a quality species of turfgrass with reproduces frequently in facultative apomixes, which is an ideal way for stable inheritance of heterosis without segregation. It is necessary to clear genetic mechanism of apomixes. In this project, the apomictic ecotypes of wild Kentucky bluegrass (KBG) in Gansu province will be used as material. The various embryo types of KBG were characterized based on morphological comparison, embryological observation and imaging identification technique during the process of apomixes initiation. With the help of RNA-seq, RT-PCR、RT-qPCR and bioinformatics analysis, the apomictic-related genes or transcription factors will be explored, as well as the sequence signature and expression pattern of these genes will be characterized. The relationship between the pathway of genetic information and functional traits of apomixis will be verified and molecular basic of apomixis embryogenic cytology will be clarified with carrying out the project. In addition, the identification method of reproduction mode of Kentucky bluegrass could be determined, as well as the pathway of genetic information and the expression level of apomictic-related genes will be verified. The genetic mechanism of apomixes among wild Kentucky bluegrass in Gansu province will be revealed as a result of performing this project, which could be the research basis for obtaining the new cultivars with heterosis and stably propagate to the next generation through apomictic mode. Therefore, this project is significant and valuable in scientific research.

草地早熟禾常以兼性无融合生殖方式进行繁殖，无融合生殖是杂种优势稳定遗传而不发生分离的理想途径。本项目以甘肃野生草地早熟禾各种无融合生殖生态型为材料，采用生物显微技术和图像辨识手段了解甘肃野生草地早熟禾无融合生殖发生过程中的各种胚型的形态和发育特征；借助RNA-seq高通量测序、RT-PCR、实时荧光定量PCR（RT-qPCR）及生物信息学分析技术，通过转录组比较分析，发掘与无融合生殖相关的特异表达基因和转录因子，掌握无融合生殖性状相关主控基因的序列特征和表达情况；通过本项目的实施可探明无融合生殖方式中分子遗传信息表达与功能性状建成之间的相关性，明确无融合生殖胚胎发生的分子基础，揭示甘肃野生草地草地早熟禾植物无融合生殖发生的分子遗传机制；确定无融合生殖方式的鉴定方法。为最终通过无融合生殖方式育成稳定遗传的杂种优势新品种奠定研究基础，具有重要的科学意义和研究价值。

无融合生殖是一种不同于有性生殖的特殊的种子生殖过程，其机制非常多样化。草地早熟禾作为自然的无融合生殖物种，其遗传控制是复杂的，且不完全清楚的。因此，本研究以甘肃野生草地早熟禾为材料，首先明确了多胚苗与无融合生殖之间的关系；其次观察了两种生殖方式下，雌雄配子体、胚、胚乳及种子形成的异同，进而统计出每个野生种质材料的无融合生殖率；然后掌握了不同无融合生殖率的种质在花序的发育过程中内源激素含量及平衡之间的动态变化；最后以无融合生殖率具有显著差异的种质进行转录组分析，并筛选出调控无融合生殖的候选基因，阐明了甘肃野生草地早熟禾无融合生殖方式发生的分子遗传机理和特点。取得的主要研究结果有：（1）甘肃野生草地早熟禾种质材料的多胚苗率为0～15.29%，其中最高的是陇南，最低的是甘南；（2）无融合生殖率最高的是陇南，为71.04%，其后定西为68.58%，最低的为甘南，仅11.2%，其他种质的无融合生殖率差距比较小，在42%～58%之间；（3）高的ZT、ZR含量和低的ABA含量、高的（ZT＋ZR）／IAA和（ZT＋ZR）／ABA更有利于草地早熟禾内胚珠向无融合生殖途径发育，如果想得到无融合生殖率高的草地早熟禾种质，可以在生产实践上喷施相关外源激素来提高草地早熟禾的无融合生殖率，这在农业生产上将会有重要的意义;（4）具有高无融合生殖率的甘肃野生草地早熟禾无融合生殖胚的发生发育，与有性生殖相关基因在时间和空间表达上的变化具有相关性，导致有性生殖障碍，无融合生殖活跃。在转录水平上，无融合生殖的发生和发育受到多转录因子的调控，许多与减数分裂紊乱、激素信号/应答基因、胚胎发育和表观遗传相关的基因共同参与无融合生殖性状发生的调控。本研究明确了鉴定草地早熟禾无融合生殖的细胞胚胎学方法，掌握了控制甘肃草地早熟禾无融合生殖胚形成的调控因子和关键候选基因，为揭示草地早熟禾无融合生殖发生发育的分子遗传机制提供了更全面的认知所需的基础理论数据，具有重要的科学意义和应用价值。