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开花时间是植物生长的适应性状,它直接关系到植物在特定环境下繁殖的成功。开花时间的调控是一个复杂而有序的网络,这一机制在模式植物拟南芥中的研究最为透彻。荠菜是拟南芥的近缘种,因而能够有效利用拟南芥的遗传信息来探讨其开花时间的调控机制。本研究对来自中国各地37个居群的387个荠菜个体进行开花时间观察记录,发现这些个体以早开花生态型为主,约80%的个体开花时间都在75天以内。开花时间呈纬度梯度变异(r=0.341,P<0.01),纬度较低个体的开花时间比纬度较高个体早。通过比较分析荠菜开花时间和地理位置以及气候数据的关系发现,东部地区的荠菜个体主要受纬度因素影响,如温度、光周期等;西北部地区的荠菜个体主要受温度和冬季降水影响,在冬季极端寒冷和干燥的地方,荠菜的开花时间较早,这可能是为了回避极端的环境;西南地区个体均为早开花。因此,荠菜早开花为了适应温暖湿润或极端寒冷干燥的气候,晚开花为了适应相对干燥寒冷的气候。
通过对28个居群共56个个体的5个背景基因ATIG03560、AT2G20470、Alcoholdehydrogenase(Adh)、LOS2、PISTILLATA(P/)和2个候选基因FLOWERINGLOCUSC(FLC)、FRIGIDA(FRI)的序列分析发现,它们的核苷酸多样性水平(π:0.00000-0.00098;θw:0.00000-0.00160)和单倍型多样性水平(Hd:0.000-0.455)都很低,显示荠菜在中国的有效居群大小很小,这可能是跟荠菜起源狭窄和居群近期快速扩张有关。中性检测显示大多数位点的TajimasD值和Fu&LisD值都为负值,反映荠菜在扩散到中国的过程中可能经历过居群大小变化历史。多位点联合HKA检测得到不显著的X3,说明这些位点的种内多态和种间分化比值一致,可能曾受到居群大小波动影响。通过STRUCTURE对多态的背景基因的遗传结构推断得出K=1,说明这些个体不存在遗传分化。
FLC和FRI是拟南芥开花时间自然变异的主要因素,FLC的表达能够抑制开花,而FRI的表达能够促进FLC表达从而抑制开花,晚开花生态型必须同时具备活性FLC和活性FRI,本研究对荠菜FLCexon3-5和FRIexon1进行了序列测定。在FLC中发现有4种变异能够改变其编码的蛋白质结构,其中两种是外显子区域的缺失,另外两种是可变剪切,这些变异的个体分布在一定的地区。通过对这些个体的FLCcDNA测定发现,这四种变异分别对应于4种开放阅读框被破坏的FLCcDNA类型b、c、d、e,a为活性FLC。其中大多数个体都为a型,b型分布在西北地区4个早开花居群LZh、HSW、XN、URMQ中,c、d、e型分布在纬度最低的5个早开花居群中(c:KMB,GY;d:HY,CSh;e:BL)。此外,在b、c、d、e四种类型中都只检测到FLC的其中一个部分同源位点,而在a型中能同时检测到FLCA和FLCB。FLC编码一个MIKC型的MADS蛋白,通过对蛋白质功能结构域的预测发现,b、c、d、e四种类型在K-box或C端结构域有缺失,因而会影响蛋白质的相互作用,减弱FLC对下游花分生组织决定基因的抑制作用而促进开花。FLC对荠菜的开花时间具有重要影响意义,而FRI的序列变异则与开花时间联系不大,在56个个体中,只发现3个个体的FRI编码区发生改变,这些改变是否与开花时间相关也未知。研究荠菜开花时间的遗传基础对研究非模式物种的开花调控具有重要意义,并提供了初步参考价值。