乙烯誘導(dǎo)水仙成花相關(guān)代謝物和基因的篩選與分析

何炎森, 李瑞美, 李和平

乙烯誘導(dǎo)水仙成花相關(guān)代謝物和基因的篩選與分析

何炎森, 李瑞美, 李和平

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所，福建 漳州 363005)

為了解乙烯誘導(dǎo)水仙(var.)成花的生理和分子機(jī)制，利用代謝組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，篩選乙烯誘導(dǎo)水仙成花的差異表達(dá)代謝物和基因。結(jié)果表明，乙烯處理的側(cè)芽檢測(cè)到12個(gè)差異表達(dá)代謝物(DEM)，包括7個(gè)上調(diào)，5個(gè)下調(diào)，其中，(±)7-表茉莉酸、多巴胺、亞精胺可能與乙烯誘導(dǎo)水仙成花正相關(guān)，而吲哚及其衍生物呈負(fù)相關(guān)。轉(zhuǎn)錄組共獲得1 021個(gè)差異表達(dá)基因(DEG)，包括615個(gè)上調(diào)，406個(gè)下調(diào)，在DEG中鑒定篩選了45個(gè)與乙烯信號(hào)傳導(dǎo)和開(kāi)花相關(guān)的差異表達(dá)基因。乙烯誘導(dǎo)水仙成花啟動(dòng)可能先激活水仙鱗莖內(nèi)源植物激素(尤其乙烯)信號(hào)通路的變化，與開(kāi)花促進(jìn)基因和的上調(diào)表達(dá)密切相關(guān)。9個(gè)基因的qRT-PCR結(jié)果驗(yàn)證了RNA-Seq的正確性。這些差異表達(dá)的代謝物和基因在水仙成花啟動(dòng)過(guò)程中可能具有重要作用。

水仙花；乙烯；成花誘導(dǎo)；轉(zhuǎn)錄組；代謝組；基因表達(dá)

水仙花(var.)為石蒜科(Amaryllidaceae)水仙屬多年生草本球根花卉，是中國(guó)傳統(tǒng)名花，極具觀賞價(jià)值。水仙花雕刻品是以每粒鱗莖的花枝數(shù)來(lái)分等級(jí)，花枝數(shù)越多，等級(jí)越高，每支花的單價(jià)也越高[1]。為了提高經(jīng)濟(jì)效益, 市面上銷售的水仙鱗莖球基本上全部經(jīng)過(guò)乙烯利熏蒸催花處理。外源乙烯(ethylene, C2H4)對(duì)許多觀賞植物和果樹(shù)的開(kāi)花有明顯的促進(jìn)作用[2]，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。外源乙烯誘導(dǎo)水仙成花的研究主要在乙烯熏蒸處理時(shí)間、濃度、環(huán)境條件和效果等方面[3–4]，相關(guān)機(jī)理研究較少。申艷紅等用外源乙烯處理整個(gè)鱗莖球，提高了可溶性糖、蛋白質(zhì)、吲哚乙酸、玉米素含量和過(guò)氧化物酶活性，篩選到31個(gè)成花相關(guān)基因[5]。外源乙烯誘導(dǎo)水仙成花的生理基礎(chǔ)和分子機(jī)制的研究還亟待發(fā)展完善。

中國(guó)水仙必須經(jīng)歷‘芽仔’、‘鉆仔’和‘種仔’階段，栽培3 a后才成為商品球，自然條件下不能成花的水仙鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽可以被外源乙烯誘導(dǎo)成花。在生產(chǎn)實(shí)踐上，花農(nóng)判定水仙催花處理成敗在于鱗莖母球內(nèi)部的最外側(cè)芽是否被誘導(dǎo)成花。本研究以中國(guó)水仙‘金盞銀臺(tái)’鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽為研究對(duì)象，利用高通量轉(zhuǎn)錄組和廣泛靶向代謝組測(cè)序技術(shù)，從生理代謝和分子層面分析外源乙烯處理對(duì)代謝物及基因表達(dá)的影響，篩選乙烯誘導(dǎo)水仙成花的關(guān)鍵代謝物和基因，為乙烯誘導(dǎo)水仙成花機(jī)理的深入研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

中國(guó)水仙(var.)‘金盞銀臺(tái)’鱗莖球來(lái)源于福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)基地。同批次“種仔”閹割后種植在相同田塊，從收獲的3 a生鱗莖球中，選擇健康、排花狀、主鱗莖圍徑(21±0.5) cm的鱗莖球共200粒，隨機(jī)分成2組各100粒，裝于竹框內(nèi)。一組放到花農(nóng)倉(cāng)庫(kù)與3萬(wàn)多粒水仙花球同時(shí)進(jìn)行乙烯利熏蒸處理[分別于7月23和26日各處理1次，便攜式乙烯報(bào)警儀(PGD3-C-C2H4)測(cè)得處理過(guò)程倉(cāng)庫(kù)內(nèi)乙烯氣體質(zhì)量濃度為1 250～2 500 mg/m3]，然后自然室溫貯藏；另一組無(wú)乙烯處理，自然室溫貯藏為對(duì)照。在催花處理后(7月27日)，對(duì)水仙鱗莖球進(jìn)行解剖取樣，鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽的樣品包含芽點(diǎn)和部分鱗莖盤(pán)，取樣部位如圖1。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，同時(shí)取樣2份。有無(wú)乙烯處理的最外側(cè)芽(lateral bud)分別標(biāo)記為EL和L。所有樣品液氮速凍后裝入塑料袋內(nèi)，存于–80 ℃冰箱備用。

圖1 水仙鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽取樣部位

1.2 石蠟切片觀察

7月15和30日分別取最外側(cè)芽，分別標(biāo)記為L(zhǎng)0715、L0730和EL0730。參考方舟[6]的方法制作石蠟切片, 對(duì)頂端生長(zhǎng)點(diǎn)組織進(jìn)行縱切面切片和電鏡觀察。

1.3 轉(zhuǎn)錄組、代謝組測(cè)序及數(shù)據(jù)分析

委托廣東基迪奧生物技術(shù)有限公司進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜分析代謝物。運(yùn)用生物信息學(xué)技術(shù)和方法，對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理、序列比對(duì)、基因及基因組的注釋、基因表達(dá)分析等。運(yùn)用Analyst1.6.3及Mutiaquant軟件分析代謝物質(zhì)譜數(shù)據(jù)，利用廣東基迪奧生物技術(shù)有限公司自建的代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)定性代謝物。以錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate, FDR)<0.05且兩樣品(組)間表達(dá)量的比值(fold change, FC)以2為底的對(duì)數(shù)值的絕對(duì)值(|log2FC|)>1為標(biāo)準(zhǔn)篩選轉(zhuǎn)錄組的差異表達(dá)基因(differrentially expressed gene, DEG)，以O(shè)PLS-DA中VIP≥1且|log2FC|>0.5為標(biāo)準(zhǔn)篩選代謝組的差異表達(dá)代謝物(differentially expressed metabolites, DEM)。

1.4 qRT-PCR分析

選擇9個(gè)側(cè)芽差異表達(dá)基因(表1)，以基因(Unigene0067272)作為內(nèi)參，采用qRT-PCR檢測(cè)基因表達(dá)水平，3次生物學(xué)重復(fù)，這些差異基因的表達(dá)譜與RNA-Seq結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 乙烯處理對(duì)水仙成花的影響

水仙花芽分化時(shí)間與品種特性有關(guān)，也受外界環(huán)境氣候條件影響。漳州花農(nóng)通常在7月15—30日(大暑節(jié)氣前后1周)對(duì)水仙進(jìn)行催花處理。對(duì)水仙鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽縱切面觀察(圖2)，7月15日,最外側(cè)芽(L0715)的頂端分生組織呈圓丘狀，處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期；7月30日，沒(méi)有經(jīng)過(guò)乙烯處理的最外側(cè)芽(L0730)仍處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期，而經(jīng)過(guò)乙烯處理的最外側(cè)芽(EL0730)的頂端分生組織已經(jīng)形成凹凸面，進(jìn)入花序原基形成期，這是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化的標(biāo)志[7], 說(shuō)明外源乙烯可誘導(dǎo)水仙鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽的成花啟動(dòng)。

表1 qRT-PCR分析的9個(gè)基因和引物

圖2 水仙鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽縱切面。L0715: 7月15日無(wú)乙烯處理; L0730: 7月30日無(wú)乙烯處理，EL0730: 7月30日乙烯處理。

2.2 代謝組分析

根據(jù)公共數(shù)據(jù)庫(kù)與基迪奧生物公司自建數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)代謝物進(jìn)行定性和鑒定，得到184個(gè)代謝物,包括99個(gè)已知和85個(gè)未知。已知代謝物主要包含16個(gè)羧酸和衍生物(carboxylic acid and derivative)、14個(gè)脂肪?；?fatty acyl)、13個(gè)苯和取代衍生物(benzene and substituted derivative)、11個(gè)有機(jī)氧化合物(organooxygen compound)、7個(gè)小肽(mini pep- tide)、4個(gè)孕烯醇酮脂類(prenol lipid)、3個(gè)吲哚類和衍生品(indoles and derivative)、3個(gè)有機(jī)氮化合物(organonitrogen compound)、3個(gè)菲類和衍生品(phe- nanthrene and derivative)、3個(gè)嘧啶核苷酸(pyrimi- dine nucleotides)等。共有62個(gè)代謝物被注釋到63代謝通路中，主要富集在氨基酸代謝、碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝、其他次生代謝物生物合成和膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

LvsEL組間共檢測(cè)到12個(gè)DEM (表2)，其中, (±)7-表茉莉酸、多巴胺、十八碳三烯酸、前列腺素、甘油磷酰膽堿、13-l-過(guò)氧氫亞油酸、亞精胺等7個(gè)代謝物上調(diào)表達(dá)；苯丙氨酸、吲哚及其衍生物等4個(gè)代謝物下調(diào)表達(dá)。有5個(gè)DEM注釋到15個(gè)代謝通路, 主要富集在甜菜素生物合成、甘油磷脂新陳代謝、色氨酸的生物合成、亞油酸的新陳代謝、苯丙素的生物合成等通道。LvsEL組間，(±)7-表茉莉酸上調(diào)表達(dá)(FC 為21.93)，乙烯處理的最外側(cè)芽(EL)中的含量遠(yuǎn)大于無(wú)乙烯處理的最外側(cè)芽(L)；多巴胺上調(diào)表達(dá)(FC為1.49)，4個(gè)吲哚及其衍生物表達(dá)下調(diào)(FC為–0.79～ 0.86)；亞精胺(FC為0.65)上調(diào)表達(dá)。

表2 差異代謝物

2.3 轉(zhuǎn)錄組分析

測(cè)序數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制和序列拼接組裝，共獲得116 715條Unigenes，平均序列長(zhǎng)度為776 bp，GC含量41.89%，N50數(shù)量為20 219，N50長(zhǎng)度1 219 bp，說(shuō)明組裝質(zhì)量好。利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)Unigenes進(jìn)行注釋，在Nr數(shù)據(jù)庫(kù)注釋到49 753個(gè)，在KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋到43 936個(gè)，在COG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋到25 014個(gè)，在Swissprot數(shù)據(jù)庫(kù)注釋到26 661個(gè)，共注釋到了49 949個(gè)Unigenes，占42.80%。

LvsEL差異表達(dá)基因在GO數(shù)據(jù)庫(kù)中得到注釋的共有1 021個(gè)Unigenes, 其中, 615個(gè)上調(diào), 406個(gè)下調(diào)。對(duì)這些基因進(jìn)行GO功能分類，可以分成3大類：細(xì)胞組分(cellular component)、分子功能(mole- cular function)和生物過(guò)程(biological process) (表3)。在細(xì)胞組分中，差異基因參與最多的是細(xì)胞(cell)、細(xì)胞區(qū)域(cell part)和細(xì)胞膜(membrane)，分別有39、39和38個(gè)，占差異基因數(shù)的62.9%、62.9%和61.29%。在分子功能中，差異基因參與最多的是催化活動(dòng)(catalytic activity)、蛋白結(jié)合(binding)和轉(zhuǎn)運(yùn)活性(transporter activity)，分別有93、55和9個(gè)，分別占差異基因數(shù)的77.5%、45.83%和7.5%。生物過(guò)程方面，差異基因主要集中在代謝過(guò)程(metabolic process)、單生物過(guò)程(single-organism process)和細(xì)胞過(guò)程(cellular process)，分別有90、75和71個(gè), 分別占差異基因數(shù)的75.63%、63.03%和59.66%。

差異基因的KEGG通路富集分析表明，LvsEL有170個(gè)基因在KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)中得到注釋，共注釋到77個(gè)通路，其中，參與代謝大類(metabolic path-way)、次生代謝物生物合成(Biosynthesis of secon- dary metabolite)的差異基因最多，分別有73個(gè)(占42.94%)和43個(gè)(占25.29%)。Q<0.05的有6條通路(表4)，分別為植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(plant hormone signal transduction)、植物MAPK信號(hào)通路(MAPK signaling pathway-plant)、植物-病原互作(plant- pathogen interaction)、類胡蘿卜素生物合成(carote- noid biosynthesis)、亞油酸的新陳代謝(linoleic acid metabolism)、植物氮代謝(nitrogen metabolism)。其中，在植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的差異基因有25個(gè)(占14.71%)；在植物MAPK信號(hào)通路和植物-病原互作通路中各有20個(gè)(各占11.76%)；在類胡蘿卜素生物合成和亞油酸的新陳代謝通路中各有5個(gè)(各占2.94%)；在植物氮代謝通路有6個(gè)(占3.53%)。此外，在碳代謝(carbon metabolism)和氨基酸合成(biosynthesis of amino acids)通路中各有8個(gè)(各占4.71%), 在氨基糖和核苷酸糖代謝通路(amino sugarand nucleotide sugar metabolism)中有7個(gè)(占4.12%)?？梢?jiàn)，LvsEL差異基因顯著性富集在植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、植物MAPK信號(hào)通路中。

在沒(méi)有基因組信息和缺乏參考序列的情況下，根據(jù)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)注釋結(jié)果，獲得開(kāi)花相關(guān)的Unigenes有99個(gè)(未列出)。從差異表達(dá)基因中鑒定和篩選了45個(gè)可能與乙烯信號(hào)傳導(dǎo)和開(kāi)花相關(guān)的差異表達(dá)基因(表5)，包括植物激素信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因25個(gè)，包括與乙烯相關(guān)的和，與赤霉素相關(guān)的，與脫落酸相關(guān)的、；與生長(zhǎng)素相關(guān)的、、，與細(xì)胞分裂素相關(guān)的，與茉莉酸相關(guān)的；植物MAPK信號(hào)通路相關(guān)基因4個(gè)，包括、、和；激素生物合成相關(guān)基因7個(gè)，包括乙烯合成的，脫落酸合成的，油菜素類固醇合成的和，細(xì)胞分裂素合成的和，赤霉素合成的等；氨基酸、淀粉和糖代謝相關(guān)3個(gè)，包括、和；開(kāi)花相關(guān)的差異基因6個(gè)，包括、、、、和。這些DEG有的可能僅僅參與乙烯的基本反應(yīng)，有的直接或間接地參與了水仙的成花誘導(dǎo)和開(kāi)花調(diào)控。

表3 LvsEL差異基因GO功能分類

表4 LvsEL差異基因KO富集的主要通路

表5 乙烯誘導(dǎo)水仙成花相關(guān)的差異基因

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，我們選擇LvsEL中9個(gè)差異基因進(jìn)行qRT-PCR，除Uni- gene0064815基因序列的GC含量稍高，導(dǎo)致熔解曲線左側(cè)有小峰外，其余基因的擴(kuò)增曲線和溶解曲線都正常，內(nèi)參基因在不同樣本中的ct值較穩(wěn)定。驗(yàn)證的9個(gè)基因中，除Unigene0071640外，其余8個(gè)基因在qPCR比較組中的表達(dá)趨勢(shì)與轉(zhuǎn)錄組中表達(dá)趨勢(shì)一致(圖3)，qPCR驗(yàn)證率接近90%以上, 說(shuō)明RNA-Seq結(jié)果是可靠的。

圖3 qRT-PCR和RNA-Seq分析部分差異表達(dá)基因的相對(duì)表達(dá)量。L: 無(wú)C2H4處理; EL: C2H4處理。

3 結(jié)論和討論

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和內(nèi)源激素含量在成花誘導(dǎo)和形成中起著重要作用[8]。代謝組分析表明，外源乙烯處理使12個(gè)代謝物出現(xiàn)差異表達(dá)，其中，7個(gè)代謝物上調(diào)表達(dá)，5個(gè)下調(diào)表達(dá)。外源乙烯處理顯著促進(jìn)了水仙外側(cè)芽中(±)7-表茉莉酸的合成。已有研究報(bào)道，內(nèi)源茉莉酸參與紫萍()的開(kāi)花調(diào)控[9]，茉莉酸類物質(zhì)在水稻()穎花誘導(dǎo)和發(fā)育中起著重要作用[10]。外源乙烯處理也促進(jìn)了多巴胺和亞精胺的合成。多巴胺是能誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的花原基和顯著促進(jìn)花的發(fā)育[11]，亞精胺可誘導(dǎo)煙草薄層外植體的營(yíng)養(yǎng)芽成花[12]。同時(shí)，外源乙烯處理顯著地促進(jìn)十八碳三烯酸、前列腺素、甘油磷酰膽堿、亞油酸等營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)的上調(diào)表達(dá)。這4種代謝物都是細(xì)胞膜的主要成分，還參與細(xì)胞膜對(duì)蛋白質(zhì)的識(shí)別和信號(hào)傳導(dǎo)。此外，外源乙烯處理顯著地降低了吲哚及其衍生物的水平。外源乙烯處理降低內(nèi)源激素吲哚-3-乙酸(IAA)的水平，有利于菠蘿()的花芽分化[13]，由吲哚類化合物組成的生長(zhǎng)素(auxin)參與植物生長(zhǎng)和發(fā)育諸多過(guò)程[14]。外源乙烯誘導(dǎo)水仙成花可能與這些內(nèi)源激素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的差異表達(dá)有關(guān)。轉(zhuǎn)錄組分析還表明，外源乙烯處理，導(dǎo)致7個(gè)內(nèi)源激素生物合成相關(guān)的酶基因(、、、、、和)以及3個(gè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成酶基因(和)出現(xiàn)表達(dá)差異，可以進(jìn)一步利用靶向代謝組技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定量和分析。

從石蠟切片觀察到，外源乙烯處理可誘導(dǎo)水仙鱗莖母球內(nèi)部自然不能成花的最外側(cè)芽從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變，佐證了常規(guī)花農(nóng)催花的科學(xué)性。LvsEL差異基因KEGG通路富集分析表明，外源乙烯處理，差異表達(dá)基因主要富集在植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，涉及乙烯、赤霉素、生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、茉莉酸等共25個(gè)基因。乙烯、赤霉素、生長(zhǎng)素、脫落酸、茉莉酸等植物激素參與開(kāi)花調(diào)控[15]，說(shuō)明外源乙烯通過(guò)激活水仙鱗莖內(nèi)部信號(hào)通路，從而調(diào)控水仙最外側(cè)芽從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。乙烯是植物的5大類內(nèi)源激素之一, 外源乙烯處理引起植物內(nèi)源乙烯含量的增加[16]，內(nèi)源乙烯參與擬南芥()、鳳梨()從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的過(guò)程[17–18]。本研究轉(zhuǎn)錄組分析表明，外源乙烯處理，乙烯生物合成關(guān)鍵酶基因上調(diào)表達(dá)，這與前人[19]對(duì)擬南芥、蝴蝶蘭()、青花菜()的研究結(jié)果一致。據(jù)報(bào)道，水仙過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因煙草()與野生型相比縮短了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，開(kāi)花較早[20]。同時(shí), 外源乙烯處理，2個(gè)基因上調(diào)表達(dá)。在乙烯信號(hào)通路中起決定性作用，也承擔(dān)了乙烯和其他信號(hào)交流互作的任務(wù)[21]。據(jù)報(bào)道，水仙基因具有正調(diào)控乙烯響應(yīng)的功能[22]，可能在乙烯誘導(dǎo)鳳梨開(kāi)花中起重要作用[23]。乙烯與生長(zhǎng)素、光、赤霉素、茉莉酸、水楊酸、細(xì)胞分裂素、葡萄糖等途徑存在著廣泛的交叉反應(yīng)，共同參與了調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)生物、非生物脅迫等過(guò)程[24]。本研究由于檢測(cè)方法的原因沒(méi)能檢測(cè)到乙烯成分, 但水仙最外側(cè)芽能夠成花最終是受到乙烯所調(diào)控, 因此推測(cè)，外源乙烯誘導(dǎo)水仙成花可能與內(nèi)源乙烯信號(hào)傳導(dǎo)關(guān)聯(lián)密切。

模式植物開(kāi)花有光周期、溫敏、春化、自主、赤霉素、抑制和年齡等7個(gè)遺傳通路參與調(diào)控[25]。本研究結(jié)果表明，外源乙烯處理影響和等6個(gè)開(kāi)花相關(guān)基因的表達(dá)，其中涉及赤霉素途徑的開(kāi)花抑制基因下調(diào)表達(dá)，DELLA蛋白降解可以促進(jìn)擬南芥開(kāi)花[26]；涉及抑制途徑的開(kāi)花抑制基因上調(diào)表達(dá)。據(jù)報(bào)道，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，基因低水平表達(dá)會(huì)延遲開(kāi)花的轉(zhuǎn)變，但在花序分生組織(IM)中，基因高水平表達(dá)可以維持IM的特性[27]; 涉及光周期途徑的上調(diào)表達(dá)，屬于AP2/ ERF轉(zhuǎn)錄調(diào)控家族中的亞族, 可能調(diào)節(jié)光敏色素(PHY)的表達(dá)[28]，參與花器官發(fā)育的起始和生長(zhǎng)[29]；涉及春化途徑的春化獨(dú)立蛋白基因上調(diào)表達(dá),在花序分生組織中高表達(dá)，有利于花序莖的數(shù)量增加和簇生[30]?？傮w來(lái)說(shuō)，外源乙烯處理能影響一些開(kāi)花途徑相關(guān)基因的表達(dá)，但在這個(gè)階段并未表達(dá)，而開(kāi)花整合子基因(Unigene0007988, FC為–0.06; Unigene 0013465, FC為–0.457)(Unigene0050424，F(xiàn)C為0.425)(20個(gè)Unigenes注釋為基因，其中10個(gè)上調(diào)表達(dá)、10個(gè)下調(diào)表達(dá))在處理間并沒(méi)有顯著差異。因此推測(cè)，乙烯誘導(dǎo)水仙成花啟動(dòng)可能并不通過(guò)已知開(kāi)花調(diào)控途徑中的任何一條。這與叢漢卿[31]對(duì)乙烯誘導(dǎo)鳳梨開(kāi)花的研究結(jié)果基本相同。

值得重點(diǎn)關(guān)注的是，本研究結(jié)果表明，外源乙烯處理導(dǎo)致1個(gè)開(kāi)花促進(jìn)基因和1個(gè)開(kāi)花識(shí)別基因的大量上調(diào)表達(dá)。據(jù)報(bào)道，參與赤霉素信號(hào)途徑中調(diào)控開(kāi)花，組成性表達(dá)導(dǎo)致擬南芥幼年期縮短提前開(kāi)花[32]，基因可能通過(guò)調(diào)節(jié)頂端分生組織對(duì)開(kāi)花識(shí)別基因的反應(yīng)能力來(lái)控制開(kāi)花時(shí)間[33]。擬南芥、水稻、煙草、和棉花(spp.)等多種植物的研究表明正調(diào)控開(kāi)花時(shí)間[34]，但目前其調(diào)控開(kāi)花時(shí)間的信號(hào)途徑并不清楚。而水仙的與擬南芥的為同源基因,是開(kāi)花啟動(dòng)的標(biāo)志基因, 處于成花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵位置[35]。過(guò)量表達(dá)使植物呈現(xiàn)早熟表型和提前開(kāi)花[36]，推測(cè)乙烯誘導(dǎo)水仙成花啟動(dòng)可能與基因和基因的上調(diào)表達(dá)密切相關(guān)。

綜上所述，本研究結(jié)果表明外源乙烯可以誘導(dǎo)3 a生水仙鱗莖母球內(nèi)部最外側(cè)芽成花啟動(dòng)，佐證了花農(nóng)常規(guī)以最外側(cè)芽是否被誘導(dǎo)成花來(lái)判斷催花成敗的科學(xué)性。利用代謝組和轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，探討了外源乙烯促進(jìn)水仙成花的原因。代謝組分析表明有12個(gè)代謝物出現(xiàn)差異表達(dá)，其中，(±)7-表茉莉酸、多巴胺、亞精胺可能與乙烯誘導(dǎo)水仙成花正相關(guān)，而吲哚及其衍生物呈負(fù)相關(guān)。轉(zhuǎn)錄組鑒定和篩選了45個(gè)與乙烯信號(hào)傳導(dǎo)和開(kāi)花相關(guān)的差異表達(dá)基因，乙烯誘導(dǎo)水仙成花啟動(dòng)可能先激活水仙鱗莖內(nèi)源植物激素(尤其乙烯)信號(hào)通路的變化，與開(kāi)花促進(jìn)基因和的上調(diào)表達(dá)密切相關(guān)。這些差異代謝物和差異基因在外源乙烯誘導(dǎo)水仙成花啟動(dòng)的具體作用仍需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

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Screening of Metabolites and Genes Related to Floral Formation of Chinese Narcissus Induced by Ethylene

HE Yansen, LI Ruimei, LI Heping

(Institute of Subtropical Agriculture, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Zhangzhou 363005, Fujian, China)

In order to understand the mechanism of the narcissus (var.) floral induction, the differentially expressed metabolites and genes were screened from the outermost buds treated with exogenous ethylene by using metabolome and transcriptome sequencing techniques. The results showed that 12 differentially expressed metabolites (DEMs) were detected, including 7 up-regulated and 5 down-regulated DEMs. Among them, (±) 7-epigenJasmonic acid, dopamine and spermidine might be positively correlated with narcissus floral induction, while indole and its derivatives were negatively correlated. A total of 1 021 differentially expressed genes (DEGs) were identified in the transcriptome, including 615 up-regulated and 406 down-regulated DEGs. Forty-five differentially expressed genes related to ethylene signal transduction and flowering were identified in the DEGs. The changes of endogenous plant hormone (especially ethylene) signaling pathway in narcissus bulbs were activated firstly by exogenous ethylene, and the floral induction of narcissusexogenous ethylene was closely related to the up-regulated expression ofand. Nine genes correlated with flowering were verified by qRT-PCR analysis and the expression profiles were consistent with the RNA-Seq results. Therefore, these DEMs and DEGs might have vital function on the narcissus floral induction, which might play an important role in the floral formation of narcissus induced exogenous ethylene.

; Ethylene; Floral induction; Transcriptome; Metabolite; Gene expression

10.11926/jtsb.4441

2021-05-08

2021-07-05

福建省漳州市科技重大專項(xiàng)(ZZ2019ZD03); 福建省公益類科研院所專項(xiàng)(2020R1030002)資助

This work was supported by the Major Project for Science and Technology in Zhangzhou City, Fujian (Grant No. ZZ2019ZD03); and the Special Project for Public Welfare Research Institutes in Fujian (Grant No. 2020R1030002).

何炎森(1968～ )，男，博士，副研究員，主要從事觀賞植物栽培和遺傳育種研究。E-mail: 1907750591@qq.com

. E-mail: 1907750591@qq.com