小桐子中促进雌雄蕊发育相关基因的筛选及其功能鉴定

Jatropha seed content is as high as 40% oil, which is an ideal feedstock for producing biodiesel and bio-jet fuels. Jatropha is one of the most promising energy plants. However, Jatropha plants have very low number of female flowers, resulting in the low seed yield，which unable to meet the needs of the industry. We reported previously that 6-benzyladenine treatment can promote the development of female flowers. And the transcriptome analysis of 6-benzyladenine-treated inflorescence meristems has been published. We recently found that various concentration of thidiazuron (another synthetic compound with cytokinin activity) treated inflorescence meristems with different development stages resulted in promoting the development of pistil and/or stamen. This project aims to use RNA-seq and real-time quantitative PCR technologies to analysis the gene expression profiles of inflorescence meristems with different treatments and of a mutant with only female flower. Integrated with the published transcriptome data, screening genes related to promote the development of pistil and stamen of Jatropha curcas. These candidate genes will be investigated to identify the key genes for promoting pistil and stamen development. The results will shed light on the mechanism of sex determination in Jatropha. The identified functional genes will be useful for generating superior varieties of high-yielding transgenic Jatropha.

小桐子种子含油率高达40％，油脂组成适合加工生物燃油，被认为是最具有潜力的能源植物之一。但小桐子的雌花数量少，种子产量低，无法满足产业发展需求。我们前期研究发现6-苄基腺嘌呤可促进小桐子雌花发育，并进行了相关的转录组测序分析。我们近期研究发现不同浓度的另一种细胞分裂素噻二唑苯基脲处理不同发育阶段的花序分生组织具有单独促进雌蕊或雄蕊发育，或同时促进雌雄蕊发育的作用。本项目拟利用这些不同处理产生的表型以及已获得的只开雌花的小桐子突变体，和早花转基因小桐子作为材料，采用RNA-seq和实时荧光定量PCR 等技术，结合已有的转录组数据，筛选鉴定与促进雌雄蕊发育相关的基因；研究它们的时空表达模式，通过病毒诱导基因沉默和农杆菌介导的转基因方法明确关键基因的功能；探讨受细胞分裂素调控的与促进小桐子雌雄蕊发育相关基因在花性别分化过程中的功能，为研究小桐子花性别分化机制及培育优良的转基因小桐子品种奠定基础。

小桐子又名膏桐、麻疯树、木花生等，为落叶灌木或小乔木，半肉质，雌雄异花同株，其种子含油率高达40％，其不饱和脂肪酸含量高达80%，流动性好，是加工生物燃油的优质原料。因此小桐子被国内外公认是当前最具有潜力的能源植物之一。但是，小桐子的种子产量低，目前无法满足实行产业化的要求。因此，提高小桐子种子产量成为了国内外的研究重点之一。我们的研究表明，细胞分裂素处理可促进小桐子雌雄蕊发育，在增加雌花数量的同时诱导产生两性花，最终可提高种子产量。在本项目中，通过生理学方面的研究，我们发现细胞分裂素在特定时期分别对小桐子雌蕊和雄蕊的发育具有促进的作用。通过高通量测序技术及生物信息学方法，筛选出了一批候选基因，其中有受细胞分裂素调控参与小桐子雌蕊发育的基因，包括KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX GENE 6, MYC2, SHI-RELATED SEQUENCE 5, SHORT VEGETATIVE PHASE, TERMINAL FLOWER 1, TASSELSEED2，SUPERMAN, type-C cytokinin response regulator，GIGANTEA，CycD3;1和CycD3;2等，这些基因在受细胞分裂素诱导的雌花数量增加的花序分生组织中较野生型有表达量大幅度升高；此外，我们还筛选出了与雄蕊发育相关的基因，包括MYB10，CBF1，fatty acid desaturase 7，BURP domain-containing protein，CYP71B3以及一些功能未知的基因。我们推测这些基因受细胞分裂素的调控参与小桐子的雌蕊和雄蕊的发育。在采用qRT-PCR技术验证候选基因的表达差异并了解它们的时空表达模式后，决定克隆GIGANTEA，CycD3;1和CycD3;2三个基因的全长cDNA，利用本实验室已有的花特异表达的启动子(小桐子APETALA 1 基因的启动子ProJcAP1) 构建超量表达载体并转化小桐子，并对获得的转基因小桐子进行分子鉴定和表型分析。基于本项目鉴定的功能基因将用于小桐子遗传育种改良，培育出多雌花的品种，可达到增产的目的。与此同时，本项目所获得的结果也为研究小桐子花性别决定机制提供重要数据。基于这些研究结果，已在国际学术期刊上发表论文4篇SCI 源收录期刊论文，培养了青年科技骨干2名。