老鸦瓣芽茎发育特征及形成机制研究

Tulipa edulis (Miq.) Baker. (Tulipa L.) is a medicinal plant with pharmaceutical importance. And its dried bulb has been shown to possess anticancer properties. Its wild resource can not meet the strong market need because of overexploitation. Special Rhizome is its main asexual reproductive organ, and is unique in morphology. Special Rhizome is similar to rhizome in appearance; however, it has no visible node, internode, and adventitious root. To our best knowledge, its morphological characteristic and development period remains unknown.And it is extraordinarily meaningful to explore the development characteristic and forming mechanism for clarifying its position in evolution and ecological adaptation, and for efficient growth regulation. Based on previous research, structural botany, plant physiology, proteomics, and bioinformatics are synthetically applied to explore the development characteristic and forming mechanism in present project. In order to clarify the forming mechanism, Special Rhizome will be induced by watering treatments, and its morphological characteristic will be observed.Plant endogenous hormones concentration, nutrition concentration, and functional enzyme activity will be measured in dynamic process of Special Rhizome formation. Meanwhile, the differential protein occurred in dynamic process of formation will be identified, predicted functionality, and classified. This project will provide scientific basis for exploring the mechanism that are involved in the formation of Special Rhizome in T.edulis and further growth regulation, and for similar study in other plants.

老鸦瓣为百合科郁金香属药用植物，其干燥鳞茎是治疗多种肿瘤的常用药，目前供需矛盾突出。芽茎为其主要无性繁殖器官，同时结构特殊，类似于根状茎但无明显节与节间，其上亦无不定根。目前对老鸦瓣芽茎形态发育及特征研究尚属空白，揭示其形成机制对于探索其在物种进化和生态适应等方面的作用及快速繁育具有重要意义。本项目以老鸦瓣特殊结构芽茎为研究对象，在前期工作的基础上，运用结构植物学、植物生理学、蛋白质组学、生物信息学等多学科的综合手段，通过水分梯度处理诱导芽茎形成，探索其形态解剖特征，分析其形成前后的内源激素和营养物质水平及功能酶活性的变化，并对芽茎形成前后的差异蛋白进行质谱鉴定、功能预测和分类，以期阐明其发育特征，探索其形成的生理生化及分子机理。其研究结果将为深入研究芽茎的生长调控及老鸦瓣规模化生产奠定坚实基础，同时为百合科其他植物类似结构的研究提供参考。

经过三年的实验分析，已基本按照计划完成所定的内容，取得了以下主要研究成果：（1）项目通过形态解剖、石蜡切片等方法，发现老鸦瓣芽茎发生在靠近鳞茎盘侧面的茎基部。芽茎发生部位的内部分生细胞不断进行垂周分裂和平周分裂，逐步发育形成突起生长锥，同时芽原基生长，内部细胞也发生了大量的分裂，引起了芽茎的发生。芽茎形成后期芽原基继续生长成芽，生长锥同时生长，分化成多个原基，引起芽茎的伸长。（2）研究了芽茎形成过程中的生理生化变化，发现在众多酶作用下引起的可溶性糖、蔗糖、还原糖、果糖和淀粉积累，连同高含量的IAA及低比值ABA/IAA，共同作用于芽茎的发生。（3）利用转录组测序技术对老鸦瓣芽茎形成的三个发育阶段进行转录组分析，测序共获得原始数据15.49 Gb，通过拼接获得了74,006条Unignes。从这些序列中共筛选到2,484个SSR标记。经转录组和RT-PCR技术分析，芽茎形成过程中编码糖合成和糖代谢相关酶的基因表达验证了糖合成及糖代谢过程中相关酶活性的变化，调控细胞生长的基因在芽茎发生过程中表达量显著提高，参与细胞生长。与生长素极性运输的基因表达显著变化，参与芽茎的生长。（4）在老鸦瓣所有miRNAs的reads中，共鉴定出了88个保守miRNAs，同时有70个unique sequences被预测为新的miRNAs。miR165、miR396、miR1886.2、miR2094、miR397等可能在调控老鸦瓣芽茎发育过程中发挥着重要作用。zma-miR396g-5p、osa-miR2094-5p、ptc-miR7839的靶基因参与碳水化合物运输与代谢。（5）通过对芽茎三个发育期蛋白质组进行双向电泳分离，发现了36个蛋白质表达量发生明显变化的蛋白质点，其中33个得到了质谱验证。结果表明28%差异蛋白与能量代谢有关，6%与植物防御有关，33%与蛋白质加工有关，8%参与核酸过程有关，其余8%为未知蛋白。上述研究结果有助于更好地对基因功能进行探索，为进一步开展老鸦瓣的遗传和分子研究提供了有效资源。同时为深入研究芽茎的生长调控及老鸦瓣规模化生产奠定坚实基础，也为百合科其他植物类似结构的研究提供参考。