自交与异交杜鹃属植物花蜜组成比较及其进化生物学意义研究

近年来已证明天然不对称型杂交是杜鹃属植物中普遍发生的自然现象，而亲本物种花蜜组分的差异有可能在天然杂交形成和基因流方向控制方面起重要作用。本项目将以可发生天然不对称杂交，且分别为自交和异交的近缘杜鹃属植物花蜜为主要研究材料，主要采用比较代谢组学和蛋白组学的技术方法，包括色谱、色谱－质谱联用、双向电泳、蛋白测序等，检测不同繁育系统的近缘物种花蜜组分差异，构建包括蛋白在内的花蜜组分功能网络。根据已有的形态学、群体遗传学和分子系统的研究成果，结合野外传粉生物学研究，评估花蜜组分对近缘的杜鹃属植物间基因交流的作用及影响程度。由此探讨自交与异交近缘杜鹃种类的不对称天然杂交机理。综合分析花蜜组分之间的功能相关性, 讨论花蜜组分差异在该类群中的进化生物学意义，从组学的角度讨论自交不亲和性状丧失后的进化后果。为进一步花蜜组分调控和更为深入的花蜜活性成分研究工作奠定基础。

本项目研究围绕花蜜组成与繁育系统关系这一主题，以近缘（同属于常绿杜鹃亚属）但繁育方式不同的杜鹃花科植物（马缨花杜鹃为自交不亲和，露珠杜鹃为自交亲和）为主要研究材料，以烟草、油麻藤、两种近缘的木本曼陀罗为辅助实验材料进行了为期4年的研究。研究结果证明了花蜜的组成和繁育方式密切相关：1）自交不亲和的马缨花杜鹃与自交亲和的露珠杜鹃花蜜呈现截然不同的物理化学特征，在花蜜蛋白组成方面也有很大差异。其花蜜蛋白主要为与糖类分解、代谢相关的酶类，如几丁质酶、半乳糖苷酶酶等，但其功能间的相关性有待进一步研究；2）传粉生物学实验证明，在花冠形态、香味无明显差异的情况下，杜鹃花蜜成分的差异是造成两者间基因流（花粉）在天然状况下单向流动的重要原因。该研究结果很好地解释了马缨花杜鹃一般主要作为母本与露珠杜鹃发生天然不对称杂交的机制，证明了花蜜在同域物种繁殖隔离，基因流方向控制中发挥重要作用；3）花蜜微生物能够通过改变花蜜组成而改变植物与传粉生物的共生关系，直接参与花蜜的后熟过程，具有显著的功能生态学意义。本项目中采用传统选择性培养基培养方法结合454高通量二代测序对马缨花杜鹃和露珠杜鹃的花蜜真菌、细菌群落多样性进行了比较分析。结果显示，相对于露珠杜鹃，自交亲和的马缨花花蜜中有平均高近三倍的微生物密度，其成分更适合花蜜微生物生长。马缨花与露珠杜鹃在真菌群落组成方面差异较小，但在细菌组成方面则有较大差异，显示了这两种花蜜经历不同的后熟过程；4）蜜腺是花蜜的直接来源，蜜腺转录组直接与繁育系统的功能相关联。项目研究还采用HiSeq4000平台高通量二代测序技术，对马缨花和露珠杜鹃蜜腺进行了转录组分析，以马缨花和露珠杜鹃花冠的非蜜腺区为对照，并设置生物学重复。已有结果显示，马缨花蜜腺与花冠非蜜腺区的基因表达有显著差异，也与露珠杜鹃的蜜腺有显著差异；但露珠杜鹃的蜜腺基因表达与花冠其他部位相近，无法通过聚类分析完全分开。由此提示自交亲和的露珠杜鹃的蜜腺可能处于功能上衰退过程中，而其下调或不表达的基因极有可能直接参与维持自交不亲和性状，值得后续深入研究。项目研究结果为今后花蜜的形成、释放、代谢调控机制，繁育方式的基因调控等更为深入的研究奠定了基础。