黄花蒿自交系种质创新及自交不亲和机理研究

Artemisia annua L. made tremendous contributions to the history of malaria in the world which is strictly self -incompatible plant . Previous studies have showed that the content of artemisin and traits can easily affected by environmental factors . Crops research shows that The characteristics of inbred lines is stable with genotype homozygous and character .This research intends to overcome Artemisia self- incompatibility on the chemical and physical, breed inbred lines, explore new ways how to break the limit for it unstable content and variable character , provide new way for the germplasm innovation. Solve the molecular mechanism of key scientific problems is found the related self-incompatible genes . Take A. annua flowering in different periods of inbred lines and inflorescence with the second generation of high-throughput sequencing technology .Then researching self-bleeding and inflorescence transcription , mining the key genes, RACE cloning and rt-pcr validation to reveal the mechanism of incompatibility from the molecular level .Not only provide theoretical basis for germplasm innovation for A. annua inbred lines, also provides reference for Gene regulation and overcome self-incompatibility and breeding of inbred lines.

黄花蒿在世界抗疟史上做出了巨大贡献，其为严格的自交不亲和植物。我们前期研究发现，黄花蒿的青蒿素含量及其性状不稳定，易受环境因素的影响。而农作物上已有研究表明，自交系品种具有基因型较纯合和性状稳定、不易受环境影响等特点。故本研究拟采用化学和物理的方法克服黄花蒿自交不亲和性，培育自交系，探索解决其青蒿素含量及性状不稳定的问题，为种质创新提供新途径。而黄花蒿自交不亲和相关基因的挖掘是揭示其自交不亲和分子机理的关键科学问题。取黄花蒿不同时期自交和异交的花序，采用Solexa第二代高通量测序技术，进行自交与异交花序转录转研究，挖掘黄花蒿自交不亲和关键基因，并进行RACE克隆和RT-PCR验证，从分子水平上揭示其自交不亲和机理，为进行基因调控、克服黄花蒿自交不亲和性及自交系选育提供理论依据。

黄花蒿为我国传统中药，其对治疗疟疾有很好的疗效。本研究围绕克服黄花蒿自交不亲和性，培育自交系新种质，为其种质创新提供新途径；取其开花不同时期的自交和异交花序，进行自交与异交不同时期花序转录转研究，挖掘黄花蒿自交不亲和关键基因，为进行基因调控、克服黄花蒿自交不亲和性及自交系选育提供理论依据。课题研究结果如下：.（1）自交授粉3h后的花粉，经处理后在荧光显微镜下观察，大多数花粉粒不能萌发。NaCl和硼酸对克服黄花蒿自交不亲和性方面效果不明显，处理的亲和指数为最高2.67%，和对照之间只差0.5%，说明黄花蒿是严格的自交不亲和植物。.（2）获得了性状比较整齐一致，青蒿素含量在1%以上的黄花蒿新种质。F1代、F2代、F3代的青蒿素素含量分别为1.232%、1.213%、1.335%。.（3）荧光显微观察发现，自花授粉花粉粒在柱头上不能正常萌发、花粉管生长出现异常，而异花授粉粉花粉粒在柱头上能正常萌发和生长，花粉管能达到子房完成授粉。自交授粉在授粉后3 h，观察到柱头上有花粉粒开始萌发；授粉后12 h，观察到少数花粉管顺利生长；授粉后24 h，荧光显微观察发现，花粉粒在柱头上不能正常萌发、花粉管生长出现异常，多数花粉管处于停滞状态，没能到达花柱，初步推断黄花蒿属于孢子体自交不亲和类型。.（4）进行了黄花蒿自交和异交花粉的转录组学分析，总共收集到25.03 G数据，从头组装成82,199个单基因，平均长度为936（bp），N50值为1485 bp。找到了4,102个差异表达基因，其中2,106个上调和1,996个下调。这些差异表达的基因中，有44个基因被归类为孢子体自交不亲和（SSI）基因。特别是9种特异的自交亲和（SI）候选基因，包括S-基因座富含半胱氨酸的蛋白（SCR）、富含半胱氨酸蛋白(scr)和 s 位点受体激酶(srk)信号、硫氧还蛋白样蛋白(thl)、含1(arc1)的臂重复序列、胞外复合物成分等下游信号。自交和异交之间的差异表达基因的发现，为进一步研究黄花蒿中SI的分子机制提供了重要信息。候选的 SI相关基因对于未来采用基因工程克服黄花蒿自交系的选育至关重要。