寒地鸢尾属植物燕子花天然居群花色变异的生殖适应性及其形成机制研究

Deciphering the genetic bases of phenotypic diversification of multi-groups of a plant species with flower color variations is of great value in application and is important for breeding work. In our study, the white flowered proto- species of Iris lavevigata cultured from the most northeast of our country will be used as experimental materials. The reproductive adaptation of mutation groups and their characteristics substituting flower color to induce successful pollination will be studied by comparing the morphology of the protospecies, pollinator preferences and the behavior of pollinators. The genes controlling blue and white flower color formation will be screened by transcriptome sequencing and protein iTRAQ techniques, using the known flower metabolic pathways of dicotyledonous plant as a reference. In addition, the functions of the differentially displayed genes will be examined by RNA silence and gene complement. The aims of this study are to discover the possible mechanism that causes flower color mutation in Iris laeviagata, as well as explore the connections between genotype and phenotype. This study should lay important foundation for breeding cold resistance species with novel floral color traits in the Northeast China. Also, it should provide theoretic basis for exploring the metabolic mechanism controlling floral pigmentation in monocotyledons.

通过花色天然变异类群，对花色这种重要观赏性状的遗传机理以及在育种工作中的应用价值进行表型分析和分子水平上的深人研究具有重要意义。本研究以申请人发现的我国分布最北的水生鸢尾白花燕子花及其原种燕子花为试验材料，通过与原种形态、传粉昆虫与传粉行为等差异比较探讨变异类群生殖适应性，确定代替花色引诱昆虫传粉保证生殖成功的协同进化的特征；同时通过转录组测序、蛋白质iTRAQ技术，结合已有的双子叶植物的花色代谢途径，筛选蓝、白燕子花中与花色相关的重要基因；并进一步利用植物RNA沉默、基因互补等实验来验证差异表达基因的功能，揭示白色燕子花的花色变异机理，探讨从基因型到表型之间协同关系，本研究结果将为抗寒、特殊花色育种的种质创新提供研究基础，也为单子叶植物花色素代谢机理研究提供理论依据。

本研究以我们发表的白花燕子花及其原种燕子花为试验材料，探讨了该变异类群生殖适应性，发现蜂类同样偏爱白花燕子花，白花中类黄酮的积累吸引昆虫访花，花蜜是访花目标，对吸引传粉者有效访问、对繁殖成功起重要作用。两者花开花结实规律基本一致，且不存在生殖隔离，结实率100%；白花为隐性遗传性状，类群在野生状态下具有一定生殖适应性，但应加强资源保护，人工辅助繁殖非常必要；为开展花色基因本底植物转化功能验证，且攻克鸢尾遗传转化体系建立难题，进行了燕子花、玉蝉花、溪荪高效组培体系建立，获得了遗传转化体系研究初步成果，不仅为资源保护和开发利用奠定了技术基础，也为今后鸢尾基因同源转化功能验证及基因工程育种奠定了非常好的研究基础。通过转录组、蛋白质组分析，获得二者花色素代谢途径差异表达基因并进行了功能解析，认为燕子花是特殊花色育种优选材料；多组学联合分析，确定白花燕子花以合成类黄酮类物质为主，推测白色花变异是关键调控基因表达量在起主要作用；发现DFR基因不仅参与花色素代谢，且参与烟草多花调控，这些成果将为开展鸢尾基因工程育种研究奠定理论和技术基础。也为单子叶植物花色素代谢机理研究提供理论依据。 . 利用高通量测序技术分别建立单子叶植物鸢尾属燕子花蓝、白色花花期的转录组、蛋白质组及代谢组数据库，数据库信息量很大，不仅为本项目研究提供了数据支撑，还发现有更多有价值的生物信息有待挖掘，为今后花色调控机理深入解析及其他生物现象解析都提供了必要的数据基础。项目资助发表相关研究核心以上期刊论文20篇；授权专利9项；培育国际登录新品种7个；编制地方标准1项；报告1次；项目培养了7名毕业研究生，在研5人。2018年美国德州农工大学访学，调研了美国鸢尾育种现状，为今后开展国际合作研究奠定了基础。. 非常感谢国家自然基金委的项目资助，使我有机会开展我的兴趣研究，获得系列成果并确定了今后研究方向。