陳會鮮 梁振華 黃珍玲 韋婉羚 張秀芬 楊海霞 李恒銳 何 文 李天元 蘭 秀 阮麗霞 蔡兆琴 農(nóng)君鑫

木薯花性別分化關鍵時期的轉(zhuǎn)錄組分析及雌花分化相關候選基因的篩選

陳會鮮 梁振華 黃珍玲 韋婉羚 張秀芬 楊海霞 李恒銳*何 文*李天元 蘭 秀 阮麗霞 蔡兆琴 農(nóng)君鑫

廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學研究所, 廣西龍州 532415

針對木薯雌花數(shù)量嚴重缺乏的育種難題, 本試驗以木薯品種‘新選048’為試材, 測定木薯花性別分化關鍵時期雌花和雄花的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù), 分析差異表達基因的功能及其可能參與的調(diào)控通路, 揭示木薯雌花分化的分子機制, 挖掘木薯雌花分化的相關候選基因, 并采用qRT-PCR方法對測序結果進行驗證。結果表明: 在木薯花性別分化關鍵時期, 雌花和雄花共有545個差異基因, 其中48.63%的差異基因富集到花器官的形態(tài)建成及發(fā)育的GO途徑, 且富集到植物苯丙素生物合成、植物激素信號傳導2個代謝通路的基因最多, 4個花性別分化基因、、、在雌花中顯著上調(diào)表達, 4個細胞分裂素信號通路基因、、、在雌花中顯著上調(diào)表達, 生長素的早期響應基因、、、在雌花中顯著下調(diào)表達。因此, 木薯花性別分化主要涉及花粉、配子體、花器官的形態(tài)建成及發(fā)育的生物途徑和植物苯丙素生物合成、植物激素信號傳導2個代謝通路, 細胞分裂素和生長素可能參與了木薯雌花分化過程,、、、、、、、可能是木薯雌花分化的正調(diào)控基因。

木薯; 分化關鍵時期; 轉(zhuǎn)錄組; 雌花; 基因

花性別分化是植物成花生理的一個重要環(huán)節(jié), 受到廣泛關注。1991年, Coen和Meyerowitz首先提出花發(fā)育的“ABC模型”, 經(jīng)過不斷的補充修正, 科學家逐漸建立了更為完善的“ABC(DE)”模型, 該模型指出植物的花萼、花瓣、雄蕊、心皮等4個花器官的發(fā)育分別由A、B、C、D、E類基因共同控制, 其中B類基因調(diào)控雄蕊和花瓣的發(fā)育; C類基因調(diào)控心皮和雌蕊的發(fā)育。隨著研究的不斷深入, 研究者相繼從玉米[1]、黃瓜[2]、油桐[3]、豆柿[4]等多種植物中挖掘出性別決定基因, 發(fā)現(xiàn)植物花性別分化相關基因大多屬于MADS-box基因[5], 且在激素合成、信號轉(zhuǎn)導、雌雄蕊敗育等方面具有重要的調(diào)控作用。因此, 植物花性別分化可能與B類、C類的MADS- box基因有著密切的聯(lián)系。

木薯(Crantz)屬于雌雄同株異花植物, 其雄花比例約為87%～94%之間, 而雌花比例卻僅有6%～13%[6-7]。木薯雌花數(shù)量嚴重缺乏降低了木薯自交和雜交的結實率, 從而降低了木薯的育種效率[8-10]。因此, 如何調(diào)控出更多的木薯雌花, 是木薯育種亟需解決的問題, 但木薯雌花分化的機制還未完全明確。早在20世紀60年代, 研究者就開始了木薯雌花分化機制的探索, 發(fā)現(xiàn)水分、營養(yǎng)、植物激素是木薯雌花分化的調(diào)控因子[11-15]; 近年來, 研究者開始運用轉(zhuǎn)錄組技術探索木薯雌花分化的分子機制。叢漢卿等[16]利用RNA-seq技術對木薯花序與葉片sRNA進行測序, 篩選出調(diào)控花器官的形成和胚珠及花藥發(fā)育的基因miR172和miR167; 韋麗君等[17]對即將開放的木薯雌雄花進行轉(zhuǎn)錄組分析, 篩選出雌雄花分化相關基因87個, 分為MYB、WRKY、bHLH和ERF四大類轉(zhuǎn)錄因子。雖然, 叢漢卿等[16]、韋麗君等[17]已開展了木薯雌花分化機制的相關研究, 但是兩者研究采用的試材分別是木薯花性別未分化的花芽和花性別分化完成的雌雄花, 而轉(zhuǎn)錄組具有時間和組織的特異性, 使得前人的研究結果可能存在一定的局限性。

為了深入探討木薯雌花分化的機制, 本研究團隊在前期工作中, 利用石蠟切片和電鏡掃描技術, 觀察木薯雌雄花分化發(fā)育過程, 確定了木薯花性別分化的關鍵時期為現(xiàn)蕾期后3～7 d[18]。在確定木薯花性別分化關鍵時期的基礎上, 本試驗有針對性地分析木薯花性別分化關鍵時期的雌雄花轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù), 探索木薯花性別分化過程中差異表達的基因功能及可能參與的調(diào)控通路, 挖掘木薯雌花分化的相關候選基因, 為木薯的分子育種提供重要的基因資源, 也為木薯雌花的人工調(diào)控提供理論基礎, 具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗的供試品種為‘新選048’, 該品種來源于廣西大學, 具有開花早、花量多、雌花占比高的開花特性, 以該品種為供試材料可有效提高樣品采集的效率。在木薯現(xiàn)蕾后4～5 d, 雌雄花分化活躍, 是木薯雌花和雄花分化的關鍵時期, 此時的雌花、雄花在花性別分化上更具特異性和代表性, 因而采集木薯現(xiàn)蕾后4～5 d的雌花、雄花進行轉(zhuǎn)錄組測序。

試驗設置3個試驗小區(qū), 每個小區(qū)種植100株木薯植株。采集每個小區(qū)現(xiàn)蕾后4～5 d的木薯花序, 用液氮速凍后帶回實驗室, 在低溫的環(huán)境下用鑷子迅速剝離同一花序上的雌花、雄花, 然后同一個小區(qū)的雌花或雄花分別合在一起, 3個小區(qū)的雌花樣品分別記為A1-1、A1-2、A1-3, 雄花樣品分別記為A2-1、A2-2、A2-3, 樣品放置在-80℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 木薯花性別分化關鍵時期雌花、雄花的轉(zhuǎn)錄組測序方法

采用DP424試劑盒(天根生化科技(北京)有限公司), 從6個樣品中提取總RNA。采用瓊脂糖凝膠電泳分析RNA的完整性及是否存在DNA污染?？俁NA為建庫起始RNA, 總量大于等于1 μg。使用Oligo-dT引物進行擴增, AMPureXP beads分選250～300 bp cDNA, 獲得純化后文庫。文庫完成構建后, 稀釋文庫至1.5 ng μL-1, 使用Qubit2.0 Fluorometer進行初步定量, 再使用Agilent 2200 Bioanalyzer檢測文庫片段, 當片段長度符合預期后上機測序。將質(zhì)檢合格的文庫根據(jù)有效濃度和目標數(shù)據(jù)量進行Illumina Novaseq 6000雙端測序, 得到讀長為150 bp的配對序列。

1.3 轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)分析及差異基因功能富集

使用fastp過濾下機數(shù)據(jù)(PFdata), 去除低質(zhì)量數(shù)據(jù)和接頭。使用HISAT2 (v2.1.0)將cleanreads映射到木薯參考基因組(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ genome/?term=%20Manihot%20esculenta), 用Samtools軟件對比對結果進行格式轉(zhuǎn)換、排序; 使用Htseq軟件對cleanreads進行計數(shù); 用StringTIE組裝轉(zhuǎn)錄本, 并統(tǒng)計基因豐度表達; 使用R語言(版本: 3.6.3)進行轉(zhuǎn)錄組下游數(shù)據(jù)分析; 用DESeq2軟件包分析基因表達量差異。對于生物學重復, 將差異基因篩選的條件設置為|log2FC|≥1,-adjust≤0.05, 獲得差異表達的基因。使用bioDBnet網(wǎng)站進行基因ID的轉(zhuǎn)換。利用R包ClusterProfiler (v4.2.2)對差異基因進行KEGG和GO富集分析, 篩選-value≤0.05為顯著通路。

1.4 木薯雌花分化相關候選基因的篩選

前人的研究表明植物花性別分化與植物激素、性別決定基因有著密切的聯(lián)系。因此, 木薯雌花分化相關候選基因的篩選主要從性別分化相關GO途徑、激素信號轉(zhuǎn)導的pathway途徑篩選, 獲得非冗余基因。

1.5 木薯雌花分化相關候選基因的qRT-PCR驗證

使用Primer Premier引物設軟件設計qRT-PCR引物, 引物序列詳見表1, 由生工生物工程(上海)股份有限公司合成, 所有引物均用PCR擴增、電泳和溶解曲線進行測試, 以保證引物具有特異性。每個樣本設置3個技術性重復。按照ChamQUniversal SYBR qPCR Master Mix試劑盒說明書對目的基因進行qRT-PCR檢測。用Bio-Rad CFX Manager 3.1軟件收集處理數(shù)據(jù), 以β-actin (Manes.13G084300)為內(nèi)參基因, 用2-ΔΔCt對mRNA進行定量數(shù)據(jù)分析, 并用檢驗進行統(tǒng)計分析。

表1 熒光定量PCR引物設計

2 結果與分析

2.1 木薯花性別分化關鍵時期雌花和雄花轉(zhuǎn)錄組測序質(zhì)量分析

對6個樣品進行轉(zhuǎn)錄組測序, 將數(shù)據(jù)上傳于服務器中進行質(zhì)控、比對、計數(shù), 分析堿基的組成及質(zhì)量分布。通過對6個cDNA文庫進行測序, 雌花得到5098.2～3542.1萬個讀數(shù), 7.25～4.83 G堿基數(shù); 雄花得到4220.5～3198.1萬個讀數(shù), 5.79～4.38 G堿基數(shù)。按照二代測序的要求, Q20 (堿基正確識別率99%)的堿基比例必須大于95%且不能低于90%; Q30 (堿基正確識別率99.9%)的堿基比例必須大于85%且不能低于80% (表2)。本試驗中, 6個cDNA文庫的Q20值均在95%以上, Q30值均在87%以上, 這說明本試驗的測序數(shù)據(jù)質(zhì)量很高, 可用于后續(xù)的木薯雌花分化相關候選基因的挖掘工作。

2.2 木薯花性別分化關鍵時期的雌花、雄花差異基因表達分析

利用R軟件包DESeq2進行差異分析, 結果如圖1和圖2所示, 雌花VS雄花共獲得545個差異基因, 其中已知基因為480個, 未知基因為65個; 共有459個基因在雌花中上調(diào), 共有86個基因在雌花中下調(diào); 共有33個基因單獨在雌花中表達, 共有143個基因在雄花中單獨表達。從差異基因的火山圖(圖3)來看, 差異較大的基因有:、、、、、、。

2.3 差異表達基因的GO富集分析

對545個差異基因進行GO富集分析, 一共顯著富集到29個GO條目(二級分類), 包括14個生物過程(biological process)、8個細胞組分(cellular component), 7個分子功能(molecular function)。前20條顯著富集到的GO條目(三級分類)如圖4, 其中涉及到生物過程類別的GO條目18條, 涉及到分子功能類別的只有2條。在生物過程中, 60.79%的GO條目是關于花粉、配子體、花器官的形態(tài)建成及發(fā)育, 涉及的基因總數(shù)為265個, 占總差異基因數(shù)的48.63% (圖5)。這說明木薯花性別分化關鍵時期的配子體及花器官的發(fā)育或敗育最為活躍。

2.4 差異表達基因的KEGG功能富集分析

差異表達基因的KEGG功能富集分析結果如圖6所示, 排在前20的代謝通路中苯丙素的生物合成、植物激素信號傳導、丙酮酸代謝、類黃酮生物合成、甘油脂類新陳代謝、玉米素生物合成、泛酸和輔酶A的生物合成、檸檬烯和蒎烯的降解、二苯乙烯類二芳基庚烷類和姜辣素的生物合成等10個通路的值小于0.02, 說明木薯雌雄花分化涉及到苯丙素、丙酮酸、類黃酮、甘油脂類、二苯乙烯類、二芳基庚烷類、玉米素、泛酸、姜辣素、檸檬烯、蒎烯等物質(zhì)的代謝通路, 其中苯丙素生物合成、激素信號傳導2個代謝通路涉及的基因最多。這說明苯丙素生物合成、激素信號傳導2條代謝通路可能參與了木薯雌雄花的分化過程。

表2 堿基信息統(tǒng)計表

圖1 差異基因的統(tǒng)計圖(雌花)

圖2 差異基因的維恩圖圖

圖3 雄花 vs 雌花的火山圖

紅色區(qū)域表示雄花上調(diào), 藍色區(qū)域表示雄花下調(diào)基因。

Red areas represent up-regulated genes in male flowers, and blue areas represent down-regulated genes in male flowers.

圖4 前30條顯著富集到的GO條目

圖5 差異基因顯著富集的GO條目

圖6 前20條顯著富集到的KEEG通路

2.5 木薯雌花分化相關候選基因篩選

2.5.1 木薯花性別分化相關基因的表達分析 通過對差異基因進行GO數(shù)據(jù)庫的功能注釋分析, 獲得生物過程類別中花發(fā)育途徑的21個差異基因, 除去功能冗余基因, 共注釋到17個基因, 其中有2個基因被注釋為, 2個基因被注釋為, 2個基因被注釋為, 2個基因被注釋為, 其余差異基因分別被注釋為、、、、、、、、、、、、通過繪制熱圖進一步分析差異基因在雌雄花中的表達水平(圖7)發(fā)現(xiàn),、、、在雌花上顯著上調(diào);、、、、、、、、、、、、在雌花中顯著下調(diào)。這21個基因的上下調(diào)控表達可能參與到木薯的雌花分化過程。

圖7 花性別分化相關候選基因熱圖

顏色代表響應的的FPKM值, 數(shù)值越大, 顏色越紅, 從左至右樣本依次為雌花-1 (A1-1)、雌花-2 (A1-2)、雌花-3 (A1-3)、雄花-1 (A2-1)、雄花-2 (A2-2)、雄花-3 (A2-3)。

The color represents the FPKM value of the response. The larger the value, the redder the color. From left to right, the samples are female flower-1 (A1-1), female flower-2 (A1-2), female flower-3 (A1-3), male flower-1 (A2-1), male flower-2 (A2-2), and male flower-3 (A2-3).

2.5.2 激素信號傳導相關基因的篩選 差異表達基因在KEGGpathway數(shù)據(jù)庫中注釋, 獲得18個植物激素信號轉(zhuǎn)導途徑(KEGGID: mesc04075)的差異基因。其中2個基因被注釋為絲氨酸/蘇氨酸激酶(Serine/threonine-protein kinase,)、2個基因被注釋為生長素蛋白基因()、3個基因被注釋為吲哚-3-乙酸氨基合成酶(Indole-3-acetic acid-amido synthetase,)、4個基因被注釋為TGA轉(zhuǎn)錄因子、2個基因被注釋為雙組分反應調(diào)節(jié)器ARR基因、2個基因被注釋為生長素反應蛋白(Auxin-responsive protein,)、1個基因被注釋為組氨酸激酶(Histidine kinase 4,)、1個基因注釋為組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白(Histidine-containing phosphotransfer protein 4,)、1個基因注釋為MYC轉(zhuǎn)錄因子。根據(jù)基因功能注釋結果, 這19個差異基因中, 4個基因參與細胞分裂素信號通路, 且在雌花中顯著上調(diào)(圖8); 7個基因是生長素的早期響應基因, 除了以外其他6個基因均在雌花中顯著下調(diào)(圖9)。由此猜測, 細胞分裂素可能對木薯雌花分化具有促進作用, 生長素對木薯雌花分化可能具有抑制作用。

圖8 細胞分裂素信號通路基因表達模式分析

顏色代表響應的的FPKM值, 從左至右樣本標號參照圖7。

The color represents the FPKM value of the response, and the sample labels from left to right refer to those given in Fig. 7.

圖9 生長素響應基因的表達模式分析

顏色代表響應的的FPKM值, 從左至右樣本標號參照圖7。

The color represents the FPKM value of the response, and the sample labels from left to right refer to those given in Fig. 7.

2.6 差異表達基因的qRT-PCR驗證

在木薯雌花分化相關候選基因中, 選取3個上調(diào)基因(、、)、2個下調(diào)基因(、)、3個細胞分裂素代謝通路相關的基因(、、)、2個細胞分裂素代謝通路的基因(、), 進行qRT-PCR分析。由圖10可知,、、CRC、、在雌花中的相對表達量顯著上調(diào), 表達差異倍數(shù)在3.50～8.29;、、、在雌花中的表達量顯著下調(diào), 表達差異倍數(shù)為3.60～6.14; 差異分析結果顯示, 除外, 其他9個基因的表達量在雌花、雄花中的差異顯著。雖然,在雌雄花中的表達量差異不顯著, 但是10個差異基因在qRT-PCR驗證中的表達量變化趨勢與轉(zhuǎn)錄組分析中的表達量變化趨勢相吻合, 說明轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)準確。

圖10 差異表達基因qRT-PCR驗證的相對表達量

柱狀圖上小寫字母表示雌花、雄花之間10個候選基因的表達量差異達顯著水平(< 0.05)。

Different lowercase letters on the histogram indicate that there are significantly different in the relative expression levels of 10 candidate genes between female and male flowers at< 0.05.

3 討論

3.1 木薯花性別分化可能主要涉及花器官形態(tài)建成、發(fā)育的生物途徑, 且苯丙素生物合成、植物激素信號傳導是木薯花性別分化的重要代謝通路

本研究中木薯花性別分化關鍵時期, 雌花、雄花的差異表達基因主要參與花粉、配子體、花器官的形態(tài)建成及發(fā)育的生物學過程。植物花在發(fā)育早期均有一個“兩性”階段, 這個時期同時的花同時存在雌蕊和雄蕊, 但隨著花發(fā)育的持續(xù)進行, 雄花中的雌蕊或雌花中的雄蕊會在花性別分化關鍵時期逐漸降解或敗育, 從而形成單性花[19]?？梢? 花性別分化關鍵時期是雌、雄配子體發(fā)育和敗育的活躍時期, 故而這個時期的差異表達基因主要參與花粉、配子體、花器官的形態(tài)建成及發(fā)育的生物學過程, 這也側(cè)面驗證了本研究的采樣具有代表性。此外, 雌花的上調(diào)表達的基因數(shù)量遠遠低于下調(diào)表達的基因(在雄花中上調(diào)表達的基因)數(shù)量, 造成這一現(xiàn)象的原因可能是雄花發(fā)育過程相較于雌花發(fā)育更為復雜,其調(diào)控和生理代謝可能更活躍, 這一點在其他研究中也得到了驗證[20]。

在顯著富集的Pathway中, 木薯花性別分化關鍵時期的雌雄花差異基因富集到植物苯丙素生物合成、植物激素信號傳導2個代謝通路的DEG最多, 說明苯丙素生物合成、植物激素信號傳導2個代謝通路可能是影響木薯花性別分化的重要代謝通路。平阿敏[21]在分析白菜花芽1級～5級分化過程的表達譜, 發(fā)現(xiàn)白菜花器官發(fā)育過程中苯丙素的生物合成顯著性富集。雖然, 目前沒有證據(jù)證明苯丙素生物合成與植物的花器官發(fā)育有直接關系, 但是合成苯丙素的相關酶基因參與合成黃酮類色素[22], 而黃酮類色素又被證實與植物花器官發(fā)育有直接的關系。這就間接說明苯丙素生物合成與花器官發(fā)育密切相關。植物激素在植物性別分化過程中起重要的調(diào)控作用, 是植物花性別分化的誘導信號之一[23]。因此, 木薯性別分化的差異基因顯著富集到植物植物激素信號傳導的代謝通路也在情理之內(nèi)。

3.2 AGL11、YABBY4、CRC、SUP可能調(diào)控木薯雌花心皮和子房的發(fā)育,MYB33、MYB35、MYB80等13個基因可能負調(diào)控木薯雌花分化

類基因之間相互協(xié)調(diào)在植物雌蕊發(fā)育過程中起重要作用,類基因可分為分支和分支,單獨形成一支, 屬于ABCDE模型中的C類基因[24-25]。目前在在番茄、葡萄、水稻、石榴等物種上已被驗證出對雌花的子房、胚珠發(fā)育有著重要調(diào)控作用[26-27]?；蚣易迨且活惙N子植物特有轉(zhuǎn)錄因子, 在擬南芥中含6個基因家族成員, 其中就包括本研究的上調(diào)基因(,)和(),基因在胚珠發(fā)育中發(fā)揮重要作用[28-32],在擬南芥中參與蜜腺、心皮遠軸端的發(fā)育[33-34]。類基因主要參與雌蕊及胚珠的發(fā)育, 并調(diào)節(jié)花第3、4輪細胞的增殖平衡, 其突變體的雄蕊增多且心皮的發(fā)育受阻[35]。本研究中、、、等基因在木薯雌花中顯著上調(diào), 這說明木薯的、、、基因可能通過調(diào)控木薯雌花的心皮及子房的發(fā)育, 對木薯雌花分化起到正調(diào)控作用。

MYB轉(zhuǎn)錄因子在花藥發(fā)育過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用,、、在擬南芥的花粉壁、絨氈層發(fā)育中起到重要作用, 其突變體會出現(xiàn)花粉敗育或花粉壁發(fā)育畸變[36],與序列相似, 且在花粉發(fā)育方便具有相同的功能, 其突變體會出現(xiàn)花藥發(fā)育缺陷的表型[37-38]。絨氈層參與花粉壁物質(zhì)合成, 為小孢子發(fā)育提供營養(yǎng)并適時地分泌胼胝質(zhì)酶以釋放小孢子, 其在花藥發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用。遺傳途徑被證實參與調(diào)控擬南芥絨氈層發(fā)育, 其中和在絨氈層早期發(fā)育中起作用, MS1在絨氈層晚期發(fā)育中起重要作用[39-40]。此外,、、、等基因在其他作物上被證實參與植物花粉的發(fā)育[40-44]。因此,、、、、、、、、、、、等基因主要調(diào)控花粉的發(fā)育, 其下調(diào)表達則使得花粉壁或絨氈層的發(fā)育受阻, 從而出現(xiàn)雄蕊的退化或敗育, 對木薯雌花分化起到負調(diào)控作用, 很好解釋了、、、、、、、、、、、基因在木薯雌花中顯著下調(diào)的現(xiàn)象。是導致水稻雄性不育的基因[45-46], 但是在木薯雌花中卻呈現(xiàn)下調(diào)表達。造成這種差異的原因可能是物種不同導致功能上的差異, 但需要進一步驗證, 以明確木薯的基因在雌花分化中的功能。

3.3 細胞分裂素可能對木薯雌花分化具有促進作用

本研究共獲得19個植物激素信號轉(zhuǎn)導途徑的差異基因, 發(fā)現(xiàn)細胞分裂素信號通路中、、、在雌花中顯著上調(diào), 生長素的早期響應基因、、、在雌花中顯著下調(diào)。前期工作中, 本團隊發(fā)現(xiàn)在木薯雌雄花分化關鍵時期, 雌花的細胞分裂素含量顯著高于雄花, 雌花的生長素含量顯著低于雄花[19], 與本研究的結果相一致。Deborah等[7]發(fā)現(xiàn)增施細胞分裂素可以有效提高硫代硫酸銀(STS)在促進木薯雌花分化上的作用; Fr?schle等[14]和Luo等[15]認為在花發(fā)育早期用細胞分裂素處理木薯, 能有效地促進雌花的發(fā)育。這些研究結果表明細胞分裂素可促進木薯雌花分化。

4 結論

木薯花性別分化主要涉及花器官的形態(tài)建成、發(fā)育的生物途徑和植物苯丙素生物合成、植物激素信號傳導2個代謝通路、、、4個基因正調(diào)控木薯雌花分化, 細胞分裂素信號傳導基因、、、也參與到促進木薯雌花分化的過程,、、、、、、、、、、、、在木薯雌花中顯著下調(diào), 對木薯雌花分化可能起負調(diào)控作用。

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Transcriptomic profile of key stages of sex differentiation in cassava flowers and discovery of candidate genes related to female flower differentiation

CHEN Hui-Xian, LIANG Zhen-Hua, HUANG Zhen-Ling, WEI Wan-Ling, ZHANG Xiu-Fen, YANG Hai-Xia, LI Heng-Rui*, HE Wen*, LI Tian-Yuan, LAN Xiu, RUAN Li-Xia, CAI Zhao-Qin, and NONG Jun-Xin

Guangxi Institute of Sub-tropical Agricultural Sciences, Longzhou 532415, Guangxi, China

To solve the breeding problem of the serious shortage of female cassava flowers, cassava variety ‘Xinxianxuan 048’ was used as the experimental material. Transcriptional sequencing technology was used to analyze the biological information of differentially expressed genes in female and male flowers during the critical period of cassava flower sex differentiation, explore the functions of differentially expressed genes and possible regulatory pathways involved, excavate candidate genes related to female differentiation, and verify the sequencing results by qRT-PCR method. The results showed that: There were 545 differentially expressed genes between male and female cassava flowers at the critical stage of gender differentiation. Among them, 48.63% of the differential genes were enriched in GO pathway of floral organ morphogenesis and development, and the genes enriched in plant phenylpropanol biosynthesis and plant hormone signal transduction were the most.,,,and other flower sex differentiation genes were significantly up-regulated in female flowers. Four genes of the cytokinin signaling pathway, including,,, and, were significantly up-regulated in female flowers, while,,, and, the early auxin response genes, were significantly down-regulated in female flowers. Therefore, the sexual differentiation of cassava flowers mainly involved the biological pathways of pollen, gametophyte, floral organ morphogenesis and development, and two metabolic pathways of plant phenylpropanoid biosynthesis and plant hormone signal transduction. Cytokinin and auxin might be the main hormones in cassava female flower differentiation.,,,,,,, andmay be positive regulators of cassava female flower differentiation.

cassava; key stages of sex differentiation; transcriptome; female flowers; gene

2023-05-24;

2023-06-06.

10.3724/SP.J.1006.2023.34002

通信作者(Corresponding author): 李恒銳, E-mail: lihengrui88@163.com; 何文, E-mail: 675559090@qq.com

E-mail: 798555436@qq.com

2023-01-05;

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2020YFD1000603-10), 廣西青年科學基金項目(2023GXNSFBA026150), 廣西農(nóng)業(yè)科學院科技發(fā)展基金項目(桂農(nóng)科2022JM96), 崇左市科技計劃項目(崇科攻2021ZC18)和廣西農(nóng)業(yè)科學院基本科研業(yè)務專項(桂農(nóng)科2023YM44)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2020YFD1000603-10), the Guangxi Youth Science Foundation Project (2023GXNSFBA026150), the Guangxi Academy of Agricultural Sciences Development Fund Project (Guinongke 2022JM96), the Science and Technology Plan Project of Special Project for Basic Scientific Research of Chongzuo (Chongkegong 2021ZC18), and the Guangxi Academy of Agricultural Sciences (Guinongke 2023YM44).

URL: https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.1809.S.20230615.1818.008.html

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