【摘要】：楊樹為我國北方一種常見的木材樹種,被廣泛的作為一種防風(fēng)固沙的優(yōu)良樹種,具有速生、豐產(chǎn)等特點,可作為建筑材料、造紙和生物能源材料,在陸地生態(tài)系統(tǒng)中亦可起到碳匯的作用。但由于楊樹木質(zhì)結(jié)構(gòu)較為疏松、硬度低,且抗壓抗彎曲能力較差,制約了楊樹的栽培應(yīng)用。為此本研究以毛白楊(Populus tomentosa Carrière)為實驗材料,對4月生長出離地30cm的萌條莖頂端向下分別取不同橫截面,觀察楊樹的維管組織的連續(xù)發(fā)育過程,通過免疫組織化學(xué)標(biāo)記果膠側(cè)鏈的變化,利用基因表達(dá)變化等分子生物學(xué)的相關(guān)技術(shù),并結(jié)合生物信息學(xué)相關(guān)分析方法,對毛白楊維管組織發(fā)生不同階段的細(xì)胞發(fā)育和分子生物學(xué)機理進行了探討,從而明確可能調(diào)控維管組織細(xì)胞壁發(fā)育的PME基因在不同發(fā)育階段表達(dá)量高低來揭示楊樹木材發(fā)育過程中影響木材結(jié)構(gòu)和木材硬度的果膠甲脂酶基因變化的6個相關(guān)基因:Potri.014G117100.1,Potri.008G104800.1,Potri.003G076900.1,Potri.004G128900.1,Potri.018G068400.1,Potri.007G015700.1,以上6個基因均可能調(diào)節(jié)木材硬度變化的果膠甲脂酶基因。本研究為楊樹資源進一步開發(fā)、利用奠定了基礎(chǔ),本研究主要結(jié)論如下:(1)通過對毛白楊萌條的維管組織連續(xù)切片觀察,發(fā)現(xiàn)原形成層-形成層的發(fā)育過程是隨著莖由上向下逐漸連續(xù)進行分化轉(zhuǎn)變的過程。我們把發(fā)育時期分為四個階段,分別為:原生維管組織階段、發(fā)生層階段、后生維管組織階段、次生維管組織階段。從原形成層到形成層分化是同一組織的的不同發(fā)育階段,且該發(fā)育階段是一個連續(xù)、漸進的過程。(2)通過對楊樹PMEs家族生物信息學(xué)分析,共鑒定得到楊樹中存在24個PME基因家族成員。染色體分布的定位信息結(jié)果表明,除12個基因:Potri.002G145700,Potri.003G076900,Potri.005G012800,Potri.007G015700,Potri.008G104800,Potri.013G008100,Potri.014G117100,Potri.015G110700,Potri.016G017700,Potri.017G054700,Potri.018G068400和Potri.T007200外,其他成員Potri.006G120100,Potri.006G137100,Potri.001G364200,Potri.001G365700,Potri.006G186000,Potri.006G186100,Potri.012G114900,Potri.012G112800,Potri.004G156300,Potri.T007200,Potri.004G128900,Potri.012G115200和Potri.004G033700均位于片段重復(fù)或串聯(lián)重復(fù)區(qū)域,因此推測這12個成員有可能來源于反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座。通過GOEAST對楊樹PME基因家族成員功能富集分析,采用KEGG通路分析表明,該家族成員主要富集分布在葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換通路、戊糖、淀粉和蔗糖代謝通路當(dāng)中。通過進化樹分析發(fā)現(xiàn)楊樹和擬南芥果膠甲酯酶基因家族具有進化上的最大相似性。(3)本研究利用識別果膠不同抗原決定基的四個單克隆抗體(JIM5,JIM7,LM5,LM6),對毛白楊維管形成層發(fā)生和活動不同階段的維管組織進行了免疫組織化學(xué)研究。其中,JIM5和JIM7分別用來識別低甲酯化和高甲酯化的HGA,而LM5和LM6則用于識別RG-Ⅰ的半乳聚糖側(cè)鏈和阿拉伯糖側(cè)鏈。結(jié)果表明,在細(xì)胞分裂比較活躍的部位,JIM5標(biāo)記很少,JIM5多出現(xiàn)在已分化了的木質(zhì)部或韌皮部細(xì)胞的角隅處。伴隨莖的向頂發(fā)育,這些高甲酯化的果膠被甲酯酶不斷地脫甲酯,產(chǎn)生低甲酯化的果膠。這些低甲酯化的果膠細(xì)胞在細(xì)胞壁上失去分裂活性,逐漸分化成特定的細(xì)胞類型之后,就以低甲酯化的形式保留下來,所以在次生維管組織中,形成層區(qū)域平周分裂新產(chǎn)生的切向壁幾乎看不到JIM5標(biāo)記信號。新分化的木質(zhì)部細(xì)胞的次生壁沒有加厚,其切向壁和部分徑向壁看不到JIM5標(biāo)記信號,只在細(xì)胞間的角隅仍有標(biāo)記信號,而次生韌皮部和次生木質(zhì)部細(xì)胞壁上尤其是角隅處標(biāo)記強烈。LM5總是標(biāo)記原生木質(zhì)部-次生木質(zhì)部的連續(xù)發(fā)育過程,同時,LM6總是標(biāo)記從原生韌皮部-次生韌皮部的連續(xù)發(fā)育過程,在原形成層細(xì)胞開始進行平周分裂以后,果膠分布模式發(fā)生變化,因此相應(yīng)的單克隆抗體JIM5、LM5和LM6可被用作區(qū)別原形成層跡階段和發(fā)生層階段分生組織細(xì)胞的標(biāo)志物。LM5則可用作區(qū)別初生韌皮部和次生韌皮部,但始終標(biāo)記木質(zhì)部;LM6可以用來區(qū)別初生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部,但在韌皮部始終有標(biāo)記信號。免疫標(biāo)記為次生維管組織發(fā)育提供了有力的證據(jù),在維管組織最初開始發(fā)育時,其韌皮部和木質(zhì)部細(xì)胞壁上的果膠成分就已有區(qū)別。(4)為了對HGA甲脂化程度和PME家族基因的表達(dá)之間關(guān)系作進一步分析。通過切向低溫切片法分別對楊樹的原生維管組織,發(fā)生層,后生維管組織,次生維管組織進行精確取材,使用高通量RNA-seq測序方法來獲得調(diào)控細(xì)胞壁上果膠含量變化的果膠甲酯酶(PMEs)家族基因在不同發(fā)育階段表達(dá)量高低。最后篩選出可能調(diào)控維管組織發(fā)育的PME基因,其中:Potri.014G117100.1,Potri.008G104800.1,Potri.003G076900.1在初生維管組織里的表達(dá)量高于次生維管組織,而Potri.004G 128900.1,Potri.018G068400.1,Potri.007G015700.1在每個發(fā)育階段都表達(dá),但在次生維管組織里表達(dá)量較高。
【學(xué)位授予單位】：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S792.117

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本文編號：2691148