【摘要】：寄生植物是指由于根系或葉片退化或缺乏足夠的葉綠素而必須從寄主植物中掠奪某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分等以滿足自身生長(zhǎng)發(fā)育需求的一類植物。寄生植物與典型的植物自養(yǎng)生活方式大相徑庭,因?yàn)樗鼈円援愷B(yǎng)的方式獲取有機(jī)碳源,利用稱為吸器的特殊器官與寄主植物的根或莖的維管組織直接相連。幾乎所有列當(dāng)科植物都是寄生植物,主要寄生于寄主植物的根部,其中列當(dāng)屬(Orobanche)的寄生植物因其對(duì)農(nóng)作物的危害成為世界上研究最廣泛的寄生植物之一。向日葵列當(dāng)(Orobanche cumana)是一種自身無(wú)法進(jìn)行光合作用的全寄生植物,專性寄生于向日葵(Helianthus annus)的根部,主要分布于歐洲和亞洲北部地區(qū)。向日葵列當(dāng)作為寄生性雜草,嚴(yán)重危害作物向日葵的生長(zhǎng)發(fā)育,是歐亞地區(qū)向日葵產(chǎn)量的一個(gè)重要限制因素。近年來,在我國(guó)向日葵主產(chǎn)區(qū)內(nèi)蒙古和新疆也遭受向日葵列當(dāng)大面積侵染,產(chǎn)量急劇下降,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。本研究從表型、生化、遺傳、基因組等多個(gè)角度對(duì)我國(guó)和歐洲的向日葵列當(dāng)?shù)倪z傳多樣性、萌發(fā)刺激物、生理小種(寄生能力與毒性)等進(jìn)行較全面的探索。在全球首個(gè)向日葵列當(dāng)基因組測(cè)序組裝完成的基礎(chǔ)上,利用基因組重測(cè)序技術(shù)開發(fā)SNP,通過KASP分型技術(shù)構(gòu)建完善其遺傳圖譜。首次對(duì)中國(guó)的向日葵列當(dāng)?shù)幕蚪M進(jìn)行重測(cè)序,以SSR和SNP分子標(biāo)記研究向日葵列當(dāng)在世界不同區(qū)域的遺傳多樣性和種群結(jié)構(gòu)。采用新開發(fā)的根系無(wú)土培養(yǎng)體系鑒定向日葵列當(dāng)生理小種即毒性水平,尋找向日葵列當(dāng)生理小種與種群遺傳多態(tài)性的關(guān)系。為探索寄主根系分泌物中的萌發(fā)刺激物與向日葵列當(dāng)寄生數(shù)量的關(guān)系,開發(fā)了一種霧培體系和固相萃取技術(shù)結(jié)合高精度檢測(cè)向日葵的根系分泌物中的列當(dāng)萌發(fā)刺激物的方法。取得的主要研究結(jié)果如下:(1)采用基于下一代基因組測(cè)序開發(fā)并驗(yàn)證的具有高多態(tài)性的SSRs標(biāo)記來評(píng)估世界不同地區(qū)的向日葵列當(dāng)?shù)倪z傳多樣性。對(duì)來自中國(guó)5個(gè)不同區(qū)域的259份材料和來自歐洲27個(gè)不同區(qū)域的108份材料即共367份材料,通過熒光PCR結(jié)合毛細(xì)管電泳技術(shù)檢測(cè)其遺傳變異水平。向日葵列當(dāng)?shù)氖澜绮煌瑓^(qū)域的遺傳多態(tài)性分析清楚地區(qū)分了中國(guó)種群和歐洲種群。遺傳系數(shù)、主成分分析和系統(tǒng)進(jìn)化樹表明向日葵列當(dāng)種群可劃分為3個(gè)群組:(I)中國(guó)新疆種群,靠近哈薩克斯坦和俄羅斯,寄生于食葵;(II)中國(guó)內(nèi)蒙古種群,寄生于食葵;(III)歐洲種群,寄生于油葵。其中新疆種群具有最多的私有等位基因和最豐富的多態(tài)位點(diǎn),暗示中國(guó)的新疆種群可能是其他向日葵列當(dāng)種群的共同祖先之一,也可能是新疆的向日葵列當(dāng)與當(dāng)?shù)仄渌挟?dāng)科物種雜交的結(jié)果。(2)以西班牙的向日葵列當(dāng)為參考基因組,首次探索了中國(guó)的向日葵列當(dāng)基因組。采用最新基因組重測(cè)序技術(shù),對(duì)9個(gè)具有代表性的中國(guó)內(nèi)蒙古的向日葵列當(dāng)和6個(gè)西班牙向日葵列當(dāng)進(jìn)行基因組重測(cè)序(llumina HiSeq~?3000)。重測(cè)序平均深度為15.3 X,檢測(cè)得到276926個(gè)SNP。基于重測(cè)序篩選的SNP和基于外顯子組測(cè)序并驗(yàn)證得到的1536個(gè)SNP進(jìn)行融合分析與比較,發(fā)現(xiàn)不同地域的向日葵列當(dāng)?shù)倪z傳變異差異較大,且不同的地理環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不同的遺傳基因庫(kù)。世界不同地域的向日葵列當(dāng)種群共有五個(gè)遺傳基因庫(kù):(i)中國(guó)(內(nèi)蒙古);(ii)西班牙中東部昆卡(Cuenca);(iii)西班牙西南部瓜達(dá)威爾河畔(Guadalquivir valley);(iv)法國(guó);(v)東歐地區(qū)(匈牙利、羅馬尼亞、土耳其、烏克蘭)。SNP標(biāo)記與SSR標(biāo)記所揭示的向日葵列當(dāng)種群遺傳多樣性結(jié)果基本一致,即向日葵列當(dāng)中國(guó)種群與歐洲種群遺傳差異較大,暗示了地理隔離和寄主基因型的不同可能導(dǎo)致向日葵列當(dāng)?shù)姆N群發(fā)生適應(yīng)性進(jìn)化,從而產(chǎn)生較大的遺傳多態(tài)性差異。(3)向日葵列當(dāng)親本INA和IN12雜交的91個(gè)F_2個(gè)體采用KASP技術(shù)進(jìn)行SNP分型,以509個(gè)SNP和18個(gè)SSR構(gòu)建出28個(gè)遺傳連鎖群,總圖距為1479cM。向日葵列當(dāng)父母親本INA和IN12重測(cè)序檢測(cè)出SNP40912個(gè),其中13511個(gè)SNP定位到基因組的145個(gè)片段重疊群,占基因組90%。嚴(yán)格篩選出288個(gè)SNP進(jìn)行KASP分型。將新增加的驗(yàn)證有效的130個(gè)SNP錨定到145個(gè)片段重疊群,重組遺傳連鎖群,構(gòu)建得到向日葵列當(dāng)19個(gè)高密度連鎖群,對(duì)向日葵列當(dāng)?shù)娜旧w定位具有重要意義。(4)利用霧培體系和固相萃取技術(shù)檢測(cè)向日葵的根系分泌物中的列當(dāng)萌發(fā)刺激物,將列當(dāng)萌發(fā)刺激物的樣品收集預(yù)處理后,用高效液相色譜儀和三重四極質(zhì)譜法聯(lián)合(UHPLC-TQ-MS)分離檢測(cè)列當(dāng)萌發(fā)刺激物的組分。在霧培體系下,收集得到的列當(dāng)萌發(fā)刺激物探測(cè)到了四種納摩爾與微摩爾級(jí)濃度的向日葵列當(dāng)萌發(fā)刺激物,即去氫木香內(nèi)酯(dehydrocostus lactone)、木香烴內(nèi)酯(costunolide)、蒼耳素(8-epixanthatin)和向日葵內(nèi)酯(heliolactone)。此方法已申請(qǐng)發(fā)明專利。(5)采用無(wú)土根系系統(tǒng)鑒定向日葵列當(dāng)?shù)纳硇》N,此系統(tǒng)比傳統(tǒng)的土壤盆栽試驗(yàn)更節(jié)省空間,更便捷準(zhǔn)確。本研究初步建立了一個(gè)向日葵列當(dāng)生理小種鑒定標(biāo)準(zhǔn),以六個(gè)向日葵品系作為鑒定寄主,即向日葵品系2603、L86、LC1003、LC1093、R96和P96,六周后統(tǒng)計(jì)列當(dāng)?shù)募纳鷶?shù)量。結(jié)果表明中國(guó)和法國(guó)的向日葵列當(dāng)生理小種都介于小種E和F之間,暫定為小種X_(EF),向日葵列當(dāng)?shù)纳硇》N即寄生能力與其種群遺傳多態(tài)性無(wú)關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)新疆種群在食葵LD5009上的寄生數(shù)量遠(yuǎn)多于其他種群,可能是寄主的基因型變化即從油葵轉(zhuǎn)為食葵,促使其發(fā)生適應(yīng)性進(jìn)化,這與基于SSR標(biāo)記的遺傳多樣性分析結(jié)果相符。法國(guó)的列當(dāng)小種鑒定采用土壤盆栽實(shí)驗(yàn),中國(guó)的列當(dāng)小種的鑒定同時(shí)采用了土壤盆栽實(shí)驗(yàn)和無(wú)土根系鑒定系統(tǒng),驗(yàn)證了兩個(gè)體系的結(jié)果相似性,表明無(wú)土根系體系可用于快速準(zhǔn)確鑒定向日葵列當(dāng)?shù)纳硇》N。
【學(xué)位授予單位】：
【圖文】：

2圖1.1列當(dāng)科系統(tǒng)發(fā)育樹.紅色圓點(diǎn)表示非寄生植物向寄生植物過渡；綠色圓點(diǎn)表示半寄生植物向全寄生植物過渡.利用10個(gè)基因位點(diǎn)的數(shù)據(jù)推斷列當(dāng)科系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系(極大似然法)，數(shù)據(jù)來源自Li等人[5,6].Figure1.1PhylogeneticrelationshipswithinOrobanchaceae.Thetransitiontoparasitismisindicatedbyredcircle,transitionstoholoparasitic(fromhemiparasiticancestors)areindicatedbygreencircle.PhylogeneticrelationshipswithinOrobanchaceaeinferredusingmaximumlikelihoodonacombineddatasetoftenloci.AdaptedfromLietal.[5,6].

4圖1.2向日葵列當(dāng)生活史[3].Figure1.2LifecycleofO.cumana[3].1.1.4中國(guó)的向日葵列當(dāng)歷史與現(xiàn)狀向日葵種植業(yè)在中國(guó)發(fā)展的最快時(shí)期是20世紀(jì)80年代和90年代。到上個(gè)世紀(jì)末，中國(guó)有超過一百萬(wàn)公頃的向日葵種植面積。據(jù)中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒(2019)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)向日葵播種面積到達(dá)了921千公頃，產(chǎn)量為249萬(wàn)噸，占中國(guó)農(nóng)作物總播種面積的0.6%。截至2019年，內(nèi)蒙古是我國(guó)最大的向日葵產(chǎn)區(qū)，種植面積約為56萬(wàn)公頃，其次為新疆，種植面積在12萬(wàn)公頃。在中國(guó)，向日葵列當(dāng)雖是在上世紀(jì)七十年代大量出現(xiàn)于向日葵作物種植地區(qū)，但是早在1959年，在內(nèi)蒙古(中國(guó)北部)就發(fā)現(xiàn)了向日葵列當(dāng)，但寄生于青蒿(Artemisiasieversiana)上[16]。1979年，在吉林省田間發(fā)現(xiàn)了寄生于向日葵的列當(dāng)[17]。近幾十年來，特別是20世紀(jì)90年代以來，隨著內(nèi)蒙古、新疆地區(qū)向日葵產(chǎn)量的大幅度提高，向日葵列當(dāng)?shù)娜肭殖蔀楫?dāng)?shù)叵蛉湛a(chǎn)量的嚴(yán)重限制因素。1.1.5寄生雜草的防治控制寄生雜草是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。在過去的40年里，人們考慮了各種控制這些寄生雜草的方法，盡管取得了一些令人鼓舞的結(jié)果，但沒有一種是真正令人滿意的。目前，防除寄生雜草主要通過人工機(jī)械除草、化學(xué)防治、生物防

12圖1.3獨(dú)腳金內(nèi)酯(SLs)和其他萌發(fā)刺激物的結(jié)構(gòu).(a)結(jié)構(gòu)I是獨(dú)腳金醇類型的SL，具有典型的碳原子順序和ABC-D環(huán)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)II是結(jié)構(gòu)I(ent-I)的對(duì)映體，其C-2′位于S形結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)III是結(jié)構(gòu)II的2′-epi-II和結(jié)構(gòu)III的2′-epi-ent的差向異構(gòu)體.(b)獨(dú)腳金醇類型在左列，列當(dāng)醇類型在中間列，右列分別是carlactone，人工合成SL類似物GR24，karrikin和β-apo-13-carotenone.Figure1.3Structuresofstrigolactones(SLs)andothercompounds.(a)C-atomnumberingandthecharacteristicABC-D-ringstructureofastrigol-likeSL(structureI).StructureIIisanenantiomerofstructureI(ent-I)withtheC-2′inanSconfiguration.StructureIIIisanepimerofstructureII(2′-epi-II)anda2′-epi-entofstructureI.(b)Examplesofstrigol-like(leftcolumn)andorobanchol-like(middlecolumn)SLsalongwithstructuresofcarlactone(anSLlackingthetypicalABCring),thesyntheticGR24andent-GR24thatconstitutethecommerciallyavailableracemicmixture,karrikin(KAR1),andβ-apo-13-carotenone(rightcolumn).新報(bào)道的非經(jīng)典SLs除了carlactonoate外，都是寄生植物獨(dú)腳金屬和列當(dāng)屬的萌發(fā)刺激物。向日葵內(nèi)酯(heliolactone)是類胡蘿卜內(nèi)酯(carlactone)類似物,可誘導(dǎo)紫花獨(dú)腳金(Strigahermonthica，中文暫定名),向日葵列當(dāng)(Orobanchecumana),小列當(dāng)(Orobancheminor),圓齒列當(dāng)(Orobanchecrenata)和埃及列當(dāng)(Orobanche
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