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甘肃野生草地早熟禾无融合生殖胚发生的分子遗传机理研究
甘肃野生草地早熟禾无融合生殖胚发生的分子遗传机理研究
| 成果信息 |
| 项目年度编号： |
2400160629 |
| 限制使用： |
国内 |
| 省市： |
甘肃 |
| 中图分类号： |
S54 |
| 成果类别： |
基础研究 |
| 成果公布年份： |
2024 |
| 关键词： |
草地早熟禾
牧草
基因表达
|
| 成果简介： |
①课题来源与背景：
课题来源：该课题以国家自然科学基金“甘肃野生草地早熟禾无融合生殖胚发生的分子遗传机理研究”（31760699）为依托，揭示了草地早熟禾无融合生殖发生发育的分子遗传机制，具有重要科学意义和应用价值。
背景：在前期研究中，该课题组采用体细胞杂交技术将甘肃野生草地早熟禾的抗旱性状转移到商用品种中，以选育本土草地早熟禾优良品系。然而，育成品系杂种优势的保持是一个亟待解决的问题。无融合生殖是固定杂种优势最理想的途径，如要将其运用于优良性状的固定，则必须明确其遗传背景和分子机制。
②研究目的与意义：
草地早熟禾不仅是优良的牧草，且是宝贵的草坪草种质资源。此外其生殖方式多样，是研究无融合生殖的“模式”物种。甘肃地处青藏高原、黄土高原、蒙新高原和西秦岭山地的交汇地带，境内地形、气候复杂，早熟禾资源十分丰富，仅特有种就有6种。甘肃早熟禾大多数分布在甘南、祁连山、阿尔金山等寒冷高海拔地带，其中甘南数量居首。且草地早熟禾广泛用于中国西北地区的草坪建植，故以甘肃野生草地早熟禾作为研究材料具有代表性。无融合生殖是指不经精卵融合而产生种子的生殖方式，其能固定杂种优势，是植物育种中的一个研究热点。中国拥有丰富的野生早熟禾资源，了解其无融合生殖机理，发掘和培育本土早熟禾杂种优势新品种已成为中国草坪科学研究的当务之急。
该课题就此问题展开探索，旨在了解甘肃野生草地早熟禾无融合生殖发生方式及其功能基因的表达水平。以阐明草地早熟禾植物无融合生殖发生的分子遗传机制，为将其运用于固定前期获得的本土草地早熟禾杂交品系的优势性状奠定研究基础。因此，该课题具有重要的科学意义和研究价值。
③主要论点与论据：
（1）甘肃野生草地早熟禾种质材料的多胚苗率为0～15.29%，无融合生殖率为11.2～71.04%，最高的是陇南，最低的为甘南；
（2）萌发温度和种子状态对甘肃野生草地早熟禾的多胚率具有影响，其影响程度因材料来源不同而异，故实践中可通过改变萌发温度和去除稃壳改变草地早熟禾的多胚苗频率；
（3）高的ZT、ZR和低的ABA含量、高的（ZT＋ZR）／IAA和（ZT＋ZR）／ABA更有利于草地早熟禾内胚珠向无融合生殖途径发育，可以通过喷施相关外源激素来提高草地早熟禾的无融合生殖率，这在农业生产上将会有重要的意义；
（4）甘肃野生草地早熟禾无融合生殖与有性生殖相关基因的时空表达变化有关，其会导致有性生殖障碍。在转录水平上，无融合生殖的发生和发育受到转录因子的调控，以及许多与减数分裂紊乱、激素信号/应答基因、胚胎发育和表观遗传学相关的基因的共同表达。
（5）鉴定到激素信号转导基因（CKX2、CKX2-like、IPT8、CKX1、CYP90B1、IAA6、IAA27、IAA1-like、ARF14、AUX3、AUX2、SAUR32-like和SAUR32）、胚胎发育相关基因（SERK1、SERK2、SERK2.1、SERK2-like、WUS1、WUS8、WUS11、LEA-like、LEA14A-like、PLEA、LEA）、胁迫反应途径（chalcone synthase、heat-shock factor protein 4、chaperone protein ClpB1-like）、表观遗传途径（Apollo、NOZZLE、SPL7、AGO4b、MEL1-like、AGO4a）以及减数分裂相关基因（RAD50、DMC1）共5类基因参与草地早熟禾无融合生殖胚的发生发育。q-PCR分析结果表明，WUS8和AGO4b在两个材料中的表达模式相反，且与低频材料相比，在高频材料中上调，故WUS8和AGO4b的表达与草地早熟禾无融合生殖胚的发育密切相关。
④创见与创新：
（1）该课题针对甘肃本土草地早熟禾野生种质内存在的无融合生殖这一优良遗传性状，深入解析无融合生殖发生的分子遗传机制，挖掘了甘肃本土草坪草种质功能基因的优异潜能。
（2）该课题在国内外学者已报道的无融合生殖类型观测及鉴定方法的基础上，采用了更系统和先进的技术手段，以系统和高端的分子生物学测试技术和生物信息分析手段向无融合生殖注入了新的研究活力。
（3）该课题以新开发的生物图像辨识技术和生物信息学手段分析草地早熟禾无融合生殖胚发育动态及其基因序列特征和表达情况，进行了知识体系的巧妙整合，研究方法的有机衔接。
⑤社会经济效益，存在的问题：
社会经济效益：该课题明确了控制甘肃野生草地早熟禾无融合生殖胚形成的关键基因和调控因子，对关键基因进行克隆转化，选育出草地早熟禾高无融合生殖品系；进一步在草地早熟禾近源种粮食作物中找到同源基因，对该基因进行克隆、编辑，进而实现粮食作物的一系法育种，带动社会经济的发展，促进和增强中国粮食自我保障能力，夯实粮食安全基础。
存在的问题：对于草地早熟禾这类小型种子来说，将独立的胚珠分离出来极其困难，同时其子房又紧紧包裹于内外稃中，使得分离更为复杂。基于此，无融合生殖胚形成的关键因子因稀释致其表达降低。
⑥历年获奖情况：
（1）2020-2021学年甘肃省优秀博士学位论文；
（2）2017-2018学年甘肃省优秀博士学位论文；
（3）2019年草学会学术年会研究生优秀成果展示“二等奖”。 |
| 申报信息 |
| 登记号： |
9622022J0271 |
| 相关人信息 |
| 完成单位： |
甘肃农业大学 |
| 完成人： |
马晖玲 李玉珠 方强恩 赵春旭 周慧 史毅 牛奎举 刘燕 |
| 行业及专利信息 |
| 应用行业名称： |
谷物及其他作物的种植 |
| 应用行业码： |
011 |
| 转让信息 |
| 投资信息 |
| 推广信息 |
| 联系信息 |
| 联系单位名称： |
甘肃农业大学 |
| 联系单位地址： |
甘肃省兰州市安宁区营门村1号 |
| 邮政编码： |
730070 |
