摘要
竹叶花椒（Zanthoxylumarmatum）属于芸香科（Rutaceae）花椒属（Zanthoxylum.），因果实可作为具有辛麻味的传统调味料而广为人知，是我国助农增收脱贫致富的理想树种之一。然而，以孤雌生殖为主的竹叶花椒常出现大量开雄花的现象，导致产量显著下降，严重影响椒农收益和竹叶花椒产业发展，但该现象发生的内在原因尚不明确。据此，本研究针对竹叶花椒生产实践中植株易雄性化问题，以纯雌株和纯雄株为研究对象，采集了26个不同分化时期的雌雄花芽样品，综合利用体式显微镜、石蜡切片和扫描电镜确定了4个雌雄花分化关键阶段，并利用转录组测序，植物内源激素和糖类物质含量检测，解析了与雌雄花分化相关的关键内源因子，为后期开展竹叶花椒性别分化调控机理的深入研究，以及雄花防控新技术研发提供理论依据和数据支撑。主要研究结果如下： （1）26个不同时间点花芽的多种形态学观察结果表明，竹叶花椒的芽着生于叶腋基部，主要为混合芽，形态与叶芽无异。从当年9月下旬起，部分混合芽逐渐进入花芽分化期，雌雄花原基在分化始期无明显差异，随着花器官原基的不断分化形态差异逐步明显，至翌年3月分化完成。整个雌雄花分化过程可分为4个关键阶段：未分化期（雄花M1，雌花F1）、花原基启动期（雄花M2，雌花F2）、花原基分化期（雄花M3，雌花F3）和花芽分化成熟期（雌花M4，雄花F4）； （2）竹叶花椒雌雄花4个关键分化阶段的转录组测序共获得156.3Gb的原始数据，碱基错误率为0.03%，GC含量介于43%~45%之间，各测序样品与竹叶花椒参考基因组的比对率均大于78%。上述结果表明，本研究获得了高质量的竹叶花椒雌雄花分化转录组数据集； （3）雄花分化过程上调的差异表达基因显著富集于细胞分裂素（CTK）和茉莉酸（JA）信号转导、半乳糖代谢和淀粉与蔗糖代谢通路。然而，雌花分化过程显著上调的差异表达基因主要富集于脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）信号转导通路。此外，生长素（IAA）合成和信号转导通路相关基因在雌雄花分化过程中均有富集，说明其可能是影响花芽分化发育的重要物质。雄花与雌花4个分化阶段样品间的比较组合M1vs.F1、M2vs.F2、M3vs.F3、M4vs.F4中分别获得1586、2251、2184和2912个差异表达基因。KEGG富集分析结果显示，各比较组合的上调基因均富集到玉米素生物合成、淀粉与蔗糖代谢以及CTK合成与信号转导通路。同时，雌雄花分化15个阶段的荧光定量检测结果再次表明，上述富集通路在雄花分化过程中呈明显上调表达。此外，12种植物内源激素检测结果显示，细胞分裂素类物质反式玉米素（TZ）和反式玉米素核苷（TZR）以及JA与雄花分化相关，而SA、ABA和赤霉素GA1与雌花分化相关。总糖、可溶性糖、海藻糖以及蔗糖含量在雄花分化过程中均有不同程度的显著上调； （4）雄花与雌花4个分化阶段样品间的比较组合共筛选到37个MADS-box转录因子相关差异表达基因。基于模式植物拟南芥TAIR11数据库的BLASTX比对分析，这些差异基因可分为11个亚家族，包括AP1、AP2、AP3/PI、STK/SHP、SEP、SVP、SOC1、FYF以及各类AG-like家族基因，表明竹叶花椒的花芽分化过程符合ABCDE模型。差异分析结果显示，所获11个AP3仅在雄花分化成熟阶段明显上调，表明B类基因在竹叶花椒雄蕊分化过程有重要作用。此外，这些差异基因中包含14个参与植物营养生长向生殖生长转变的转录因子。其中，Zardc51954（ZaSOC1）和Zardc30745（ZaSVP）在雌花分化过程中明显上调，而ZaFYF（Zardc33025，Zardc51499，novel.4695）在雄花分化过程中明显上调； （5）结合上述研究结果，竹叶花椒雌雄花分化相关的83个关键因子共表达网络分析表明，蔗糖、JA以及CTK合成与信号转导通路可能在雄花分化过程中发挥了重要作用。此外，12个AP3/PI亚家族转录因子也与雄花分化相关。
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