柳树“飞絮”特异基因异源表达和转基因表型初步解析文献综述

 2022-04-11 20:51:32

摘要:本文主要讨论了柳树的飞絮问题,说明柳树飞絮的形成原因,与柳树飞絮的危害,飞絮问题是阻碍柳树更大面积种植,具有更大经济价值的重要问题,本文说明了一些解决方法,但主要是表型研究与机理研究,对于基因层面涉及较少,目前已经有的基因方面的研究,主要是一些小型柳树树种,如蒙古柳,簸箕柳等,对于大型杨树研究较少,运用基因工程技术对柳树进行基因改造,多 是在柳树中转入与花芽分化相关基因正义或反义序列,抑制柳树花芽分化,目前,控制花芽分化的转基因工程尚在研究阶段,离实际具有较大差距。

Abstact:This paper mainly discusses the problem of the willow,illustrat willow the formation of the reasons, and the harm of willow ,the willow treersquo;s problem is more large, important issues with greater economic value, this article illustrates some solutions, but they are mainly phenotypic study and mechanism research, involving less on gene level, at present has some genetic research, mainly some small willow tree species, such as Mongolia, dustpan willow, etc., for large poplar research less, using genetic engineering to willow genetically modified, more is to flower bud differentiation related genes in the willow justice or antisense sequence, At present, the transgenic engineering to control flower bud differentiation of willow is still in the research stage, which is far from the practice.

杨树和柳树是中国城市绿化的主要树种,也是中国北方发叶最早、落叶最晚的阔叶乔木树种,其树体高大、遮荫面积大和效果好等诸多优点,杨柳树在开花结实季节,雌株会产生大量飞絮,这种飞絮是由柳树雌株的珠被发育而来,是柳树长期适应性进化的结构,对柳树种子传播有利,但会对自然环境产生众多危害。我们对柳絮,杨絮做了众多分析,将其与棉花/蚕丝天然纤维的微观结构进行比较研究,杨絮/柳絮与棉花/蚕丝天然纤维形貌有显著差异—棉花纤维较粗、且具有优良的拉伸性能,而杨絮、柳絮纤维则较短,拉伸性能比差;FTIR光谱比较分析,发现棉花与杨絮、柳絮的主要化学结构都是纤维素,但是棉花纤维中氢键结合的羟基(—OH)伸缩振动吸收峰吸收强度明显大于杨絮,这也是导致棉花纤维长、纤维拉伸性能优于杨絮、柳絮的因素之一,所以柳絮|杨絮与棉花有着截然不同的功能,柳絮不能像棉花一样被利用,我们采取了各种方法来抑制柳絮飞絮。

目前已经完成柳树的全基因组测序,使柳树成为了木本的模式植物,但是由于木本植物的固有缺陷,生长周期长,所以柳树研究还面临着很多困难,主要是现在的表型研究,我国是柳树种植大国,柳树是北方的主要树种之一,所以关于柳树的飞絮现象急需解决,具体有多种方法,可以使用更新树种,砍除飞絮柳树,以柳树雄株代替,但是这种方法缺点较多,还可以采用大树去冠的方法,将飞絮柳树的树冠进行强修理,这样柳树在当年只进行营养生长,不会产生飞絮,高位嫁接法法是在去冠柳树雌株上嫁接柳树雄株,使之转化为雄株。以上方法都有较大缺陷。

而现在主要的解决方法主要是使用药剂处理,目前这种药剂有多种,有报告的疏花疏果的化学药剂,此药剂的原理是使杨树雌花花序未形成飞絮之前提前形成离层,使雌花序提早脱落,该方法对杨树雌花序的疏除效果仅有70%,而且有柳树有害,不能用于柳树飞絮防治。还有许多其他药剂可以控制杨柳树花芽的发育,如花期通过对毛白杨、垂柳和杂交杨等林木喷洒石硫合剂,使雌花柱头灼伤,阻碍授粉受精,从而抑制结果,减少杨柳树结果量,使种子成熟时飞絮量显著减少,实现净化空气,减少环境污染。

北京林业大学所研制“抑花一号”是一种成本较低,环境污染无或极低的一种成熟的药剂,可以一直杨柳树的散粉与飞絮,“抑花一号”可有效地抑制毛白杨和绦柳等杨柳树雌雄株花芽的分化,从而可以控制这些植物飞散花粉和产生飞絮。“抑花一号”注射时间、注射浓度、注射剂量,以及毛白杨和绦柳大小对毛白杨和绦柳飞絮防治效果均有一定影响作用,其中注射剂量和注射时间是影响毛白杨和绦柳飞絮防治效果的最主要因素。毛白杨和绦柳分别在注射推荐用药剂量后没有出现生长不良症状,同时由于毛白杨和绦柳在注射“抑花一号”后将生殖生长所需的营养用于营养生长,促进了毛白杨和绦柳的生长势,因此“抑花一号”对杨柳树无药害。现已经成为较为有效的防治飞絮的措施。

在应用上,已经经过了众多检测,人们对于“抑花一号”作用研究的还比较深刻。针对哈尔滨地区飞絮的时间及特征进行了细致分析,对比更换飘絮树种(选择雄株树木)、选择抑花一号药物注射抑制、增加人工修剪及人工喷水增湿等除絮技术方法,筛选出北京园林科研所研制的抑花一号除絮效果最好。应用'抑花一号'研究了垂柳的花芽分化发端时间。在垂柳花芽分化发端时间前注射'抑花一号',其芽基本上都分化为叶芽;在其花芽分化发端时间期间注射'抑花一号',其芽部分分化为花芽,部分分化为叶芽;在其花芽分化发端时间后注射'抑花一号',其芽基本上都分化为花芽。

由于柳树种类较多,而且生长习性不同,现在的主要研究为小型的柳树。蒙古柳,与大多数木本植物相比,蒙古柳个体较小,童期较短,易开花,是研究木本植物雌雄花发育,开花机理的重要材料,对其繁殖和育种研究有重要意义。对于蒙古柳进行了转录组数据测定与数据评价,进行了雌雄花芽共有基因分析,以叶芽为对照,和雌雄花芽特异表达基因分析等工作。当前已有基于RNA-Seq的蒙古柳,雌雄花芽萌动期特异表达基因解析,采用前一年从春天到秋天发育完成并经过冬季休眠的4月初处于萌动期的雌花芽、雄花芽、雌株叶芽、雄株叶芽作为实验材料,对蒙古柳的雌花芽、雄花芽、雌株叶芽、雄株叶芽进行了转录组测序,探讨雌雄花芽及雌雄株基因表达特征,为蒙古柳开花机理及早期雌雄鉴别研究奠定基础。

转录组是特定组织或细胞在某一发育阶段或功能状态下转录出来的所有RNA的总和,主要包括信使RNA和非编码RNA,转录组学是从整体水平研究细胞中基因转录情况以及转录调控规律,基因组学的一个重要组成部分就是转录组学,转录组学是把RNA层面作为切入点,来研究某一物种组织或特定细胞基因表达水平。转录组是DNA与蛋白质之间的桥梁,是遗传基因的重要载体。因此,相对于基因组研究而当,转录组研究更加针对、灵活和高效。RNA-Seq,即RNA测序又称为转录组测序,即利用高通量测序技术对mRNA,smallRNA和non-coding RNA(ncRNA)全部或者其中一个进行测序分析的技术。该技术是从某组织或细胞中提取RNA,将提取的RNA转录产物反转录为cDNA文库进行测序。测序获得的数据通过与参考基因组比对或者通过软件进行从头组装,构建转录组。通过生物信息学分析,可以分析RNA表达水平:检测未知转录本;主要的转录组技术有识别剪切位点及cSNP编码序列单核甘酸多态性)等,由于雌雄植株的基因表达不同,将蒙古柳萌动期的雌雄花芽及雌雄株的叶芽样本进行转录组测序,在进行组装,进行差异表达基因分析,基于TPM算法进行基因表达量,使用R包的DESeq2、edgeR、vomm三种方法分别得到差异表达基因,将三种方法得到的差异表达基因进行整合。

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