法国向日葵基因组研究论文

多倍化（polyploidy）或全基因加倍/复制（whole genome duplication, WGD）事件是指基因组内的所有序列都发生重复，重复为生物进化提供了原始的遗传材料，使植物基因组快速重组，丢失大量基因，增加结构变异，对植物进化极其重要。 多倍体植物广泛存在于自然界中，如日常生活中的马铃薯、小麦、棉花等。多倍化事件或全基因组复制事件直接将染色体进行加倍，被认为是一种物种分化的驱动力。研究发现多倍化在有花植物进化过程中十分频繁，在现存的被子植物和种子植物分化之前，都分别发生过加倍事件，可能对花和种子的产生有重要贡献 （Jiao et al., 2011）。基因组加倍为物种提供了丰盛的演化材料（图1）。被认为是提升了物种多样性、环境适应能力等（Jiao, 2018）。多倍化后的物种需要在原植物多倍化的研究对于生物进化、物种保护及遗传育种等方面都具有重要的理论指导意义及实践应用价值。 鉴定全基因组复制的方法一般可以通过以下三种： 下面我们就前两种方式进行重点介绍。 基因组共线性是基因组加倍比较直接的证据，通过比较两个基因组的序列并将共线性的区域作图展示，可以直观发现全基因组加倍的痕迹，如图2（左）苹果基因组（Daccord et al., 2017）的circos图中，可以明显染色体间大片段的共线性，表明该物种近期发生了全基因组复制。在向日葵基因组（Badouin et al., 2017）中，通过基因组自身的比对展示如图2（右），对角线为物种自身的基因和其本身的共线性。其余的点为基因组其他位置的旁系同源基因对。图中红色圆圈标注的位置，表明这两段之间具有一定的共性，为基因组加倍事件留下的痕迹。 如果物种经历过多次全基因组加倍事件，近期的加倍事件会加速早期加倍事件的基因丢失，早期的加倍事件痕迹往往越来越不明显，共线性直观上不明显，这就需要我们探索其他方式来挖掘加倍事件，这就用到了4DTv和Ks的信息。下面我们对这两种方式来进行简单的介绍。 同义突变指突变并不影响氨基酸序列，进而不会影响蛋白结构与功能。一般认为，同义突变不受自然选择，同义突变率（Ks）的计算为同义突变SNP数/同义位点数。由于同义位点突变不会引起氨基酸的变化，可以认为对编码蛋白没有影响，那么密码子同义位点的变化是完全随机的，并随时间推移累积。如果物种发生了全基因组加倍事件，现有基因组中会有一定数量的基因保留下来，这些基因在进化过程中累积的同义突变接近，计算得到的Ks值也接近，在某一个Ks值处会形成一个峰（ks peak）。如果这处Ks值的基因数目足够多，就会形成比较间的峰值，可以认为在进化过程中该处发生过全基因组加倍事件。全基因组加倍发生的时间越久远，基因丢失越多，发生的变化也要越大，形成的Ks峰越扁平，影响对全基因组加倍事件的判断。 4DTv与Ks有异曲同工之处（Tang et al., 2008），如果密码子的某个位点上任何核苷酸的改变都不影响其都编码的氨基酸，则称这个位点为4倍简并位点（fourfold degenerate site）是指共线性区段所包含的基因对的4DTV值可反映物种在进化史中的物种相对分化事件以及全基因组复制事件。4DTV指4D位点上发生颠换（嘌呤突变为嘧啶或者嘧啶突变为嘌呤）的位点所占的比例。 以辣椒基因组文章中的4DTv和罂粟基因组文章中的Ks结果为例，解析全基因组复制事件。在辣椒基因组（Qin et al., 2014）文章中（如图3），选取了辣椒（pepper）、葡萄（grape）、土豆（potato）、番茄（tomato）进行4DTv分析。结果如下图。从图中可以看出在辣椒和葡萄分后（黄色线，4DTv值处），茄科植物辣椒、土豆和番茄在分化之前共同发生了全基因组复制（图中指示WGD位置，黑线、蓝线和红线在4DTv值处的峰值），之后辣椒和番茄分开（图中绿线，4DTv值处）。关于4DTv如何推断全基因组加倍时间，文章中也给出了建议：在4DTv值和处分别为辣椒和葡萄、辣椒和番茄的物种分化时间，对应的时间点为∼89和20Mya，辣椒、番茄和土豆共有的全基因组加倍事件在4DTv值约处，基于此可以大致推断该全基因组复制事件发生的时间约在55Mya。 在罂粟基因组文章(Guo et al., 2018)中，选取了罂粟（opium poppy）、耧斗菜（Aquilegia coerulea）、莲（otus）、葡萄（grape）、拟南芥（Arabidopsis）进行Ks分析，结果如图4，从Ks峰图和进化树可以看出，葡萄和罂粟在Ks值约处（黄线）分开，葡萄在Ks值约处（绿线）发生了核心双子叶植物共有的全基因组三倍化事件，耧斗菜在Ks值约处发生了单独的全基因组复制，由于复制时间比较久远，所以峰较为扁平，莲在Ks值约处发生了单独的全基因组复制事件，罂粟在Ks值约处发生了全基因组复制，这是一个较为近期的全基因组复制事件。通过公式T=Ks/2r可以计算全基因组加倍事件发生的时间，r为核苷酸替代率，在文章中使用了 × 10-9，计算得到的加倍时间在百万年前。 全基因组加倍后的复制基因的命运各有不同，其保留与丢失是否有偏向性？哪些基因倾向于保留，保留基因功能是否发生变化？保留的重复基因及其对调控网络进化的影响？基因组加倍在被子植物的适应性进化中发挥的作用，如何帮助植物适应剧烈环境变化等（Wu et al., 2020），这些都是全基因组复制后续可以挖掘的内容，在此不做过多介绍。 Badouin, H., Gouzy, J., Grassa, ., Murat, F., Staton, ., Cottret, L., Lelandais-Briere, C., Owens, ., Carrere, S., Mayjonade, B., et al. (2017). The sunflower genome provides insights into oil metabolism, flowering and Asterid evolution. Nature 546, 148-152. Daccord, N., Celton, ., Linsmith, G., Becker, C., Choisne, N., Schijlen, E., van de Geest, H., Bianco, L., Micheletti, D., Velasco, R., et al. (2017). High-quality de novo assembly of the apple genome and methylome dynamics of early fruit development. Nat Genet 49, 1099-1106. Guo, L., Winzer, T., Yang, X., Li, Y., Ning, Z., He, Z., Teodor, R., Lu, Y., Bowser, ., Graham, ., et al. (2018). The opium poppy genome and morphinan production. Science 362, , Y. (2018). Double the Genome, Double the Fun: Genome Duplications in Angiosperms. Mol Plant 11, 357-358. Jiao, Y., Wickett, ., Ayyampalayam, S., Chanderbali, ., Landherr, L., Ralph, ., Tomsho, ., Hu, Y., Liang, H., Soltis, ., et al. (2011). Ancestral polyploidy in seed plants and angiosperms. Nature 473, 97-100. Qin, C., Yu, C., Shen, Y., Fang, X., Chen, L., Min, J., Cheng, J., Zhao, S., Xu, M., Luo, Y., et al. (2014). Whole-genome sequencing of cultivated and wild peppers provides insights into Capsicum domestication and specialization. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 5135-5140. Tang, H., Wang, X., Bowers, ., Ming, R., Alam, M., and Paterson, . (2008). Unraveling ancient hexaploidy through multiply-aligned angiosperm gene maps. Genome Res 18, 1944-1954. Wu, S., Han, B., and Jiao, Y. (2020). Genetic Contribution of Paleopolyploidy to Adaptive Evolution in Angiosperms. Mol Plant 13, 59-71.

从书中时常看到有关向日葵的资料。它们告诉我向日葵这种植物总是朝着有太阳的地方生长。心中百思不得其解，不明白为什么向日葵向阳生长呢？这其中又有着什么奥秘呢？从资料中，知道了向日葵朝阳的这个特点是因为它的茎含有一种生长素。一遇光线照射，生长素就会转移到背光的一面去，并且刺激背光一面的细胞迅速增殖。所以，背光一面就比向光一面生长得快，使向日葵产生了向光性弯曲。为了增加资料的真实性，我就对向日葵的这个特点进行了实验。首先，我准备了2盆向日葵。我把第一盆放在朝阳的一面，让其自由生长。把第二盆放在背光的一面。这个实验的结果是:第一盆向日葵生长发育良好，第二盆向日葵转向了朝阳的一面，生长较好。这次实验使我知道了向日葵是一种喜热耐寒的植物。不论何时何地它能够坚强的生长。

摘要：由于内蒙当地独特的气候特征和优越的土地资源，对于食用向日葵制种非常有利，而向日葵的虫媒授粉常是导致产量低的重要原因。为了提高向日葵的结实率采用人工授粉技术，通过了解向日葵的开花习性、授粉条件、授粉工具制作、采粉、合理授粉方法及严格培训授粉工，以达到人工授粉增产的目的。 关键词：食用向日葵制种人工授粉向日葵属于大型一年生菊科向日葵属植物。向日葵是喜温，喜光作物，又耐低温，抗旱能力强。向日葵对土壤要求不严格，除了低洼地或积水地块不宜种植外一般土壤均可种植，但最适宜由于壤土或砂壤土。向日葵较耐盐碱，在全盐含量以下的土壤上能生长结实，是改良盐碱土的最好作物之一。食用型向日葵属于向日葵类型的一种，这种类型植株高大，可长到2～3m，不分枝，多为单头，生育期100～130d，叶片，花盘都较大，籽仁不饱满，含油率为25%～30%，种皮厚，皮色多具黑色条纹，较抗叶斑病，抗锈病能力较差。 一、制种地气候特征 阿拉善左旗位于内蒙古自治区西贺兰山西麓，是阿拉善盟盟府所在地。 旗域地理坐标为北纬37°24′-41°52′，东经103°21′-106°51′。 全旗平均气温为4℃。旗境自南向北跨越四个纬度，气温由南向北逐次递减。气温旗域变动一般在℃～℃之问，中心值为℃。 阿拉善左旗地处内陆腹地，远离海洋，当地平均海拔800～1500m，属于温带荒漠干旱区，为典型的大陆型气候，以风沙大、干旱少雨、日光充足、蒸发强烈为主要特征。年蒸发量2900～3300mm，日照时间3316h，年平均气温℃，无霜期120～180d。属中温带干旱区。旗内大面积沙漠、戈壁对大气下界的强迫作用加剧了干旱程度。大部分地区年平均降水量在～之间。日最大降水量(1981年7月2日)，一年降水多集中于5～9月。天气经常晴朗无云。大气透明度好，光照时间长，光能资源丰富。有利于向日葵的生长。二、向日葵花期生理 （一） 花序构造 向日葵花为头状花序，顶生，也叫花盘。花盘直径一般为20～30cm，外缘有2~3层苞叶，边缘1～3层为舌状花，由花冠和冠毛构成，单性，黄色或橙黄色，花瓣大。向内是管状两性花，由苞叶、子房、萼片、蜜腺、花冠、雄蕊、花柱、柱头构成，有1000～1500朵。每朵花有花冠5裂，雄蕊5枚，雌蕊1枚，为黄色。 （二）开花习性 向日葵属于短日照，喜光作物，开花期最适温度20～25℃，温度过低会使花盘缩小，中部比例增多。开花顺序为向心式开放，是由外缘向盘心逐渐开放。整个花盘开花时间多为7～10d。管状花凌晨开放，花冠破裂，花丝生长加快，1～2h后散粉，之后雌蕊伸出花粉管，柱头张开两裂呈羽状，接受花粉。 （三）授粉特点 向日葵是异花授粉作物，虫媒传粉往往容易受到环境条件的限制，得不到传粉的机会，又母本采用雄性不育系，葵盘中带有粘液,常常将授粉蜜蜂连同花粉一起粘在葵盘上，导致授粉不良结实率低，空秕较多影响其产量与品质，从而进行人工授粉。 三、人工授粉的优势 人工授粉时受环境影响不是很大，人工授粉次数的增加，提高了向日葵的结实率，传统的向日葵都是依赖异花授粉，由于蜜蜂授粉时，受环境影响很大，有局限性，有时会错过授粉的良机，导致结实率不高，影响了产量。人工授粉后产量明显高于蜜蜂传粉产量，特做对比试验。以一条地为试验田，两行膜为试验对象，靠父本行的膜为蜜蜂授粉膜进行标注，而靠近蜜蜂授粉膜的旁边一膜标注为人工授粉膜，每膜的总面积都为216㎡，株数控制在1200株，两膜的葵花都未受虫和锈病的侵害，人工授粉的膜已刷过3次粉。最终蜜蜂授粉的膜产量为10kg，而人工授粉过的膜产量为21kg。与去年的产量相比，今年的产量增加了一倍多，按成本算一个授粉工一天100元可以授粉3000株，结实率达到80%，而蜜蜂授粉每箱蜂每天是2000元，结实率35%，由此观之人工授粉优于蜜蜂授粉。 四、人工授粉条件 （一） 环境要求 把握好授粉条件保证人工授粉成功的条件之一。 1. 授粉时间 晴朗天气，上午8:00～11:00时，下午15:00～18:00授粉最佳。 2. 授粉天气 低温及干热风等不良天气直接影响人工授粉的效果。气温在 18～25 ℃的晴天上午授粉最好。气温低于 15 ℃授粉效果不理想，授粉后 2 h内遇雨，需要重新授粉。向日葵喜光照，光饱和点达3～4万Lx，开花授粉期对光照不足非常敏感，光照充足有利于花粉发育提高结实，空气湿度应该在70%左右。 （二） 授粉时注意事项 在授粉时一定要严格要求授粉人员，并且向她们讲清授粉时应注意的事项 1.授粉时应按照事先制定好的授粉程序进行授粉，严禁乱涂乱摸，保证每一个葵盘上都有花粉。 2.在授粉的过程中，如遇到散粉株，应用叶子将葵盘包裹住，然后将头折断，倒扣在土壤里。 3.如果授粉的刷子，已经碰到了散粉株，就立即将刷子埋在土中，用事先准备好的备用刷子。 （三） 父本花粉采集及保存要求 1.花粉采集 （1）采粉工具 准备口径15～20 cm的铁制盆子1个,以盆口略大于父本花盘直径为宜,用一块能包住盆口的纱网,把纱网绑在盆口做成采粉盆。 （2）采粉时间 采粉最好在每天上午进行,若花粉不够用时,可在下午再收集1次花粉,以备第2天