非洲野生稻粒长和落粒性基因GL4的克隆与功能分析

发布时间：2020-04-23 17:03

【摘要】：随着全球的人口增长,解决世界粮食安全问题,是摆在农业科学家眼前的重要课题。种子大小是由粒长、粒宽、粒厚和谷粒充实度等因素共同决定的,也是水稻产量决定因素中遗传率最高的。非洲野生稻(O.barthii)是非洲栽培稻(O.glaberrima)的野生祖先种,其籽粒较大,是改良非洲栽培稻和亚洲栽培稻(O.sativa)的重要种质资源。发掘非洲野生稻控制粒重的基因能对提高非洲稻和亚洲栽培稻的产量具有重要意义。本研究从以非洲野生稻W1411为供体,非洲栽培稻IRGC102305为受体的渗入系中鉴定了一个籽粒变大的渗入系GIL25,在4号染色体长臂定位到一个控制粒长的QTL,将其命名为GL4(GrainLength4),并对GL4进行了图位克隆和功能分析,主要研究结果如下:1.与IRGC102305相比,渗入系GIL25籽粒粒长增加13.6%,千粒重增加16.8%,单株产量增加14.3%。组织细胞观察结果表明粒长增加是由颖壳的纵向细胞变长所致,而且GIL25表现出易落粒性。利用GIL25和IRGC102305杂交构建分离群体,将控制粒长的基因(Grain Lngth 4,GL4)定位到第4染色体长臂末端5.9 kb区间上。非洲栽培稻基因组该定位区间只有一个预测基因:ORGLA04G0254300。利用来自GIL25的等位基因构建互补载体,并转化到亲本IRGC102305,获得12株阳性单株,转基因植株籽粒显著增长,该研究结果表明ORGLA04G0254300就是控制粒长的GL4基因。2.GIL25与IRGC102305的GL4基因序列在编码区有4个SNP和一个6 bp的插入缺失。利用16份非洲野生稻和67份非洲栽培稻对这5个变异进行单倍型分析发现,SNP2与粒长的相关性最高。进一步构建SNP2的定点突变载体并转化IRGC102305,结果发现15个转基因株系的籽粒都显著增加,证明SNP2是引起非洲栽培稻IRGC102305籽粒变小的关键变异位点。3.对93份非洲栽培稻和94份非洲野生稻重测序数据进行分析,根据SNP2位点或GL4上下游5 kb区间主成分分析都可以将非洲栽培稻分为两类,其中SNP2为T的非洲栽培稻广泛分布于西非,且在驯化过程中受到了强烈的选择。4.比较亚洲栽培稻和非洲栽培稻基因组序列发现,GL4基因与亚洲栽培稻的落粒基因SH4等位,在以特青为背景的近等基因系NIL-GL4or,NIL-GI4os和NIL-GIAog中发现,与OrGL4相比,OgGL4能够使栽培稻落粒性降低的同时减小籽粒长度;OsGL4能够降低栽培稻的落粒性,但是并不影响籽粒大小,说明OsGL4为更有利的等位变异。综上所述,在非洲栽培稻驯化过程中,选择GL4基因的一个SNP变异造成非洲栽培稻籽粒变小和落粒性丧失。GL4基因的克隆不仅为非洲栽培稻起源与驯化研究提供了直接的分子证据,同时揭示了非洲栽培稻驯化过程中籽粒变小的分子遗传基础,为进一步改良非洲栽培稻和亚洲栽培稻产量提供了理论参考。
【图文】：

图２－１粒形基因的作用途径以及相互作用引自Ｚｕｏｅｔａｌ．邋２０１４逡逑植物生长代谢是一个复杂的过程，各种影响因素相互作用最终形成籽粒。目要途径，蛋白酶体的降解，植物激素和Ｇ蛋白途径之间可能存在相互作用。一个己知的大粒基因的粳稻品种Ｎ４】ｌ的千粒重达到了惊人的７０克，这五个基因包括逡逑

为了进一步研究观察导致籽粒大小和落粒性表型变化的细胞结构差异，对颖壳表面细胞和离逡逑层进行了扫描电镜观察和徒手切片观察。取开花后３５天的成熟籽粒颖壳，经过扫描电镜试验观逡逑察发现，与ＩＲＧＣ１０２３０５相比，ＧＩＬ２５的颖壳内外表面细胞长度增加（图３－３ａ－ｅ），在体式显微镜下逡逑观察发现，ＩＲＧＣ１０２３０５外颖纵轴的细胞数目与ＧＩＬ２５无显著差异（图３－３ｆ）。这些结果表明ＧＩＬ２５逡逑的籽粒变长是由于颖壳细胞增长所导致的，与细胞分裂无关。取开花当天的稻穗，徒手纵切籽粒逡逑与枝梗连接处，既离层所在部位，，经吖啶橙染色，在激光共聚焦显微镜下观察到，ＧＩＬ２５的离层逡逑是连续完整的，而ＩＲＧＣ１０２３０５在维管束处并不形成离层细胞，整个离层处于不完整状态（图３－３ｇ，逡逑ｈ）。在籽粒成熟时，取籽粒与枝梗连接处的断面，经过扫描电镜观察到，ＧＩＬ２５的离层断面光滑，逡逑而ＩＲＧＣ１０２３０５的断面在外圈光滑，内圈则是凹凸不平的。离层细胞在籽粒成熟时会自动分离，逡逑而其他细胞则不会（图３－３ｉ，邋ｊ）。这种凹凸不平的表明正是由于离层细胞缺失，当发生外力作用逡逑时
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511.9

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本文编号：2637951