水稻颖壳缺陷基因DG1和粒型基因GR5的克隆与功能分析

发布时间：2020-04-29 13:03

【摘要】：水稻是全球最重要的粮食作物之一,为世界上大部分人口提供主要食物。随着农田减少和全球人口数量的增加,迫切需要确保粮食生产。因此,粮食增产一直是目前水稻育种计划的主要目标。水稻营养器官和花器官是决定粮食产量和质量的重要器官。真核生物典型的花器官包括四轮结构,由外向内依次是萼片,花瓣,雄蕊和雌蕊。单子叶模式植物水稻花器官从外到内依次是一对护颖,外稃,内稃,一对浆片,六个雄蕊,一个雌蕊(包含两个柱头)。在谷物作物中,营养生长和小穗发育在粮食产量和品质方面发挥重要作用,但水稻中控制营养和小穗发育的遗传机制仍然了解很少。本研究,通过甲基磺酸乙酯(EMS)处理栽培品种中花11后得到一个新的水稻突变体dg1。由于细胞变小及泡状细胞增多,该突变体显示出矮化及卷叶特征。dg1突变体还表现出叶夹角增大和油菜素内酯信号传导的缺陷。该突变体副护颖和护颖都转化为外稃状器官。此外,dg1突变体产生细长的籽粒。进一步分析显示,DG1通过调节细胞增殖和细胞扩展来影响籽粒大小。通过精细定位将该基因定位到包含八个开放阅读框(ORFs)的31-kb区间内。对这些基因座的DNA测序和表达分析,未发现明确的候选基因。因此,DG1的克隆和功能分析将需要更多的后续工作,对其深入研究将有助于我们了解水稻植物整个生命周期发育的分子机制。粒型是一个典型的性状,在过去十几年里,研究者对这一特征的遗传控制进行了广泛的研究。本文通过EMS诱变粳稻品种云稻32获得突变体gr5-1,农艺性状调查发现,该突变体的籽粒变宽变厚,千粒重增加,但粒长变短。扫描电镜观察发现,籽粒纵向细胞数目基本没变化,且单位面积内细胞数目比野生型多。因此,猜测可能由于细胞大小变小导致籽粒纵向长度比野生型短。开花期颖壳的石蜡切片横切结果表明gr5-1的外稃,内稃都比野生型长,而单位长度内细胞数目比野生型多。因此,突变体gr5-1可能由于细胞数目增多导致籽粒横向宽度比野生型云稻32更宽。通过图位克隆将GR5基因定位在第5染色体上,该基因编码一个AP2结构域转录因子。DNA测序发现第五内含子上末端C到G的突变导致RNA非正常剪接,从而导致编码蛋白质的改变。基因组互补结果表明gr5-1突变表型完全恢复。CRISPR/Cas9敲除植株籽粒变宽,变厚且千粒重增加,与gr5-1突变体籽粒表型类似,表明LOC_Os05g32270是GR5的目的基因。
【图文】：

花序,水稻,结构示意图

图 1-1 水稻花序结构示意图（Yoshida et al., 2011)chematic representations of the rice inflorescence（Yoshida e稻中已克隆了很多参与花分生组织发育过程的基控机制还得继续研究。水稻 APO1 基因与拟南芥 U组织属性的时间调控上发挥重要作用，该基因编码由 429 个氨基酸组成的，主要在侧生器官原基及顶制花序顶端分生组织向小穗分生组织的转变而正调007)。此外，APO1 基因对 C 类同源异型转变基因的水稻花的决定性和花器官的属性。水稻 RFL 基因基因，，RFL 通过调节一些激素信号分子、代谢因子养生长阶段向生殖生长阶段的转变，控制抽穗期、穗gashree et al., 2008）；随后研究发现水稻 APO2 与 R

小穗,水稻,原基,分生组织

图 1-2 水稻小穗的组成结构（Yoshida et al., 2011)Fig 1-2. Schematic representations showing the spikelet structure in rice (Yoshida et al., 2011当一次枝梗和二次枝梗形成后，这些侧生的枝梗分生组织继而会转变形成穗分生组织。随后，小穗分生组织以 1/2 互生叶序方式形成两对不育颖片原基首先形成的一对颖片原基将来发育形成一对副护颖，第二对颖片原基即护颖基，然后小穗分生组织进一步转变形成花序分生组织。在花分生组织发育时期同样以 1/2 互生叶序的方式形成内稃原基和外稃原基，随后依次从外到内形成个浆片原基，六个雄蕊原基以及一个心皮原基。经过一连串的细胞分化和组织分化过程后，最终形成了一个完整的小穗。Ikeda 等将完整的水稻小穗发育的程依次划分成 8 个不同阶段（如图 1-3 所示），每个时期都发挥自己特定的功(Ikeda et al., 2004)。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511

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