水稻穗形基因OsAFB6和分蘖角度基因LAZY1的功能研究

发布时间：2020-05-30 23:06

【摘要】：水稻是重要的粮食作物,是全球近一半人口的主食。随着人口的不断增长,水稻产量的需求也在不断增长。水稻产量是一个复杂的性状,由单位面积的有效穗数、每穗实粒数、千粒重等构成,其中每穗实粒数对产量贡献最大。植株形态主要包括株高、分蘖角、叶片夹角和穗形态,其中分蘖角是理想株型的重要组成部分,决定单位面积的有效穗数,从而影响产量。激素调控植物生长发育,影响植株形态。生长素通过极性运输、横向运输和在韧皮部进行的非极性被动运输等方式在植物体内完成浓度梯度的分布。生长素的信号途径则以依赖泛素化的SCFTIR1/AFBs-Aux/IAAs-ARFs反应流程为核心。细胞分裂素与生长素发生拮抗作用,共同参与植物生长发育多个阶段的调控,细胞分裂素和生长素最适浓度的维持有利于作物的增产。在转基因过程中我们得到了一个晚花突变体,其一次枝梗数、每穗颖花数增多,谷粒变小,最终产量得到了显著提高。我们基于突变体材料,对穗形发育开展细胞学水平,转录水平和生理水平的系列分析,得到了如下研究结果:1.通过侧翼序列分离,表达量检测,我们发现该突变体是由于超表达载体转基因偶然插入OsAFB6基因的启动子区域,从而造成OsAFB6基因超表达,而非原目的基因异位超表达造成。2.OsAFB6基因启动子区间含有光和生长素响应元件,其倾向于在幼嫩的茎端分生组织、颖花原基和生殖器官(柱头和子房)中表达。在光照条件的诱导下,该基因表达量上升。3.RNA-seq以及q RT-PCR表明分析,OsAFB6超表达突变体在长短日照条件下均能抑制光周期基因Ehd1、成花素基因RFT1和Hd3a,从而在长短日照下分别延迟开花约22天和12天,增产都达到50%以上。并发现OsAFB6参与了生长素运输、信号途径以及细胞分裂素途径的调控。其中包括OsAFB6超表达突变体中,细胞分裂素氧化酶基因Gn1a的下调,从而减少了细胞分裂素的降解。4.显微切片和扫描电镜技术分析发现OsAFB6超表达突变体通过增大穗颈节直径,增多维管束数目,增强同化物运输。幼穗生长素和细胞分裂素浓度的测定表明,OsAFB6超表达使幼穗中细胞分裂素浓度上升,生长素浓度下降。这一结果在激素水平合理解释了为什么突变体一次枝梗数目增加,每穗颖花数增加。5.在一定范围内,OsAFB6基因不同程度的表达量提高,会造成不同程度的开花期延迟和产量增长。因此在将来的高产育种过程中,育种家们可以构建一系列具有不同OsAFB6基因表达量的家系,选择生育期最合适的家系用于不同种植区域,使水稻充分利用当地自然光温资源,谷物产量最大化。在另一个研究中,我们在转基因时得到了一个大分蘖角度lazy形态的突变体,基于突变体材料和自然群体,利用各种生物学、生物信息学和遗传学方法,在LAZY1基因调控分蘖角功能研究中得到如下结果:1.我们在转基因后代发现匍匐生长的单株,但是TAIL-PCR分析并未得到侧翼序列,而很可能是在组织培养过程中LAZY1产生了突变。比较测序发现,与野生型日本晴对照相比,突变体材料的LAZY1基因最后一个外显子及其前后内含子和3’非翻译区部分序列缺失了268-bp片段,导致LAZY1基因功能丧失,从而产生匍匐生长表型。2.LAZY1基因启动子区间含有多个光响应顺式元件,它在暗条件下表达更为强烈。LAZY1具有在胚芽、幼苗和营养生长时期的茎等分生活跃的部位高表达的表达模式。3.根据对LAZY1共表达基因的分析,以及对其突变体材料中相关基因的表达量检测,我们发现LAZY1调控多个生长素相关基因,其中包括生长素快速应答基因和生长素运输载体基因。因此,LAZY1基因可能参与了生长素的运输和信号途径。4.对529份栽培稻,446份野生稻和我们补测的28份野生稻的LAZY1序列进行分析,我们发现在栽培稻和野生稻中均存在广泛的自然变异,LAZY1序列的所有In Del变异都不造成移码,也没有SNP造成翻译的提前终止,因此,自然材料中不存在功能缺失的等位基因。第三个外显子一段23-bp与17-bp序列之间的变化(包括两个3-bp In Del和2个SNPs)与水稻的分蘖角度存在显著关联,这种变异可能形成LAZY1功能强弱不同的等位基因型。即使在几个匍匐生长的野生稻材料中,也没检测到无功能的LAZY1。因此,我们认为在包括野生稻的自然资源里,LAZY1基因仅仅是通过强弱基因型对水稻的分蘖角度进行一定程度的调控。
【图文】：

图 1 为高产设计的小麦理想株型(Donald 1968)。 basic wheat ideotype, designed to give a high grain yield (Donald 1968).株形态就受到广泛的关注和研究。育种学家也提出了水稻理想蘖数目较少且没有无效穗，，单株谷粒增多，茎秆粗壮而短小（

图 2 半矮秆和对照材料的表型（绿色革命基因）(Monna et al 2002)。ture of semidwarf rice plant and control plant (green revolution gene) (Mon2002).，其他株高基因也相继被克隆：D1 基因编码 GTP 结合蛋白(G 蛋
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511

【参考文献】

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本文编号：2688866