小麦株高调控基因Rht-1和GID1的等位变异分析及其编码蛋白的互作机制
发布时间：2020-07-30 13:51
【摘要】：小麦作为人类食物的重要来源,世界上有43个国家以小麦为主食,占世界总人口的35%,粮食生产的最终目标是高产、优质以满足人们的需求。株高作为重要的农艺性状对作物产量和抗倒伏能力有着重要影响,适当矮化可以提高收获指数。矮杆基因(Reduced height,Rht)是小麦矮化育种的主要对象,通过对株高的调控可以达到提高收获指数和抗倒伏的效果。小麦株高主效控制基因Rht-1与GA信号转导途径密切相关。因此,发掘小麦Rht-1基因启动子等位变异和Rht-1所编码蛋白的调控机制,解析Rht-1基因调控株高的机理,对小麦株型改良有着重要的理论意义和实践意义。因而,本研究通过对Rht-1基因的启动子进行了克隆以及Rht-1所编码的DELLA蛋白的调控机制进行了剖析,同时对GA受体蛋白编码基因GID1的等位变异进行了挖掘,并对GID1与DELLA蛋白的互作进行了分析。主要研究结果如下:1.小麦降秆基因Rht-1等位变异的发掘中国小麦微核心种质中Rht-1基因启动子区域克隆得到的序列与李爱霞博士克隆得到的Rht-1编码区序列进行拼接,结果显示,除野生型(小麦品种中国春类型)外,在A、B和D组中我们共检测到74种等位变异类型,其中A组29种,B组21种,D组24种,Rht-A1_21类型有52个品种,占19.8%,Rht-A1_2有17个品种,占6.5%,Rht-A1_28有14个品种,占5.3%,Rht-A1_24和Rht-A1_29各有8个品种,各占3.1%;Rht-B1_3有7个品种,占2.7%,Rht-B1_12有9个品种,占3.4%,Rht-B1_14有10个品种,占3.8%;Rht-D1_18类型有23个品种,占8.8%,Rht-D1_9有7个品种,占2.7%,Rht-B1_21有12个品种,占4.6%。特别是在A和B亚基因组中我们新发现了191 bp、197 bp和217 bp 3种片段的插入类型,对3类插入片段的顺式作用元件进行预测分析,结果发现,这3类片段的插入使Rht-1基因启动子区域拥有更多的顺式作用元件,除了在启动子区域常见的顺式作用元件,还包括一些环境响应、激素响应和组织特异性表达相关的元件,说明3种插入类型的等位变异的调控机制更为复杂,特别是在217 bp中,有1个与分生组织表达有关的CCGTCC-box顺式作用元件,可能会影响该类型等位变异材料的株高。设计了191 bp、197 bp和217 bp插入类型的共显性标记PA-191MF1/R1、PB-197MF1/R1和PA-217MF1/R1,用于检测这3种等位变异类型,同时构建了这3种等位变异类型的转基因拟南芥GUS表达载体,并得到了T1代转基因拟南芥植株。2.小麦赤霉素受体基因GID1等位变异的发掘及功能分析通过同源克隆的方法,我们在262份中国小麦微核心种质中分离出了A、B和D亚基因组的GID1基因,3组GID1基因皆由2个外显子和1个内含子组成。除野生型(小麦品种中国春类型)外,一共发掘出31个新等位变异(7种GID1-A基因型、12种GID1-B基因型和12种GID1-D基因型),其中GID1-B_8变异类型所占比例最大,有32个品种属于此变异类型,频率为12.21%,GID1-B_5和GID1-B_9均有9个品种,频率为3.44%,GID1-D_2、GID1-D_10、GID1-B_3和GID1-D_5的品种数依次为6、5、4和3,频率依次为2.29%、1.91%、1.53%和1.15%,GID1-A_3、GID1-A_6、GID1-B_4和GID1-D_7变异类型都是2个品种,频率为0.76%,其余变异类型均为1个品种,频率为0.38%。在株高性状方面,较野生型(111cm)高10cm以上的变异类型有GID1-A_3(127cm)、GID1-A_7(125cm)、GID1-D_3(124cm)、GID1-D_8(126cm)、GID1-D_9(122cm)、GID1-D_11(127cm),株高较野生矮10cm以上的有GID1-B_4(91cm)、GID1-B_7(53cm)、GID1-B_10(81cm)、GID1-D_1(86cm)、GID1-D_4(92cm)、GID1-D_5(99cm)。由于GID1基因编码区的保守性,在外显子区域有11种等位变异类型,有义突变只有6个,内含子区域包括20个等位变异类型。我们将外显子区域的2个移码突变(GID1-A_6、GID1-B_11)和1个错义突变(GID1-D_10)与DELLA蛋白进行了酵母双杂实验,结果显示,GID1-A_6和GID1-B_11移码突变类型在施加GA的条件下与DELLA蛋白无互作,GID1-D_10错义突变类型与DELLA蛋白存在着依赖于GA的互作,而其所对应材料的株高与野生型无明显差异,可能是GID1基因在A、B和D亚基因组功能冗余的原因。
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1
【图文】：
植株矮化并且对于外源活性 GA 反应降低 (Peng et al., 1999)。2.1 GA 信号转导途径中的抑制子 DELLA 蛋白DELLA 蛋白作为转录调控因子 GRAS 家族的一个亚族，是 GA 信号转导途径中的关键抑制子，定位于细胞核内(Lawit et al., 2010; Ogawa et al., 2000)。DELLA 蛋白参与种子萌发、植株生长发育等几乎 GA 参与的所有生化反应，其中 DELLA 的作用是抑制植株生长，GA 与 GID1 和 DELLA 蛋白结合后，DELLA 蛋白被降解，抑制作用被解除(Achard and Genschik, 2009)。DELLA 蛋白在结构上主要由 N 端 DELLA 域和 C 端的 GRAS 功能域组成（图 1.1）Achard and Genschik，2009）。其中 N 端包含了一个 DELLA 蛋白所特有的 DELLA 和 TVHYNP 两个保守基序，该结构在包括拟南芥、小麦和水稻等不同物种中高度保守(Ikeda et al., 2001; Peng et al., 1997; Peng et al., 1999)。N 端的DELLA 保守域含有 DELLA、TVHYNP 和 polyS/T/V 等基序，可以与 GA-GID1 复合体结合(Griffithset al., 2006b; Tian et al., 2004; Ueguchi-Tanaka et al., 2007; Willige et al., 2007)。C 端 GRAS 结构域包括 2 个亮氨酸七肽重复序列 (LHRI 和 LHRII)和三个具有转录调控功能的保守基序 (VUIID、PFYRE 和 SAW)。
8图 1.2 植物 DELLA 蛋白的调控网络(Wild et al., 2012a; Yang et al., 2012)。Figure 1.2 The regulation network of DELLA protein in plants (Wild et al., 2012a; Yang et al., 2012).DELLA 蛋白在 GA 和 BRs(油菜素内酯)相互调节作用中起到重要的作用。GA 和 BRs 之间的相互响应已被证实属于一种生物应激反应(De Vleesschauwer et al., 2012)。GA 和 BRs 之间的信号转导已经在转录水平上进行了剖析。到目前为止，在拟南芥中 DELLA 蛋白共发现 5 种（GAI, RGA,RGA-LIKE 1(RGL1), RGL2, and RGL3），BRASSINAZOLE RESISTANT1 (BZR1)转录因子可以促
平的调控、翻译水平及翻译后水平的调控组成。其中转录水平的调控在真核生物表达调控过程中最为重要。启动子指结构基因上游的 DNA 片段被 RNA 聚合酶特异性识别，启动该模板 DNA 开始正常的转录。启动子被人们一致认为是转录表达调控的中心，是一个基因转录的起始。3.1 基因上游调控序列结构真核基因上游的调控模式(图 1.3)一般认为包括四个区域（调节启动子，核心启动子，位点控制区域，增强子），调控区域两端各存在一个边界元件和绝缘子（MAR）(Casey and Smale, 2000)。在基因上游区段是一段核心启动子，RNA 聚合酶和相关的作用因子与该区段结合形成转录起始复合物，促使转录的起始。DNA 结构在增强子、RNA 聚合酶等的共同作用下由双链变成两条单链，同时增强子与 RNA 聚合酶能保证转录起始点的准确起始从而开始基因的转录。在核心启动子附近有增强子和调节启动子两种存在于启动子区域的相关作用元件，控制着转录起始效率及转录强度。在位点控制区域存在对基因特异性表达的重要调控元件，如染色质的激活、基因的核定位、边界结构域形成等过程。另外，边界元件和绝缘子能够阻止增强子非特异性转录效率的干扰，确保目的基因的正确转录。
本文编号：2775628
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1
【图文】：
植株矮化并且对于外源活性 GA 反应降低 (Peng et al., 1999)。2.1 GA 信号转导途径中的抑制子 DELLA 蛋白DELLA 蛋白作为转录调控因子 GRAS 家族的一个亚族，是 GA 信号转导途径中的关键抑制子，定位于细胞核内(Lawit et al., 2010; Ogawa et al., 2000)。DELLA 蛋白参与种子萌发、植株生长发育等几乎 GA 参与的所有生化反应，其中 DELLA 的作用是抑制植株生长，GA 与 GID1 和 DELLA 蛋白结合后，DELLA 蛋白被降解，抑制作用被解除(Achard and Genschik, 2009)。DELLA 蛋白在结构上主要由 N 端 DELLA 域和 C 端的 GRAS 功能域组成（图 1.1）Achard and Genschik，2009）。其中 N 端包含了一个 DELLA 蛋白所特有的 DELLA 和 TVHYNP 两个保守基序，该结构在包括拟南芥、小麦和水稻等不同物种中高度保守(Ikeda et al., 2001; Peng et al., 1997; Peng et al., 1999)。N 端的DELLA 保守域含有 DELLA、TVHYNP 和 polyS/T/V 等基序，可以与 GA-GID1 复合体结合(Griffithset al., 2006b; Tian et al., 2004; Ueguchi-Tanaka et al., 2007; Willige et al., 2007)。C 端 GRAS 结构域包括 2 个亮氨酸七肽重复序列 (LHRI 和 LHRII)和三个具有转录调控功能的保守基序 (VUIID、PFYRE 和 SAW)。
8图 1.2 植物 DELLA 蛋白的调控网络(Wild et al., 2012a; Yang et al., 2012)。Figure 1.2 The regulation network of DELLA protein in plants (Wild et al., 2012a; Yang et al., 2012).DELLA 蛋白在 GA 和 BRs(油菜素内酯)相互调节作用中起到重要的作用。GA 和 BRs 之间的相互响应已被证实属于一种生物应激反应(De Vleesschauwer et al., 2012)。GA 和 BRs 之间的信号转导已经在转录水平上进行了剖析。到目前为止，在拟南芥中 DELLA 蛋白共发现 5 种（GAI, RGA,RGA-LIKE 1(RGL1), RGL2, and RGL3），BRASSINAZOLE RESISTANT1 (BZR1)转录因子可以促
平的调控、翻译水平及翻译后水平的调控组成。其中转录水平的调控在真核生物表达调控过程中最为重要。启动子指结构基因上游的 DNA 片段被 RNA 聚合酶特异性识别，启动该模板 DNA 开始正常的转录。启动子被人们一致认为是转录表达调控的中心，是一个基因转录的起始。3.1 基因上游调控序列结构真核基因上游的调控模式(图 1.3)一般认为包括四个区域（调节启动子，核心启动子，位点控制区域，增强子），调控区域两端各存在一个边界元件和绝缘子（MAR）(Casey and Smale, 2000)。在基因上游区段是一段核心启动子，RNA 聚合酶和相关的作用因子与该区段结合形成转录起始复合物，促使转录的起始。DNA 结构在增强子、RNA 聚合酶等的共同作用下由双链变成两条单链，同时增强子与 RNA 聚合酶能保证转录起始点的准确起始从而开始基因的转录。在核心启动子附近有增强子和调节启动子两种存在于启动子区域的相关作用元件，控制着转录起始效率及转录强度。在位点控制区域存在对基因特异性表达的重要调控元件，如染色质的激活、基因的核定位、边界结构域形成等过程。另外，边界元件和绝缘子能够阻止增强子非特异性转录效率的干扰，确保目的基因的正确转录。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 赵寅槐,王书文,张爱民,周文春,王艳萍;Rht12矮秆基因在不育系繁殖中的应用研究[J];麦类作物学报;2001年01期
本文编号：2775628
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiyingongcheng/2775628.html
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