小麦TaTOC1s基因调控开花与发育的分子机理研究

发布时间：2020-09-21 11:19

　　抽穗时间是影响小麦不同生态环境适应性的重要农艺性状。日照长度介导的光周期途径和低温介导的春化途径在冬小麦开花调控的过程中发挥着非常重要的作用。拟南芥PSEUDO-RESPONSE REGULATOR(PRR)家族成员TIMING OF CAB EXPRESSION 1(TOC1)是一个重要的转录因子,在生物钟维持、开花时间等方面发挥重要的作用。重要粮食作物小麦是长日照单子叶植物,其发育性状与双子叶植物拟南芥有很大的不同。因此,小麦中TOC1基因的功能以及作用机制是一个值得研究的科学问题。本研究通过转基因技术抑制小麦内源TaTOC1s基因的表达,并以此为切入点系统研究了小麦TaTOC1s在抽穗时间及其它性状发育方面的调控机理,从而为小麦的开花调控和发育机理研究提供了重要信息。主要结果如下:(1)在六倍体小麦轮选987中克隆得到了三个TOC1的同源基因TaTOC1s,通过对多个物种PRR家族相关蛋白的进化树分析发现,Ta TOC1s同属于PRR家族成员,且与大麦HvTOC1亲缘关系最近。原位杂交结果表明,TaTOC1s在穗发育的过程中一直都有表达,暗示其可能在小麦开花调控中发挥作用。(2)通过RNAi策略获得了TaTOC1s表达量降低的转基因小麦(TaTOC1-RNAi)。无论是在温室还是大田环境条件下,转基因小麦都表现出了早花的表型,比对照开花提前约7天。对不同发育时期苗端的解剖观察发现,转基因小麦苗端发育的各个时期均要比对照提前,生育进程加快,但各时期持续时间差别不明显。(3)大田表型观察发现,TaTOC1-RNAi转基因小麦许多重要农艺性状发生了改变,比如,株高降低、旗叶变长叶夹角变小。旗叶叶绿素含量、旗叶净光合速率等大田生理指标也发生了改变。通过对小麦的产量性状进行统计发现,TaTOC1-RNAi转基因小麦单株的穗数、穗长等与对照相比均没有明显的变化,而千粒重与对照相比略有降低,但是转基因小麦的穗粒数和小穗数与对照相比显著增加,最终TaTOC1-RNAi转基因小麦的单株重和小区产量与对照相比变化不明显。总之,降低TaTOC1s的表达水平能够降低植株株高,促进抽穗提前,但是小麦产量保持稳定,这也暗示着该基因可能在小麦遗传改良方面具有良好的应用潜力。(4)为了解释TaTOC1-RNAi转基因小麦抽穗期提前的原因,对开花调控途径相关基因的表达进行了分析,发现其是通过介导TaGI以及TaFT表达的上调以及TaCO表达的下调导致了TaTOC1-RNAi转基因小麦早花的表型。(5)对不同发育时期TaTOC1-RNAi转基因小麦和对照旗叶进行转录组测序分析,总共获得了20288个表达上调以及19793个表达下调的基因,其中许多差异表达的基因与细胞壁组成、细胞周期、细胞生长以及生长素响应等相关。通过GO分析以及KEGG Pathway分析发现,多个差异表达的基因集中在了生物钟节律、光合作用等途径中,为进一步研究TaTOC1s基因的功能提供了重要的信息。(6)进一步证实了tae-miR408对TaTOC1s基因的靶向剪切关系。通过对tae-miR408过表达转基因小麦的开花调控进行研究,证明tae-mi R408过表达转基因小麦的早花表型是通过降低TaTOC1s的表达,从而引起TaGI和TaFT表达的升高以及TaCO表达的降低所导致。(7)对不同春化处理的TaTOC1-RNAi转基因小麦和对照的叶片和苗端进行转录组测序分析,获得了33493个表达上调和30881个表达下调的基因。GO分析发现了11个差异表达的基因可能具有对温度刺激发生反应或者调控植物开花的功能,对这些基因的启动子进行分析发现,均含有大量TOC1的结合位点,为研究TaTOC1s调控的转基因小麦春化需求的降低提供了有益的线索。综上所述,本研究对TaTOC1s基因在小麦抽穗时间及发育性状调控机理进行了深入研究,并通过高通量转录组测序技术对造成转基因小麦旗叶发育以及春化需求等方面的分子机理进行了初步研究,这对全面理解TaTOC1s基因在小麦发育调控中的生物学功能和分子机理提供重要资料。
【学位单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S512.1
【部分图文】：

原理图,多倍体化,小麦基因组,原理图

图 1-1 小麦基因组间多倍体化历史和系谱关系原理图（Mayer et al., 2014）圆圈内染色体组的名称和术语为每个物种的整套染色体的示意图。mya：百万年前。Fig. 1-1 Schematic diagram of the relationships between wheat genomes with polyploidization historyand genealogy (Mayer et al., 2014)mes and nomenclature for the genomes are indicated within circles that provide a schematic representmal complement for each species. mya: million years ago.穗期对小麦生产的影响穗期作为普通小麦的一项重要农艺性状，对其适应不同生态环境具有至关小麦抽穗期的不同不仅直接决定了小麦育成品种的推广范围和季节，而且产量、品质和抗逆性等重要性状都有影响（宋彦霞等, 2006）。小麦的抽穗标识小麦成熟早晚的重要指标。小麦成熟期的早晚不仅关系到育成品种对耕作制度的适应性，还关系到对多熟制和套作的适应性，甚至还会影响到的病虫害抗性以及对不利气候因素的适应性。穗期对于小麦的野生近缘植物来说，是与其栖息地的生态地理条件密切相

拟南芥,途径,基因,年龄

9图 1-2 拟南芥中五条主要的开花调控途径（Teotia et al., 2015）途径，光周期途径，自主途径，年龄途径和赤霉素（GA）途径。春化途径的基因：VIN3、VRN径的基因：GI、CO，自主途径的基因：FCA、FY、FPA、FVE，年龄途径的基因：AP2、SPL。Fig. 1-2 Five Major Pathways for Flowering Time Control in Arabidopsis (Teotia et al., 2015)nalization, Photoperiod, Autonomous, Aging and Gibberellin (GA) pathways. Vernalization pathway gRN2. Photoperiod pathway genes: GI, CO. Autonomous pathway genes: FCA, FY, FPA, FVE. Age-path.

序列,生物钟,拟南芥,简单模型

13 1-3 拟南芥生物钟结构的简单模型以及生物钟关键基因在特异组织中的表达模式（Shim et al）复杂的转录抑制机制与生物钟关键成分之间相互交错构成了拟南芥生物钟调控网络。实线代代表转录后调控作用。（B）长日照条件下，生物钟关键基因表现出组织特异的昼夜节律表达组织中的表达模式，虚线代表在叶肉细胞中的表达模式。Fig. 1-3Asimplified model of the circadian clock architecture and tissue specific expression profileof core clock genes in Arabidopsis (Shim et al., 2017)ntricate transcriptional repression mechanisms interlocked with core clock components comprise thelock. Solid lines indicate transcriptional regulation, while dotted lines indicate posttranscriptional reession profiles of clock genes show tissue specificity in long days. Solid lines represent expressiosues and dotted lines represent those in mesophyll cells.夜的时候，假响应调节因子 TOC1（即 PRR1）蛋白含量增加，通过直关的序列上促成对 CCA1 和 LHY 的抑制作用（Gendron et al., 2012; Hu如图 1-3 所示。另外，TOC1 还可与 PHYTOCHROME INTERACTING）相互作用，结合到 G-box 上，从而抑制它们共同的靶基因的转录（S

【参考文献】