PPR基因介导的线粒体基因RNA编辑在栽培稻抗旱性中的作用初探

发布时间：2020-04-11 14:21

【摘要】：水稻(Oryza sativa L.)是目前世界上最主要的粮食作物之一,同时也是需水量最大的作物,在水稻生产过程中由淡水资源短缺、地域分布不均以及降雨量季节分布不均造成的干旱频发对水稻生产的影响也越来越大。因此研究水稻抗旱机制、发展节水抗旱稻是非常必要的。然而抗旱性受许多基因的调控,是一个非常复杂的性状,水稻抗旱性的分子机制尚不清楚。线粒体是植物能量代谢的重要场所,与植物响应逆境有很大的关联。前期研究表明水稻线粒体基因的RNA编辑响应逆境胁迫,可能在水稻抗旱中有十分重要的作用。因此,有必要研究栽培稻线粒体基因RNA编辑响应干旱胁迫的变化及其分子机制。本研究主要以栽培稻RNA编辑为切入点,研究了124份栽培稻地方品种在水、旱条件下的田间表型与31个线粒体基因426个RNA编辑位点的编辑效率。同时,利用转录组测序研究了PPR基因家族对不同激素或逆境胁迫(ABA、PEG、H_2O_2、NaCl)的响应,并尝试利用全基因组关联分析(GWAS)揭示RNA编辑位点与PPR基因之间的对应关系,取得以下主要结果:1.与水田条件下相比,旱田条件下栽培稻的农艺性状发生重大变化,表现为株高、分蘖数、剑叶宽、单株籽粒数、产量、收获指数和结实率等性状均显著下降。2.通过苗期胁迫处理与转录组测序分析,发现PPR家族基因响应激素与多种逆境胁迫:PEG处理条件下有8个基因表达上调,56个基因表达下调;NaCl处理条件下有6个基因表达下调,91个基因表达上调;H_2O_2处理条件下有2个基因表达下调,34个基因表达上调;而在脱落酸(ABA)处理下仅有一个基因的表达显著下调。由此推测PPR基因响应逆境胁迫可能是非ABA依赖途径的。3.在31个线粒体基因检测到426个有效编辑位点,都是C-U的变化,其中很大一部分位点发生编辑会引起氨基酸的改变。干旱胁迫会引起编辑效率的变化,总体来看,干旱胁迫后RNA编辑效率呈上升趋势,旱田中的平均编辑效率为0.41±0.25,水田中的平均编辑效率为0.37±0.25。4.以基因为单位,同一线粒体基因上编辑位点的编辑效率及其变化具有高度相关性,推测邻近编辑位点的RNA编辑由相同的PPR基因控制。5.研究发现RNA编辑效率与田间表型具有相关性。其中,水田条件下不同位点的RNA编辑效率通常与百粒重、生物量、结实率、单株产量、收获指数等农艺性状呈负相关关系,而与剑叶长、剑叶宽及株高呈正相关关系的。在旱田条件下,大部分编辑位点与相对含水量、百粒重与呈负相关关系,与生物量、分蘖数、结实率、单株产量、收获指数、株高呈正相关关系。这一结果部分解释了植物抗旱性与其生长、生产之间的平衡。6.根据全基因组关联分析,总共发现了320个RNA编辑位点-PPR基因的对应关系。存在同一个PPR基因可以调控多个位点的RNA编辑或一个RNA编辑位点受多个PPR基因调控的情况,表明栽培稻线粒体基因RNA编辑响应逆境胁迫是一个复杂的过程。最终确定2个PPR候选基因:LOC_Os06g08660与LOC_Os08g15090,然后构建敲除载体克隆转化,目前已获得T0代植株,为后续研究PPR基因与线粒体基因的RNA编辑对抗旱性的影响提供了材料。综上所述,栽培稻可以通过PPR基因调节线粒体基因的RNA编辑,影响栽培稻在干旱胁迫下的能量代谢,从而对其农艺表型与抗旱性产生重要影响。但线粒体基因RNA编辑在栽培稻抗旱性中的作用需要通过本研究创制的PPR基因突变体进行后续研究。
【图文】：

结构图,陆生植物,蛋白结构,基序

华中农业大学 2019 届硕士研究生学位论文序被发现，该基序第一和第二螺旋分别与 P1 和 S1 基序类似，并伴随其它 S 基序一起出现。除了新发现的几个基序外，研究人员也对原先 PLS 类型 C 末端结构域 E、E+、DYW 进行了重新定义，并增加了 E1 和 E2 两个新基序，它们位于S2 继续之后，包含 34 个氨基酸残基。因此，重新定义的结构域有 P1、P2、L1、L2、E1、E2、DYW、S1、S2、SS，并且对其结构图也在 Lurin 等人的基础上进行了更改扩充，可以更清楚地看出各基序的排列方式，有助于后续研究。

表型,相关性,抗旱性

PPR 基因介导的线粒体基因 RNA 编辑在栽培稻抗旱性中的作用初探line)实线表示旱田，虚线表示正常水田条件：a)株高（cm），b)分蘖数，c)剑叶长（cm），d)剑叶宽（cm），，粒数，f)百粒重（g），g)单株产量（g），h)地上部分生物量，i)收获指数，j)结实率，k)相对含（%），l)相对产量。*、**和***分别表示独立样本 t 检验下 p<0.05，p<0.01 和 p<0.001 水平上显关 Note：a) Plant height (cm). b) Number of tillers. C) Length of flag leaf (cm). d)Width of flag leaf (cmumber of grains. f) 100-grain weight (g). g) Grain yield (g). h) Above-ground biomass (g). i) Harvesx. j) Seed-setting rate. k) Relative water content (%). l) Relative grain yield. “*”, “**”, and “***” indicatficance at levels of p<0.05, p<0.01, and p<0.001 by independent t-test 作物在生长发育和抗旱性之间存在 tradeoff田间不同表型之间进行相关性分析，发现水田条件下，以抗旱性指数（DT，产量抗旱性与许多产量组成性状如分蘖数（NT）、单株籽粒数（NG）、量（GY）、收获指数（HI）及结实率（SR）等呈负相关关系。说明作物发育和抗旱性之间存在 tradeoff。ght-treated (left columns in straight line) and well-watered (right columns in dashed
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S511

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