玉米o2、o16和wx基因聚合提高赖氨酸含量的分子调控机理研究

发布时间：2020-05-03 20:02

【摘要】：为研究玉米o2,o16和wx基因聚合提高赖氨酸含量的分子机理,本论文利用分子标记辅助选择技术和回交育种技术,选育了o2基因渗入糯玉米材料2份,o2和o16基因渗入糯玉米材料2份,o2、o16和wx基因渗入普通玉米材料7份。以此为材料,在籽粒乳熟期,利用转录组测序技术,筛选与轮回亲本相比,转录水平表达差异基因。利用Label-free技术进行蛋白表达差异分析及转录组和蛋白质关联分析,揭示玉米o2、o16和wx不同基因聚合提高赖氨酸含量、增加营养品质的分子机制。主要研究结果如下:1、材料创制:利用分子标记辅助选择技术,选育出玉米o2基因渗入糯玉米的材料2份(QCL8004-1/o2wx和QCL8004-2/o2wx),基于SNP分子标记背景恢复率分别为93.16%和93.28%。玉米o2和o16基因渗入糯玉米的材料2份(QCL8006-1/o2o16wx和QCL8006-2/o2o16wx),基于SNP分子标记背景恢复率分别为95.22%和95.12%。玉米o2、o16和wx基因渗入普通玉米回交6代的近等基因系7份(QCL8013-1/o2o16wx、QCL8013-2/o2o16、QCL8013-3/o2wx、QCL8013-4/o16wx、QCL8013-5/o2、QCL8013-6/o16和QCL8013-7/wx),理论背景恢复率为99.22%,这些材料均是进行遗传研究的基础材料。2、品质分析:玉米o2基因渗入糯玉米的材料QCL8004-1/o2wx和QCL8004-2/o2wx,其籽粒赖氨酸含量分别为0.37%和0.38%,比糯玉米亲本QCL5013提高15.63%和18.75%。玉米o2和o16基因渗入糯玉米的材料QCL8006-1/o2o16wx和QCL8006-2/o2o16wx,其籽粒赖氨酸含量分别为0.49%和0.54%,比糯玉米亲本QCL5019提高68.97%和86.21%。玉米o2、o16和wx基因渗入普通玉米的近等基因系材料,其籽粒赖氨酸含量比普通玉米CML539均有不同程度的增加,其中,QCL8013-1/o2o16wx赖氨酸含量为0.5043%,比普通玉米亲本CML539提高111.22%。3、表型观察及细胞亚显微结构分析:玉米o2基因渗入糯玉米的材料QCL8004-1/o2wx和QCL8004-2/o2wx,果穗锥形,与轮回亲本QCL5013相似,籽粒种皮光滑有光泽,籽粒饱满,胚乳粉质程度略有增加。玉米o2和o16基因渗入糯玉米的材料QCL8006-1/o2o16wx和QCL8006-2/o2o16wx,果穗与轮回亲本QCL5019相似,籽粒种皮有不同程度皱褶,无光泽,籽粒皱缩不饱满,胚乳粉质程度显著增加,籽粒完全不透明。玉米o2、o16和wx基因渗入普通玉米的近等基因系材料,获得的o2o16wx-NIL,o2o16-NIL,o2wx-NIL,o16wx-NIL,o2-NIL和o16-NIL 6种不同基因类型近等基因系材料,籽粒均不透明,胚乳粉质程度显著增加,而wx-NIL籽粒也不透明,为蜡质胚乳。扫描电镜观察表明:获得的玉米o2、o16和wx不同基因聚合材料,籽粒胚乳淀粉颗粒多呈不规则形状,体积差别比较大,大小不均匀,排列无规律。同时,基质蛋白密度大,多聚集在一起,散布与淀粉颗间隙中。而轮回亲本籽粒胚乳淀粉颗粒大多呈椭球状或圆球状,大小比较均匀,基质蛋白密度小,紧密包裹着淀粉颗粒。4、玉米o2基因渗入糯玉米转录分析:o2基因渗入糯玉米后,在胚乳发育时期,引起49个基因表达水平发生显著变化,其中,编码EF-1α的基因Zm00001d029385、编码LHT1的基因Zm00001d012262和编码ZmDHN13蛋白的基因Zm00001d033483上调表达,编码富硫蛋白家族(大多为醇溶蛋白)的基因Zm00001d011063下调表达,从而提高玉米籽粒的赖氨酸含量。此外,色氨酸合成代谢通路中,编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶(APT)的基因Zm00001d030185上调表达,促进色氨酸合成,从而提高籽粒色氨酸含量。5、玉米o2和o16基因渗入糯玉米转录分析:o2和o16基因渗入糯玉米后,在胚乳发育时期,引起272个基因表达水平发生显著变化,其中,编码蔗糖合酶的基因Zm00001d010801、编码葡萄糖-1磷酸转移酶的基因sh2和bt2以及编码淀粉分支酶的基因ae1等表达上调,利于淀粉合成及支链淀粉比重增加。同时,引起编码丙氨酸氨基转移酶的基因alt4和Zm00001d030557以及编码谷草转氨酶的基因got3的表达上调,促进氨基酸转化,利于干物质积累。尤其是引起赖氨酸降解代谢中编码LKR/SDH的基因lkrsdh1,编码肌氨酸氧化酶的基因Zm00001d020984下调表达,抑制赖氨酸降解。同时,也会引起编码19kDa和22kDaα-zein的基因下调表达,降低玉米籽粒醇溶蛋白含量,从而提高玉米籽粒赖氨酸含量。6、玉米o2、o16和wx基因聚合的转录组和蛋白质组分析表明:淀粉代谢过程中,编码葡萄糖1-磷酸腺苷转移酶(AGPase)的基因Sh2和Bt2及相关蛋白,在α-D-葡萄糖-1-磷酸转变为ADP-α-D-葡萄糖过程中,上调表达,利于淀粉合成。编码颗粒结合淀粉合成酶(GBSS)基因Wx1,在ADP-α-D-葡萄糖转变为直链淀粉过程中,下调表达,致使直链淀粉合成受阻。编码异淀粉酶(ISA)的基因及相关蛋白,在α(1,6)-α-D-葡糖基-(1,4)-α-高分支葡聚糖转变为n(1,6)-α-D-葡糖基-(1,4)-α-中分支葡聚糖过程中,上调表达,致使支链淀粉比重增加。在色氨酸代谢过程中,关联到的差异基因/蛋白主要被注释到色氨酸降解通路,编码色氨酸丙酮酸氨基转移酶(TAA)基因,在色氨酸转变为吲哚丙酮酸过程中,下调表达。另外,编码吲哚-3-丙酮酸单加氧酶(IPMO)的基因和蛋白,在吲哚丙酮酸转变为吲哚醋酸过程中,下调表达,抑制色氨酸降解。在赖氨酸代谢过程中,编码天门冬氨酸激酶(AK)的基因Zm00001d035282及相关蛋白,在天冬氨酸(L-aspartate)转变为L-天冬氨酰4磷酸(L-aspartyl-4-phosphate)过程中,上调表达。同时,编码肌氨酸氧化酶/L-甲基哌啶氧化酶(L-PO)的基因Zm00001d020984及相关蛋白,在赖氨酸降解L-甲基哌啶转变为哌啶-6-羧酸过程中,下调表达。编码赖氨酸酮戊二酸还原酶/酵母氨酸脱氢酶(LKR/SDH)的基因Zm00001d052079及相关蛋白,在赖氨酸降解通路赖氨酸转变为2-氨基乙二酸-6半醛过程中,下调表达,抑制赖氨酸降解。另外,编码19kDa/22kDaα-zein、15kDaβ-zein和18 kDaδ-zein的基因,在胚乳发育时期,下调表达,降低玉米籽粒醇溶蛋白含量,从而提高玉米籽粒赖氨酸含量。
【图文】：

多态性,亲本,内标记,o2基因

贵州大学 2019 届博士研究生学位论文i061、phi027和phi022对糯玉米QCL5013和高赖氨酸玉米太系19进行多态性，结果o2基因内标记phi112、umc1066和phi057在QCL5013和太系19之间均好的多态性，，wx基因内标记phi027和phi061在QCL5013和太系19间有很好的性（图2.1）。本实验选用SSR标记umc1066和phi027对o2和wx靶基因在BC12F1和BC2F2分离世代进行前景选择。

选育过程,赖氨酸含量,恢复率,遗传背景

体 BC2F3 世代遗传背景选择胶图 R 为 QCL5013 ，phoresis pattern of background selection for BC2F3. R, Q表 2.2 23 个 BC2F3 家系背景恢复率和赖氨酸含量分析2 Background recovery rates and Lys contents of 23 BC2-17F1-19F1-2F1-20F1-22F1-25F1-3F93 0.935 0.939 0.94 0.91 0.939 0.941 03 0.284 0.307 0.281 0.32 0.309 0.29 0-9 F3-10 F3-14 F3-17 F3-4 F3-7 F6-23 F97 0.924 0.903 0.938 0.96 0.951 0.915 031 0.28 0.292 0.295 0.39 0.333 0.314 0 rate after backcrossing of g generations, G (g) = [L+x(g)]/2L; Xnt; g, generations of backcrossing; L, total number of tested mar
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513

【参考文献】