玉米GIF1基因调控雌花序形态建成和小花发育的分子机理研究

发布时间：2020-05-07 04:49

【摘要】：雌雄花序和小花的正常发育决定着玉米籽粒产量潜能,解析花序和小花发育的调控机制对提高玉米籽粒产量具有重要意义。本研究以玉米growth-regulating factor(GRF)-interacting factor1(gif1)突变体为材料,比较分析gif1突变体和野生型雌花序在植物学形态和细胞学上的差异;通过免疫沉淀实验和和质谱串联分析测序,鉴定GIF1互作蛋白;通过转录组比较分析和染色质免疫共沉淀测序(chromatin immunoprecipitation sequencing,ChIP-seq)分析,鉴定Gif1直接调控基因和调控途径,揭示了Gif1调控玉米雌花序和小花发育的部分分子机理。主要研究结果如下:1、gif1突变影响花序形态建成和花器官发育通过体视显微镜和扫描电镜,比较野生型和gif1突变体雌花序和小花发育进程,发现野生型雌花序的成对小穗排列有序、无分支,而gif1雌花序则表现出两种极端表型:高度分支的花序或裸露无分支的花序。gif1突变体小花雄蕊原基发育未被抑制,心皮原基心皮原基发育异常,花丝发育异常,胚珠原基增大,珠心裸露。2、GIF1过表达能遗传补偿gif1突变体表型通过将Ubi启动子驱动的GIF1-GFP融合蛋白导入玉米C01系中,创建了5个Ubipro::GIF1-GFP转基因系,分别命名为OE1-5。与gif1突变体相比,过表达GIF1-GFP的转基因株系具有正常的株高和穗位高,叶片更宽更大。将OE2与+/gif1杂合子杂交,根据基因型选择同时是纯合gif1/gif1基因型和过表达GIF1-GFP基因型的遗传互补植株,称为gif1gif1/OE2。所有gif1gif1/OE2植株都具有正常的植物形态和花序结构,并且雌性和雄性小花均发育正常且可育,表明Gif1基因过表达能够遗传补偿gif1突变体的缺陷表型。3、GIF1互作蛋白参与广泛生物过程以OE2过表达转基因家系中未成熟雌花序为材料,采用免疫沉淀(Immunoprecipitation,IP)和质谱串联分析测序的方法,检测到在3次生物学重复中,共有GIF1的互作蛋白56个,显示GIF1互作蛋白参与花序发育、激素生物合成、染色质重塑、信号传导、蛋白质生物合成和降解、代谢和DNA复制等生物过程。其中检测有一种在油菜素类固醇(Brassinosteroid,BR)生物合成中的蛋白质Nana Plant2(NA2)(Best et al 2016)与GIF1相互作用,采用荧光素酶互补成像(LCI)在烟草中验证了NA2-GIF1相互作用,证明了GIF1影响激素合成过程来调节雌花序发育。综上,GIF1的互作蛋白参与了广泛的生物过程。4、GIF1直接结合花序发育关键基因以OE2过表达转基因家系的未成熟雌花序为材料,采用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)的方法,在3次生物学重复中共鉴定出11683个峰和1832个基因,其中,1982个峰和540个基因在2次重复中被检测到。结合转录组测序(RNA-seq)数据,共鉴定到GIF1靶标基因177个,其中,相对于野生型,共有84个(47.5%)基因在gif1突变体中下调表达,93个(52.5%)基因上调表达。值得一提的是花序发育关键基因RAMOSA2和CLE4a为GIF1的直接靶标基因。因此,我们推测Gif1是花序分生组织、小穗对分生组织和心皮边缘分生组织发育所必需的基因。
【图文】：

示意图,玉米花,分生组织,小穗

形态变化(Eveland et al 2014)。程中分生组织特征及发育进程的示意图。及花序上所分化的成对小穗分生组织。及花序上所分化的成对小穗分生组织和小穗分程中分生组织特征发育进程的示意图。织分化出的分支分生组织。织分化出的分支分生组织和成对小穗分生组织eristem. SPM= Spikelet-Pair Meristem.SM= Spi对小穗分生组织（SPM）。绿色星号代表分支al changes of maize inflorescence (Eveland et aram of meristem characteristics and development.eristems differentiated in 1 mm female infloresct meristem and spikelet meristems differenscences.ram of the developmental process of meristem t.s differentiated from male inflorescence meristem

途径,分生组织,扁化,花序

控制花序发育(Bommert et al 2013a)。Fea3 编码 LRR re fea3 突变体中，茎顶端分生组织增大、花序分生组织扁化，ZmW株特定的中枢区域，Fea3 抑制 Wus1 的表达(Je et al 2016)。FAa4)是一种半矮化的突变体，具有扁化和膨大的营养及花序分生组 bZIP 转录因子，与拟南芥 PERIANTHIA 直系同源。Fea4 在营养周边区域和未成熟叶片的脉管系统中表达，，并且在芽顶端分生组显著地排除在干细胞生态位之外。在转变为生殖器官发育后，Fe分生组织中表达。Fea4 基于生长素调节叶片分化和极性相关过程周的分化，可能与 KNOTTED1 和 WUSCHEL 等基因功能相反(Pa育种应用中，Bommert 等人（2013b）和 Je 等人（2016）分别报弱fea3等位基因导致了玉米穗部性状的变化，使玉米产量提升 (B, Je et al 2016)。因此，这些弱等位基因相比于完全丧失功能的基因遗传改良的潜在资源。
【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】：S513

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