小麦多子房性状的发育和遗传及异源细胞质对其表达抑制的分子机理

发布时间：2020-06-04 17:11

【摘要】：小麦是世界上最重要的粮食作物之一,在世界粮食安全中占有举足轻重的作用。小麦虽然具有明显的杂种优势,但小麦的杂种优势利用还未能大面积推广应用于生产,其中一个重要原因就是小麦繁殖系数低、杂交小麦制种成本高。如何提高小麦繁殖系数、提高杂交小麦制种产量、降低制种成本成为杂交小麦走向大规模生产应用的关键问题之一。多子房小麦具有明显的穗粒数优势,如将其应用到杂交小麦的制种中,很有可能会有效地提高杂交小麦繁殖系数、降低制种成本,有效地推动杂交小麦的应用发展,最终使杂交小麦大面积推广应用于生产。本研究依据多子房小麦材料DUOⅡ和异源细胞质小麦材料TeZhiⅠ(TZⅠ)正反交F_1的性状不同,即DUOⅡ为母本时,F_1表现多子房,而TZⅠ为母本时,F_1表现单子房,试验表明异源细胞质对多子房基因的正常表达具有明显的抑制作用。为了进一步研究异源细胞质对多子房基因的抑制效应,本研究首先对小麦多子房性状的生长发育、遗传规律以及抑制效应进行了探究,在确定了发育及抑制规律之后从基因组DNA甲基化状态、转录组水平以及蛋白质组水平等多个层面研究了异源细胞质抑制多子房性状的表达,以期揭示异源细胞质抑制多子房基因表达的分子机理,获得如下主要结果及结论:1.采用扫描电镜、体式显微镜和石蜡切片等方法对多子房小麦副雌蕊发育过程进行观察,结果表明,副雌蕊原基起源于位于前生雄蕊和侧生雄蕊之间主雌蕊基部的一个突起。在发育前期,副雌蕊的发育明显滞后于主雌蕊的发育进程。但在露芒期后,副雌蕊发育迅速,在主雌蕊发育成熟的同时也发育为成熟的雌蕊,能够同时受粉结实。此外,副雌蕊形成的种子一般要比主雌蕊形成的种子体积小,并且种子腹沟朝外,与普通小麦相反。通过对多子房小麦不同籽粒的外显率及发芽情况进行统计,结果发现,不论种子来源于副雌蕊或者主雌蕊,植株的多子房外显率都相同。但是,主雌蕊形成的种子的发芽能力一般显著高于副雌蕊形成的种子。2.以DUOⅡ和TZⅠ为亲本进行杂交,并对正反交F_1以及相应的F_2、F_3、BC_1和BC_1F_1世代材料进行多子房性状世代间遗传规律的观察与分析,结果表明DUOⅡ的多子房性状由1对显性单基因控制,同时,异源细胞质能够抑制该基因的表达。此外,异源细胞质仅能抑制杂合多子房基因的表达,而对纯合多子房基因的表达不具抑制作用,使得在异源细胞质背景下,杂合多子房基因植株表现单子房性状,携有纯合多子房基因的植株表现完全的多子房性状,这一特性均可稳定遗传。3.采用甲基化敏感扩增多态性方法检测DUOII和TZI正反交F_1的DNA甲基化状态。结果发现,在基因组水平上,DUOII×TZI和TZI×DUOII中均扩增出14584条DNA谱带,每一条带代表了一个可被甲基化酶识别切割的5?-CCGG-3?位点。基因组DNA甲基化水平从DUOII×TZI的31.10%降低到TZI×DUOII中的30.76%。由于异源细胞质的影响,TZI×DUOII在672个位点(4.61%)发生了胞嘧啶甲基化状态的改变,其中312个位点发生了甲基化作用,360个发生了去甲基化作用,这些位点甲基化状态的改变和细胞质抑制多子房基因的表达相关。4.对DUOII和TZI正反交F_1副雌蕊起始发育关键期(2 6 mm)的幼穗材料进行转录组RNA测序分析。结果发现,在TZI×DUOII中,共鉴定到600个差异表达基因,其中相对于DUOII×TZI上调表达的基因有330个,下调表达的基因270个。对这些差异表达基因进行功能注释分析后发现,这些差异表达基因主要涉及了4个途径,叶绿体代谢及生物合成、DNA的复制修复、植物激素信号转导以及6-磷酸海藻糖途径。这些生物途径协同作用,共同调控异源细胞质对多子房性状的抑制过程。5.通过调整优化,构建了适合多子房小麦幼穗研究的双向电泳体系,并使用该体系对DUOII和TZI正反交F_1副雌蕊起始发育关键期(2 6 mm)的幼穗材料进行双向电泳-质谱鉴定的蛋白质组分析。结果发现,在TZI×DUOII中,共鉴定到90个差异蛋白质,其中上调表达的18个,下调表达的72个。这些差异蛋白具有明显的功能趋势,主要涉及叶绿体的代谢及合成、细胞核和细胞分裂、植物呼吸、蛋白质代谢以及花发育过程。这些差异蛋白质构成了一个复杂的调控网络,共同调控异源细胞质对多子房性状的抑制过程。此外,对DNA甲基化、转录组和蛋白质组的结果进行了综合分析,提出了异源细胞质抑制多子房基因表达的分子机理,为小麦多子房性状的研究与应用提供了理论基础和技术支撑。
【图文】：

细胞质的异质材料对小麦抗褐锈病基因的表达情况质对多数的抗褐锈病基因的表达情况都有影响。马影响小麦多子房性状基因的表达。Xuet al.（2008性不育系中编码 F0F1-ATP 合成酶 FAd 亚基基因 T物花发育过程中的作用内的遗传物质包括核基因组、线粒体基因组和叶就是特指线粒体和叶绿体基因组。在线粒体和叶并组合到核基因组中，现代研究发现，线粒体的等植物的三个基因组之间存在着遗传物质之间的性，因此植物细胞功能的正常行使需要三者相0；Leister 2005）。在植物花发育过程中，除了细胞叶绿体也起到了重要作用。

现这些花中的子房在花发育过程中发生不常发育有关。Li et al.（2014）将乌龟核黄南芥线粒体电子传递链，，引起 H2O2的积累因AP1的表达，进而造成拟南芥提前开花。W南芥线粒体丙酮酸脱氢酶活性增加时，会，表明线粒体和拟南芥花序的正常发育有温情况下，如果编码水稻线粒体脂肪酶 EX打破水稻花发育的稳定性，造成水稻小穗片的正常发育有关（图 1-2）。对于小麦而言异源细胞质效应时发现，异源细胞质可以引表型。Muraietal.（2002）通过实验证实，作用引起的。Zhuetal.（2008）研究结果表多雌蕊现象产生有关。Muraietal.（2010，基因表达受到线粒体的逆向调节，线粒体的表达，从而改变小麦的开花时间。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S512.1


本文编号：2696702