C3植物籼、粳水稻光合作用相关基因及其与DNA甲基化关系的研究

发布时间：2020-06-30 04:39

【摘要】：水稻(Oryza sativa)是最重要的粮食作物之一,是世界上近一半人口的主食。其是单子叶模式植物,以其基因组相对较小且具有良好的注释信息被广泛用于作物遗传或植物学的研究。水稻可以根据形态和遗传差异分为籼稻和粳稻两大类栽培品种。随着全球人口的增加,提升水稻产量有助于解决粮食危机的问题。光合作用是地球上最重要的生物学过程之一,提高水稻的光合能力可以大大提高其产量。目前,科学家们正在全球范围内尝试用C4光合作用途径改造水稻。此外,越来越多的证据表明,表观遗传可以调控植物生长和发育。在所有表观遗传修饰中,DNA甲基化是最常见的表观遗传标记,其调控许多细胞学途径以并影响基因的表达。已有研究表明,DNA甲基化与植物的根、茎、叶、花和果实等组织和器官的发育密切相关。然而,水稻光合作用的表观遗传调控的研究相对较少,目前尚不清楚。本研究以籼稻和粳稻为研究对象解析两个亚种光合作用相关生理指标及基因的表达并解析其与DNA甲基化的关系,以期为C4水稻相关的研究奠定基础。籼稻和粳稻的11个亚种,分别中测定其叶色、籽粒产量及大小,对叶片光合作用相关性状,如气体交换测量,叶绿素荧光和光合色素进行生理评价,包括并使用LI-6800便携式光合作用系统测量光合作用。结果显示,测量所得的光合作用相关性状获得的大多数参数在所有基因型中具有统计学差异。包括净光合速率(A)、气孔导度(gs)、细胞间CO_2浓度(Ci)、Ci/Ca比、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、固有水分利用效率(IWUE)、瞬时羧化效率(ICE)和蒸气压差(VpdL)在内的气体交换特性的变异性在两组水稻亚种中存在显著差异,光合作用的重要性状如净同化率在6.549~20.123μmol CO2 m~(-2) s~(-1)之间,气孔导度在0.052~0.247 mol H2O m~2 s~(-1)之间。此外,叶绿素含量的分析表明不同亚种叶绿素含量存在相当大的差异。籼稻组‘特青’叶绿素含量最高,‘越光13’次之,再过来是粳稻组的‘丽江’品种。此外,分析发现不同遗传背景对叶片的光合色素具有显着影响,这表明在进一步的遗传和表观遗传学评估中具有巨大的选择潜力。此外,在籼稻和粳稻的不同亚种中基因型中,籽粒产量和大小存在相对差异。以9311为主要代表的籼稻千粒重(TGW)、平均粒长和平均粒围比以‘日本晴’为代表的粳稻平均粒宽更宽,这可能与籼稻种子的遗传背景和进化有关。本研究用qRT-qPCR检测细胞和细胞器特异性关键的光合基因的相对转录本丰度,确定了水稻基因型关键光合作用相关基因的相对表达模式,这些基因主要包括NAD-ME,PEPC2,NADP-MDH,GLK2,PHYA,PHYB,PEPC,PPDK,NADP-ME,PCK,TPT,CA,PPT2,PP,DiT1,MEP3A,AK,PPDK-RP,AMT1,AspAT,RBCS和RBCACT。结果表明,所有基因在两组水稻亚种中均有显著的表达水平。5-甲基胞嘧啶(5mC)原核生物和真核生物中广泛存在的DNA修饰类型,但6mA是植物中新发现的表观遗传标记。因此,植物DNA中6mA的分布和生物学功能在很大程度上是难以捉摸的。本论文使用点杂交和LC-MS/MS分析揭示了水稻基因型中5mC和6mA DNA修饰的动态模式。结果显示,甲基化和非甲基化胞嘧啶和腺嘌呤的比例分别为17.57%至27.17%(5mC/C)和0.14%至0.41%(6mA/A)。点杂交和LC-MS/MS结果显示大多数水稻亚种之间具有相对较高且一致的甲基化水平。为了研究关键光合作用基因中基因座特异性DNA甲基化水平,进一步在粳稻代表品种Nip和籼稻代表品种9311中进行亚硫酸氢盐测序。结果显示,5mC DNA甲基化(CG,CHG,CHH)在Nip和9311中不同基因间特异分布。在Nip和9311所有与光合作用相关的基因中,发现CG甲基化水平最高,这些DNA甲基化可能在光合作用相关基因表达中起着重要的作用。综上所述,本研究表明光合作用相关基因的表达和甲基化模式之间是存在差异的。本研究在籼稻和粳稻不同基因型中观察到光合作用相关的生理指标和相关基因的表达情况及DNA甲基化分析为水稻光合及产量相关性状的提高提供了参考。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S511

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