水稻粒型和叶夹角的关键调控基因SLG的克隆和功能分析

发布时间：2018-03-03 12:18

  本文选题：水稻(Oryza　切入点：sativa　出处：《南京农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一,养育了世界一半以上的人口。随着世界人口的不断增长和耕地面积的持续减少,提高粮食产量仍然是水稻育种的一个巨大挑战。水稻粒型是决定水稻产量的重要农艺性状之一;同时,它还影响水稻的外观、加工、蒸煮及食味品质。叶夹角作为重要的一个农艺性状,影响水稻的株型和产量;研究表明直立叶可以增加光合作用效率和籽粒灌浆过程中氮的储备,有利于植株的密植。迄今为止,虽然在水稻中报道了许多影响水稻粒型和叶夹角的基因,我们已经对它们的遗传与分子机理有了一定程度的认知,但是,调控水稻粒型和叶夹角的精细分子机制还没有完全被阐明。油菜素内酯(Brassinosteroid, BR)是一种甾醇类植物激素,它对植物生长和发育的各个方面都具有十分重要的调控作用。研究表明BR在调控水稻粒型、叶夹角和产量方面发挥着十分重要的调节作用。BR稳态对于植株正常的生长和发育是关键的。尽管最近几十年对于BR的合成、代谢及信号途径的研究有了较快的进展,但是目前我们对于BR稳态的调控机制还知之甚少。在本研究中,我们从一个带有激活标签的T-DNA插入突变体库中分离和鉴定了一个表现出籽粒细长和叶夹角增大表型的突变体slender grain Dominant(slg-D),通过基因的克隆与功能分析,揭示了引起slg-D突变体表型的遗传和分子机理,并且从细胞形态及生理等方面对slg-D突变体进行了比较系统的研究,这加深了对水稻粒型及叶夹角调控机制的研究,同时也为水稻育种提供了理论依据。主要研究结果如下:1.相比于野生型,突变体slg-D具有细长籽粒和较大叶夹角的表型。光学显微镜和扫描电镜的细胞形态观察表明细胞大小的改变(特别是细胞长度的改变)导致了slg-D突变体的突变表型。遗传分析结果表明slg-D基因突变表现为一单基因控制的半显性遗传。2.我们发现在突变体slg-D中由于T-DNA的插入导致基因LOC_Os08g44830和LOC_Os08g44840的表达量都显著增加。我们的结果证明slg-D的突变表型是由LOC_Os08g44840的过表达导致的,因此,我们将LOC_Os08g44840命名为SLG。SLG编码一个含445个氨基酸的BAHD家族酰基转移酶蛋白,系统进化树分析表明SLG类蛋白可以分为单子叶和双子叶两大类,而SLG属于单子叶类,然而,至今为止,在其他单子叶物种中还没有这一类基因功能的报道。3.荧光定量PCR结果显示,SLG在幼穗中强烈表达,在叶枕中的表达相对较高,在茎尖、茎及叶片中低,在根和叶鞘中非常低;GUS组织染色和定量结果一致,另外GUS染色结果还显示SLG的表达主要集中在维管组织中;原位杂交结果显示,SLG主要在小穗分生组织原基、外颖原基、内颖原基、花分生组织原基以及维管组织区域中表达;SLG主要在幼穗和叶枕处的表达暗示了它调控粒型和叶夹角的功能。亚细胞定位结果表明SLG蛋白在细胞质和细胞核中都有定位。4. BR敏感性测试实验发现在slg-D中BR敏感性并没有发生改变,表明SLG不影响BR信号途径。我们发现突变体slg-D经BR合成抑制剂BRZ处理后其叶夹角恢复到了野生型的水平。在BR合成缺陷突变体d11-2和BR信号缺陷突变体d61-1中过表达SLG并没有改变它们的表型。BR含量测定结果表明slg-D突变体中BR的水平增加了。相应地,BR相关基因表达分析表明,在slg-D中,部分BR合成及信号基因的表达量发生了由于BR含量过量而引起的反馈调节变化。这些结果表明SLG正向调控内源BR水平,它是一个新的BR稳态调控者。5. SLG RNAi植株表现出株型更紧凑,株高降低,叶夹角减小和籽粒变短变圆的表型,这些表型类似于那些BR缺陷突变体的表型,比如d61和d11,进一步突出了SLG在调控BR稳态上的功能。该发现还表明一个优化的SLG的表达水平可能有助于创造一个紧凑和半矮化的理想株型。6.酵母双杂交、体外pull-down及双分子荧光互补(BiFC)实验都证明SLG可以与自身互作形成同源复合体,同时也表明SLG的N端30个氨基酸区域(SLG△C4)是其自身互作所必需的。我们发现在野生型和slg-D中过表达截短的CDS SLG△C1能够导致叶夹角减小、籽粒变短变圆及植株矮化的表型,这些表型类似于SLGRNAi植株的表型。这些结果从遗传上证明SLG在体内的确是以同源复合体起作用的。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S511

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本文编号：1561004