水稻全生育期基因表达谱构建与侧生分枝发育的基因调控网络研究

发布时间：2021-02-22 21:18

  植物的生长发育过程受到基因表达方式的严格调控。剖析基因表达模式,不仅可以解释植物生长发育的机制,而且可以用于指导农作物的遗传改良。水稻作为世界上最主要的粮食作物之一,同时也是单子叶植物研究的模式物种,对其进行基因转录组的研究,既有利于理解植物发育的调控机制,也可以为其它多种作物的研究提供帮助。植物株型很大程度上由侧生分枝的发育决定的。水稻中侧生分枝包含营养生长时期的分蘖和生殖生长时期的穗分枝,这两种分枝深刻的影响水稻的产量,因此是水稻遗传改良的重要目标性状。本研究通过构建覆盖39个器官的转录组,建立了覆盖水稻全生育期的表达谱,并且和拟南芥的转录组进行了比较研究,发现了大量的与穗分枝发育有关的基因。通过对这些基因的功能研究,发现了一个主要由小RNA和转录因子组成的基因调控网络协同调控了水稻侧生分枝的发育。本论文的主要结果如下:1.利用Affymetrix Gene Chip Rice Genome Array对两个籼稻品种珍汕97和明恢63进行转录组分析,构建了覆盖全生育39个组织的基因表达谱,并且通过多种方式验证了数据的质量。这些数据建立了一个新的水稻功能基因组研究的平台。2.通过表达谱分析了各个组织在发育上的关系,发现基因表达模式和器官发育的同源性之间有很好的对应关系。雄蕊跟别的器官具有截然不同的基因表达模式,而愈伤和根细胞之间具有发育上的相关性。3.通过比较处于连续4个发育阶段的幼穗的转录组,发现了2667个基因存在差异表达。同时发现有两组基因从幼穗发育早期到后期,表现出相反的表达模式。第一组基因从早期到后期幼穗中,逐渐下调表达,其中包含了多个已经克隆的控制穗型态发育的基因,暗示这组基因可能与穗部枝梗发育有关。3个受到mi R156调控的SPL基因也出现在第一组基因中。而第二组基因则从早期到后期的幼穗中逐渐上调表达,其中包含有多个与花器官发育有关的MADS基因。对两组基因进行GO分析发现转录因子都被富集了,说明转录水平的调节在穗型态发育过程中有着重要的作用。4.分别鉴定到2376个组织特异表达和7276个组成型表达基因,并且发现19个不受遗传背景、生长环境、外界刺激等影响的最稳定表达的基因。5.通过表达谱的相似性,建立了水稻和拟南芥器官之间发育的对应关系,并且发现11对双向最匹配的器官。在这些器官中,两个物种的直系同源基因表达丰度是保守的,但是超过一半的基因发生了表达模式的分化,说明很多直系同源基因在两个物种中可能发生了功能分化。6.比较了水稻和拟南芥组织特异表达基因和组成型表达基因,发现具有组织特异表达特点的基因往往也是物种特异的,而组成型表达基因则有大量的保守基因,并且组织表达特异的直系同源基因具有更快的进化速度。7.超量表达mi R156导致分蘖极大增多,但是穗部分枝被严重抑制;而抑制mi R156则得到了和超量表达相反的表型,说明mi R156正调控分蘖发育,但是负调控花序分生组织活性。因为被mi R156调控的SPL7,SPL14和SPL17都从幼穗发育的早期到后期逐渐下调表达,因此推测这三个SPL基因可能调控了水稻的侧枝发育。8.水稻中mi R529与mi R156共同调控SPL基因,超量表达mi R529得到了和超量表达mi R156相似的表型。9.SPL7单突变不影响水稻的株型;而抑制SPL14或者SPL17则可以得到和超量表达mi R156或者mi R529类似的表型,分蘖增加,穗部枝梗减少,说明SPL基因抑制分蘖发育,但是促进花序分生组织活性。SPL14和SPL17双RNAi的材料增强了表型变化,说明SPL基因可能是冗余控制水稻发育的。超量表达SPL7,SPL14和SPL17都导致分蘖的减少,但是穗部枝梗也减少,特别是每个一次枝梗上分化的二次枝梗数量,表明SPL还促进小穗分生组织的分化。超量表达SPL基因可以部分恢复mi R156超量表达的表型。10.超量表达mi R172不影响分蘖发育,但是导致穗部一次枝梗减少,并且每个一次枝梗上分化的二次枝梗也减少;而抑制mi R172的表达也不影响分蘖发育,但是导致一次和二次枝梗都增加,说明mi R172负调控花序分生组织活性,但是促进小穗分生组织的分化。抑制mi R172的靶基因AP2类的SNB和Os TOE1得到了类似mi R172的表型变化;而超量表达SNB和Os TOE1则和抑制mi R172的表型类似,说明mi R172对穗型的调控作用是通过靶基因实现的。11.植物体内实验证明AP2类基因编码转录抑制子,并且包含有转录抑制模体EAR结构。体内体外实验证明AP2类蛋白质可以和转录共抑制子ASP1互作,并且分别是AP2的EAR结构和ASP1的CTLH结构域介导了这种互作。遗传分析结果证明了ASP1对AP2类基因调控穗分枝发育是必需的。12.基因表达分析表明mi R156和mi R172具有互补的表达模式,并且在SPL超量表达材料中,mi R172及其前体基因pri-mi R172b和pri-mi R172d上调表达。利用Ch IP,酵母单杂交和EMSA证明了SPL14可以直接调控mi R172的表达。遗传学分析进一步证明了SPL基因是通过mi R172促进小穗分化的。13.PAP2/MADS34也通过抑制RCN基因促进小穗分化。基因表达分析表明SPL基因正调控PAP2/MADS34的表达,并且Ch IP和EMSA证明SPL14可以直接调控PAP2/MADS34的表达,表明SPL基因也可可能通过PAP2/MADS34-RCN的途径促进小穗的分化。遗传分析证明RCN1可以恢复SPL基因超量表达导致的小穗分化的异常。14.通过比较mi R156超量表达植株和野生型的幼穗,发现了大量的基因发生了差异表达,包括很多已知的控制穗型发育的基因,如LAX1和RFL,并且这些基因同SPL基因共表达,说明SPL基因也可能通过这些基因调控穗分枝。遗传学分析证明了LAX1和RFL对SPL基因的功能是必需的,并且酵母单杂交和EMSA证明SPL14可以结合LAX1的启动子。15.Ghd7调控SPL基因的表达,并且遗传学分析表明SPL基因的活性对Ghd7调控株高和穗分枝发育是必需的,但是Ghd7对抽穗期的作用独立于SPL基因。

【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S511
【目录】：
 

【参考文献】

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本文编号：178777