水稻苗期低温耐受性的遗传分析和OsMYB30调控低温敏感性的功能鉴定

发布时间：2018-11-04 13:02

【摘要】：水稻作为世界上的主要粮食作物之一,其生长和发育受到低温胁迫的制约。研究水稻对低温应答的遗传基础,挖掘更多低温抗性相关的基因资源,将有助于深入解析水稻低温应答的分子机理和对水稻低温抗性进行遗传改良。本课题分为两个部分,第一部分是从正向遗传学角度入手,对529份水稻的自然种质资源进行苗期低温胁迫,利用关联分析技术(genome wide association studies,GWAS)挖掘与水稻低温抗性有关的遗传和基因资源。第二部分是解析一个MYB调控因子OsMYB30在低温应答中的调控机理。在第一部分的研究中,我们对529份水稻种质资源进行了两种不同程度的低温胁迫(较为缓和的自然低温胁迫与急剧的4°C低温胁迫),共采集到苗期16个性状的表型数据,对所有表型数据进行相关性分析,结果表明两种低温胁迫下的表型数据之间不具有相关性。同时我们也对529份水稻种质资源中的籼稻亚群、粳稻亚群为群体分别进行关联分析,并对检测到的位点进行整合。本次研究中,以529份水稻种质资源为群体进行关联分析,共检测到132个位点,我们发现有12个位点在两种低温胁迫下的表型数据中均被检测到。随后我们对关联得到的132个位点与已经发表的与水稻低温抗性相关的QTL(Quantitative trait locus)进行比较分析,有68个位点与已经报道的低温相关的QTL相重叠。我们又结合本组一套低温胁迫的芯片数据,从132个位点200 kb范围内(Lead SNP上下游各100 kb)筛选到102个候选基因,绘制了芯片热图,结果显示这些基因在表达水平上受到低温胁迫的上调或下调。接下来,我们对位点范围内一个已报道参与抗冷的基因OsMYB2和一个未发表的基因07g进行单倍型分析,两个基因在529群体中存在4种主要的单倍型,单倍型之间的表型差异显著,所属不同单倍型的品种具有显著的籼粳分化及纬度分布的差异。同时,我们也对所有品种进行抗冷性评估,在自然低温胁迫条件下筛选出114份抗冷(Chilling tolerant,CT)品种和143份冷敏感(Chilling sensitive,CS)品种,在急剧低温胁迫条件下,筛选出123份不敏感(Cold shock insensitive,CSI)品种和131份敏感(Cold shock sensitive,CSS)品种。相比于冷敏感(CS)品种,抗冷(CT)品种以粳稻为主,具有更广泛的地理分布。此外,在两种低温胁迫条件下,对低温均不敏感的品种(CT与CSI重叠的品种)与低温敏感的品种(CS与CSS重叠的品种)相比,也具有籼粳及纬度分布的差异。上述结果肯定了低温适应性与籼粳分化及纬度分布的相关性。OsMYB30是本室已鉴定的一个参与水稻低温逆境应答的调控因子,在水稻中超量表达OsMYB30在低温胁迫下呈现出敏感的表型,该基因的一个T-DNA插入的纯合突变体osmyb30对低温胁迫的耐受力相对于野生型明显增强。芯片数据表明在正常生长条件以及低温胁迫条件下,OsMYB30超表达及突变体中均有大量的基因在表达水平发生了变化,暗示OsMYB30可能在低温胁迫应答中发挥着重要的转录调节的作用。在第二部分的研究中,我们从低温胁迫的芯片中,筛选到一类BMY(β(Beta)-amylase)基因,该家族的多个成员在芯片中受到OsMYB30的下调,BMY家族中的三个成员BMY2/6/10的表达量在OsMYB30超量表达植株中下降,在osmyb30突变体植株中上升。实验表明,OsMYB30可以在植物体内及体外结合BMY2/6/10基因的启动子。该类基因编码β类淀粉酶,可以将淀粉水解为麦芽糖,本研究结果表明β淀粉酶的活力以及对应的代谢产物麦芽糖的含量均在OsMYB30超表达植株中显著下降,并且在突变体植株osmyb30中显著上升,这与BMY2/6/10表达量的变化趋势是一致的。随后,我们对低温胁迫下的OsMYB30超表达及osmyb30突变体植株施加一定浓度的麦芽糖,对于相对低温敏感的OsMYB30超表达植株及突变体对应的野生型植株而言,可以显著降低胁迫下细胞膜损伤。这种可溶性糖对细胞膜的保护作用在其它对低温敏感的水稻品种中得以验证。同时,我们通过互作蛋白的筛选得到OsMYB30的互作蛋白OsJAZ9,并在植物体内及体外证实二者的互作。此外我们发现OsJAZ9的表达量受到OsMYB30的上调,低温胁迫后,BMY6/10的表达量在OsJAZ9超量表达植株中下降。随后我们利用双荧光素酶系统,在水稻原生质体内证实OsJAZ9可以降低OsMYB30的转录激活活性并且增强OsMYB30对于BMY2/6/10基因启动子的抑制作用。综上所述,我们首次通过关联分析技术对水稻苗期低温相关性状进行遗传分析,鉴定到与不同低温胁迫相关联的位点,这些位点以及我们筛选出的抗冷品种将为提高水稻低温的适应性并进行遗传改良提供有利的遗传资源。同时,OsMYB30是水稻中一个新的低温抗性负调控因子,通过与OsJAZ9互作从而抑制BMY基因的表达,负调控低温抗性。水稻中这一低温应答新机制的发现,将有助于解析复杂的低温调控网络,为水稻中MYB蛋白的功能研究提供参考。
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【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S511

【参考文献】