BTA1调控水稻分蘖角度的分子机制研究
发布时间：2021-02-11 09:59
分蘖角度是影响水稻株型的重要因素。定位和克隆调控水稻分蘖角度的基因,开展调控水稻分蘖角度形成的分子机制的研究,对水稻株型改良、开展水稻超高产理想株型育种具有重要的理论和实践意义。水稻分蘖角度的形成是一个非常复杂的过程。除了遗传因素外,多种自然环境条件（包括光照、重力）、激素水平等因素均参与水稻分蘖角度的调控。已有的研究表明,水稻的负向重力性反应和分蘖着生的细胞学形态变化是导致水稻分蘖角度变化的原因。目前已经克隆了一些调控水稻分蘖角度的基因。但是,深入的分子机制尚不清楚。本研究以EMS化学诱变筛选获得的分蘖角度变大、呈散生状生长的突变体（bigger tiller angle 1-1,bta1-1）为试材,利用图位克隆、DNA重组技术、农杆菌介导的水稻成熟胚遗传转化技术、荧光定量RT-PCR技术、烟草瞬时转化、RNA高通量转录组测序和分析等技术,观察了bta1-1突变体的分蘖角度和负向重力性反应的变化;定位并克隆了BTA1基因;对该基因进行了表达模式分析和差异表达分析;分析了bta1-1突变体和野生型（WT）之间差异表达的基因;分析了差异表达基因的富集通路,从全基因组水平分析了BTA1调...
【文章来源】：沈阳农业大学辽宁省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
水稻株型构成分子机理模式图(梁彦等,2016)
水稻分蘖数量是一个非常复杂的农艺性状,受遗传、环境、栽培措施等因素影响(Wang andLi,2011)。近年来,有关水稻分蘖数量性状的主效调控基因的研究取得了一定进展,已经克隆了一些促进水稻分蘖和抑制水稻分蘖的基因(图1-2)。MONOCULM1(MOC1)是正向调控水稻分蘖数的基因(Li et al.,2003)。由于分蘖芽形成的缺陷导致moc1突变体表现出一个单分蘖表型的突变体。研究表明,MOC1编码一个定位在核内的GRAS家族蛋白,在营养生长和生殖生长阶段控制叶腋分生组织形成。MOC1在叶腋分生组织和腋芽的形成中发挥重要作用,还促进腋芽的伸长生长(Li et al.,2003)。此外,monoculm 2(moc2)是一个分蘖数量减少的突变体,表现为单蘖、矮化、叶色淡绿,同时穗和穗粒数有显著降低。研究发现,MOC2基因编码胞质果糖-1,6-二磷酸酶(FBP1),是蔗糖合成途径中一个非常重要的酶,其活性缺失导致蔗糖供应不足,单重突变体分蘖芽生长受到抑制(Koumoto et al.,2013)。MONOCULM 3(MOC3)基因编码一个WOX蛋白质家族成员,是转录抑制子。研究表明,MOC3通过促进OSH1的表达,维持分生组织区的正常生长,并且促进腋芽分生组织的形成,是腋芽形成所必需的,MOC3可能作用于MOC1和LAX的下游或者通过一个独立的途径影响腋芽形成(Lu et al.,2015;Tanaka et al.,2015)。关于水稻分蘖数的负向调控因子的研究也取得了很大进展。日本学者Takeda等基于玉米TB1基因的高相似性,采用同源克隆的方法分离鉴定出TEOSINTE BRANCHED 1(OsTB1)基因(Takeda et al.,2003)。对基因功能的研究发现,OsTB1基因抑制腋芽的活性。OsTB1超表达使水稻植株分蘖数量减少,说明TB1超表达会抑制侧芽的生长,但侧芽的分化不受影响。利用筛选获得的多分蘖矮杆突变体high-tillering dwarf 1(htd1),定位分离出HTD1基因(Zou et al.,2005;Zou et al.,2006)。经过序列比对和蛋白质的结构域分析,HTD1基因在物种间高度保守,在多种植物中都有同源基因。HTD1是通过抑制水稻分蘖芽的萌发从而调控水稻分蘖数。此外,通过对d系列的矮秆多蘖突变体的研究发现,DWARF10(D10)、DWARF17(D17)、DWARF27(D27)均在独脚金内酯的合成途径中发挥作用。D10基因编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD8,是独脚金内酯生物合成中的关键酶。D10的转录是抑制分蘖通路的关键步骤,其功能的缺失导致突变体株高变矮,分蘖增多(Arite et al.,2007)。D17处于独脚金内酯合成基因OsMAX1的上游,并且编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD7,是拟南芥MAX3的同源蛋白,参与负向调控水稻侧芽生长(Zou et al.,2006)。D27突变之后生长素极性运输增强,根部分泌液中检测不到独脚金内酯从而导致其突变体丧失抑制分蘖芽向外生长能力,因此表现出分蘖数增加的表型(Lin et al.,2009)。DWARF3(D3)、DWARF14(D14)、DWARF53(D53)作用于独脚金内酯的信号转导通路(Ishikawa et al.,2005;Arite et al.,2009;Zhou et al.,2013;Jiang et al.,2013;Wang et al.,2018)。D53编码一个在结构上与I类Clp ATP酶类似的蛋白,是SCFD3泛素化复合体的底物,与α/β水解酶D14、F-box蛋白D3形成蛋白复合体,是独角金内酯信号途径的抑制因子,在依赖D14和D3的条件下,SL通过蛋白酶体途径诱导D53降解,抑制其活性,促进侧芽生长。D家族基因通过调控独脚金内酯的合成或运输来间接调控水稻分蘖数量,说明独脚金内酯在水稻分蘖发生和数量上起着重要的作用(图1-3)。
关于水稻分蘖数的负向调控因子的研究也取得了很大进展。日本学者Takeda等基于玉米TB1基因的高相似性,采用同源克隆的方法分离鉴定出TEOSINTE BRANCHED 1(OsTB1)基因(Takeda et al.,2003)。对基因功能的研究发现,OsTB1基因抑制腋芽的活性。OsTB1超表达使水稻植株分蘖数量减少,说明TB1超表达会抑制侧芽的生长,但侧芽的分化不受影响。利用筛选获得的多分蘖矮杆突变体high-tillering dwarf 1(htd1),定位分离出HTD1基因(Zou et al.,2005;Zou et al.,2006)。经过序列比对和蛋白质的结构域分析,HTD1基因在物种间高度保守,在多种植物中都有同源基因。HTD1是通过抑制水稻分蘖芽的萌发从而调控水稻分蘖数。此外,通过对d系列的矮秆多蘖突变体的研究发现,DWARF10(D10)、DWARF17(D17)、DWARF27(D27)均在独脚金内酯的合成途径中发挥作用。D10基因编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD8,是独脚金内酯生物合成中的关键酶。D10的转录是抑制分蘖通路的关键步骤,其功能的缺失导致突变体株高变矮,分蘖增多(Arite et al.,2007)。D17处于独脚金内酯合成基因OsMAX1的上游,并且编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD7,是拟南芥MAX3的同源蛋白,参与负向调控水稻侧芽生长(Zou et al.,2006)。D27突变之后生长素极性运输增强,根部分泌液中检测不到独脚金内酯从而导致其突变体丧失抑制分蘖芽向外生长能力,因此表现出分蘖数增加的表型(Lin et al.,2009)。DWARF3(D3)、DWARF14(D14)、DWARF53(D53)作用于独脚金内酯的信号转导通路(Ishikawa et al.,2005;Arite et al.,2009;Zhou et al.,2013;Jiang et al.,2013;Wang et al.,2018)。D53编码一个在结构上与I类Clp ATP酶类似的蛋白,是SCFD3泛素化复合体的底物,与α/β水解酶D14、F-box蛋白D3形成蛋白复合体,是独角金内酯信号途径的抑制因子,在依赖D14和D3的条件下,SL通过蛋白酶体途径诱导D53降解,抑制其活性,促进侧芽生长。D家族基因通过调控独脚金内酯的合成或运输来间接调控水稻分蘖数量,说明独脚金内酯在水稻分蘖发生和数量上起着重要的作用(图1-3)。1.1.4 水稻穗型调控的分子机制
【参考文献】：
期刊论文
[1]水稻株型功能基因及其在育种上的应用[J]. 梁彦,王永红. 生命科学. 2016(10)
[2]转录组测序技术在玉米中的应用研究进展[J]. 许波,张伟强,冯晓曦,王成业,张海申,许海涛,王友华,张今瀚. 玉米科学. 2014(01)
[3]水稻株型相关基因的定位与克隆研究进展[J]. 林泽川,曹立勇. 中国稻米. 2014(01)
[4]长链非编码RNA的作用机制及其研究方法[J]. 夏天,肖丙秀,郭俊明. 遗传. 2013(03)
[5]中国作物分子设计育种[J]. 王建康,李慧慧,张学才,尹长斌,黎裕,马有志,李新海,邱丽娟,万建民. 作物学报. 2011(02)
[6]水稻卷窄叶突变相关基因OsCSLD4的RNAi研究及表达分析[J]. 朱丽,胡江,颜美仙,高振宇,刘坚,钱前,郭龙彪. 核农学报. 2010(05)
[7]植物叶发育的分子机理[J]. 严松,严长杰,顾铭洪. 遗传. 2008(09)
[8]LAZY1 controls rice shoot gravitropism through regulating polar auxin transport[J]. Peijin Li1;Yonghong Wang1;Qian Qian2;Zhiming Fu1;Mei Wang1;Dali Zeng1,2;Baohua Li1;Xiujie Wang1;Jiayang Li11 State Key Laboratory of Plant Genomics and National Center for Plant Gene Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China2 State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310006, China. Cell Research. 2007(05)
[9]Heterotrimeric G protein α subunit is involved in rice brassinosteroid response[J]. Lei Wang~(1,2) Yun-Yuan Xu~1 Qi-Bin Ma~(1,2) Dan Li~(1,2) Zhi-Hong Xu~(1,3) Kang Chong~(1,3) 1 Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology,Institute of Botany,Chinese Academy of Sciences,Nanxincun 20,Xiangshan,Beijing 100093,China,2 Graduate School of the Chinese Academv of Sciences,100046 Beijing,China;3 National Plant Gene Research Center (Beijing),Beijing 100093,China. Cell Research. 2006(12)
[10]生长素调控植物株型形成的研究进展[J]. 王冰,李家洋,王永红. 植物学通报. 2006(05)
本文编号：3028929
【文章来源】：沈阳农业大学辽宁省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
水稻株型构成分子机理模式图(梁彦等,2016)
水稻分蘖数量是一个非常复杂的农艺性状,受遗传、环境、栽培措施等因素影响(Wang andLi,2011)。近年来,有关水稻分蘖数量性状的主效调控基因的研究取得了一定进展,已经克隆了一些促进水稻分蘖和抑制水稻分蘖的基因(图1-2)。MONOCULM1(MOC1)是正向调控水稻分蘖数的基因(Li et al.,2003)。由于分蘖芽形成的缺陷导致moc1突变体表现出一个单分蘖表型的突变体。研究表明,MOC1编码一个定位在核内的GRAS家族蛋白,在营养生长和生殖生长阶段控制叶腋分生组织形成。MOC1在叶腋分生组织和腋芽的形成中发挥重要作用,还促进腋芽的伸长生长(Li et al.,2003)。此外,monoculm 2(moc2)是一个分蘖数量减少的突变体,表现为单蘖、矮化、叶色淡绿,同时穗和穗粒数有显著降低。研究发现,MOC2基因编码胞质果糖-1,6-二磷酸酶(FBP1),是蔗糖合成途径中一个非常重要的酶,其活性缺失导致蔗糖供应不足,单重突变体分蘖芽生长受到抑制(Koumoto et al.,2013)。MONOCULM 3(MOC3)基因编码一个WOX蛋白质家族成员,是转录抑制子。研究表明,MOC3通过促进OSH1的表达,维持分生组织区的正常生长,并且促进腋芽分生组织的形成,是腋芽形成所必需的,MOC3可能作用于MOC1和LAX的下游或者通过一个独立的途径影响腋芽形成(Lu et al.,2015;Tanaka et al.,2015)。关于水稻分蘖数的负向调控因子的研究也取得了很大进展。日本学者Takeda等基于玉米TB1基因的高相似性,采用同源克隆的方法分离鉴定出TEOSINTE BRANCHED 1(OsTB1)基因(Takeda et al.,2003)。对基因功能的研究发现,OsTB1基因抑制腋芽的活性。OsTB1超表达使水稻植株分蘖数量减少,说明TB1超表达会抑制侧芽的生长,但侧芽的分化不受影响。利用筛选获得的多分蘖矮杆突变体high-tillering dwarf 1(htd1),定位分离出HTD1基因(Zou et al.,2005;Zou et al.,2006)。经过序列比对和蛋白质的结构域分析,HTD1基因在物种间高度保守,在多种植物中都有同源基因。HTD1是通过抑制水稻分蘖芽的萌发从而调控水稻分蘖数。此外,通过对d系列的矮秆多蘖突变体的研究发现,DWARF10(D10)、DWARF17(D17)、DWARF27(D27)均在独脚金内酯的合成途径中发挥作用。D10基因编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD8,是独脚金内酯生物合成中的关键酶。D10的转录是抑制分蘖通路的关键步骤,其功能的缺失导致突变体株高变矮,分蘖增多(Arite et al.,2007)。D17处于独脚金内酯合成基因OsMAX1的上游,并且编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD7,是拟南芥MAX3的同源蛋白,参与负向调控水稻侧芽生长(Zou et al.,2006)。D27突变之后生长素极性运输增强,根部分泌液中检测不到独脚金内酯从而导致其突变体丧失抑制分蘖芽向外生长能力,因此表现出分蘖数增加的表型(Lin et al.,2009)。DWARF3(D3)、DWARF14(D14)、DWARF53(D53)作用于独脚金内酯的信号转导通路(Ishikawa et al.,2005;Arite et al.,2009;Zhou et al.,2013;Jiang et al.,2013;Wang et al.,2018)。D53编码一个在结构上与I类Clp ATP酶类似的蛋白,是SCFD3泛素化复合体的底物,与α/β水解酶D14、F-box蛋白D3形成蛋白复合体,是独角金内酯信号途径的抑制因子,在依赖D14和D3的条件下,SL通过蛋白酶体途径诱导D53降解,抑制其活性,促进侧芽生长。D家族基因通过调控独脚金内酯的合成或运输来间接调控水稻分蘖数量,说明独脚金内酯在水稻分蘖发生和数量上起着重要的作用(图1-3)。
关于水稻分蘖数的负向调控因子的研究也取得了很大进展。日本学者Takeda等基于玉米TB1基因的高相似性,采用同源克隆的方法分离鉴定出TEOSINTE BRANCHED 1(OsTB1)基因(Takeda et al.,2003)。对基因功能的研究发现,OsTB1基因抑制腋芽的活性。OsTB1超表达使水稻植株分蘖数量减少,说明TB1超表达会抑制侧芽的生长,但侧芽的分化不受影响。利用筛选获得的多分蘖矮杆突变体high-tillering dwarf 1(htd1),定位分离出HTD1基因(Zou et al.,2005;Zou et al.,2006)。经过序列比对和蛋白质的结构域分析,HTD1基因在物种间高度保守,在多种植物中都有同源基因。HTD1是通过抑制水稻分蘖芽的萌发从而调控水稻分蘖数。此外,通过对d系列的矮秆多蘖突变体的研究发现,DWARF10(D10)、DWARF17(D17)、DWARF27(D27)均在独脚金内酯的合成途径中发挥作用。D10基因编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD8,是独脚金内酯生物合成中的关键酶。D10的转录是抑制分蘖通路的关键步骤,其功能的缺失导致突变体株高变矮,分蘖增多(Arite et al.,2007)。D17处于独脚金内酯合成基因OsMAX1的上游,并且编码一个类胡萝卜素裂解双加氧酶OsCCD7,是拟南芥MAX3的同源蛋白,参与负向调控水稻侧芽生长(Zou et al.,2006)。D27突变之后生长素极性运输增强,根部分泌液中检测不到独脚金内酯从而导致其突变体丧失抑制分蘖芽向外生长能力,因此表现出分蘖数增加的表型(Lin et al.,2009)。DWARF3(D3)、DWARF14(D14)、DWARF53(D53)作用于独脚金内酯的信号转导通路(Ishikawa et al.,2005;Arite et al.,2009;Zhou et al.,2013;Jiang et al.,2013;Wang et al.,2018)。D53编码一个在结构上与I类Clp ATP酶类似的蛋白,是SCFD3泛素化复合体的底物,与α/β水解酶D14、F-box蛋白D3形成蛋白复合体,是独角金内酯信号途径的抑制因子,在依赖D14和D3的条件下,SL通过蛋白酶体途径诱导D53降解,抑制其活性,促进侧芽生长。D家族基因通过调控独脚金内酯的合成或运输来间接调控水稻分蘖数量,说明独脚金内酯在水稻分蘖发生和数量上起着重要的作用(图1-3)。1.1.4 水稻穗型调控的分子机制
【参考文献】：
期刊论文
[1]水稻株型功能基因及其在育种上的应用[J]. 梁彦,王永红. 生命科学. 2016(10)
[2]转录组测序技术在玉米中的应用研究进展[J]. 许波,张伟强,冯晓曦,王成业,张海申,许海涛,王友华,张今瀚. 玉米科学. 2014(01)
[3]水稻株型相关基因的定位与克隆研究进展[J]. 林泽川,曹立勇. 中国稻米. 2014(01)
[4]长链非编码RNA的作用机制及其研究方法[J]. 夏天,肖丙秀,郭俊明. 遗传. 2013(03)
[5]中国作物分子设计育种[J]. 王建康,李慧慧,张学才,尹长斌,黎裕,马有志,李新海,邱丽娟,万建民. 作物学报. 2011(02)
[6]水稻卷窄叶突变相关基因OsCSLD4的RNAi研究及表达分析[J]. 朱丽,胡江,颜美仙,高振宇,刘坚,钱前,郭龙彪. 核农学报. 2010(05)
[7]植物叶发育的分子机理[J]. 严松,严长杰,顾铭洪. 遗传. 2008(09)
[8]LAZY1 controls rice shoot gravitropism through regulating polar auxin transport[J]. Peijin Li1;Yonghong Wang1;Qian Qian2;Zhiming Fu1;Mei Wang1;Dali Zeng1,2;Baohua Li1;Xiujie Wang1;Jiayang Li11 State Key Laboratory of Plant Genomics and National Center for Plant Gene Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China2 State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310006, China. Cell Research. 2007(05)
[9]Heterotrimeric G protein α subunit is involved in rice brassinosteroid response[J]. Lei Wang~(1,2) Yun-Yuan Xu~1 Qi-Bin Ma~(1,2) Dan Li~(1,2) Zhi-Hong Xu~(1,3) Kang Chong~(1,3) 1 Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology,Institute of Botany,Chinese Academy of Sciences,Nanxincun 20,Xiangshan,Beijing 100093,China,2 Graduate School of the Chinese Academv of Sciences,100046 Beijing,China;3 National Plant Gene Research Center (Beijing),Beijing 100093,China. Cell Research. 2006(12)
[10]生长素调控植物株型形成的研究进展[J]. 王冰,李家洋,王永红. 植物学通报. 2006(05)
本文编号：3028929
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