水稻结实率控制基因PTB1的自然变异和驯化分析

发布时间：2017-05-11 19:18

  本文关键词：水稻结实率控制基因PTB1的自然变异和驯化分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水稻是全世界最重要的粮食作物之一,其产量水平直接关系粮食安全,因此对于水稻产量性状的深入研究具有重要的意义。目前,水稻产量性状的控制机制取得了长足的进展,特别是有关千粒重、有效穗数等方面研究的比较深入。相比之下,另一个控制水稻产量的重要因素——结实率的研究还不够深入。提高结实率可以有效的增加穗粒数从而提高粮食产量,因此加深对水稻结实率的研究对于研究其本身的遗传机制以及提高粮食产量都具有重要的意义。本实验室近期通过一个水稻低结实率突变体,成功克隆了一个直接控制水稻结实率的主效基因PTB1。精细定位结果表明,PTB1基因内部发生了一个470 bp左右的序列缺失,该基因编码了一个环型的E3泛素连接酶,能够促进花粉管在花柱道中的生长,从而直接调控水稻结实率的高低。进一步的实验发现,在异常环境温度条件下,PTB1基因的表达量水平明显下调,这可能是造成水稻在高温、低温等异常条件下结实率降低的直接原因。体外生化实验验证了PTB1蛋白具有E3泛素连接酶的生化功能,我们因此推测,PTB1基因的作用靶标可能对花粉管的生长具有抑制作用,在正常的水稻中PTB1可能特异的降解了该负调控因子,从而在一定程度上促进了花粉管的生长,最终促进水稻的正常结实。大量的基因克隆工作显示,很多水稻产量相关基因均具有丰富的群体变异,并一定程度上体现栽培稻的驯化特征。PTB1是水稻上第一个报道的控制结实率的关键基因,该基因的克隆是水稻产量性状解析的重要进展,但该基因群体自然变异特征以及是否关系驯化还不得而知。因此,本实验是在前期研究的基础上,选取有代表性的野生稻、栽培稻(包括粳稻亚种和籼稻亚种)等实验材料,分子克隆PTB1基因及其调控序列,以期系统研究不同水稻种质中PTB1基因的等位变异特征,探讨这些变异与水稻结实率自然变异的关联,同时揭示了该基因在水稻驯化过程中的变化规律。主要结果如下：1、107份水稻材料PTB1基因的PCR分段克隆及测序表明,PTB1基因存在丰富的自然变异,共发现了32个SNP位点和5个InDel位点。其中在PTB1启动子中存在19个SNP变异位点以及4个InDe1位点,在PTB1基因的10个外显子中存在13个SNP位点以及1个InDel位点。2、对所有水稻材料的PTB1基因的测序结果进行统计分析,发现PTBl基因的自然变异情况共存在16种单倍型分类。其中在野生稻群体(21份)中存在16种不同的单倍型类型,而在栽培稻(86份)中仅存在3种不同的单倍型,从野生稻到栽培稻PTB1基因的单倍型的种类显著减少,表明PTB1基因在水稻的驯化历史中受到了选择,是一个驯化相关的基因,有关群体遗传参数计算结果也进一步证实了上述结论。3、分别对粳稻品种以及籼稻品种的PTB1基因的单倍型进行分析发现,籼稻品种的PTB1基因单倍型主要集中在两个类型中(H12以及H14),粳稻品种的PTB1基因单倍型主要集中在H1中,由此显示PTB1基因存在明显的籼粳分化,可能与水稻的籼粳分化相关。4、前期的研究表明,PTB1基因的表达量与转基因植株的结实率相关。我们对部分材料分别进行了结实率和PTB1基因表达量的调查。结果发现,PTB1基因在不同水稻材料中的相对表达量水平与水稻的结实率密切相关(r=0.74,P0.01)。该结果表明,与转基因植株群体的结果相似,水稻结实率的自然变异与PTB1表达量的自然变异直接相关。5、利用获得的自然变异和对应的表达量数据,我们接下来研究PTB1的等位变异是否与基因的表达量直接相关。关联分析结果显示,PTB1基因启动子区域的4个等位变异(-1156,-1069,-931和-621位)组成的2种单倍型(CACC和TCGT)与基因的表达量密切相关(P0.05, t-est),同时也直接与水稻的结实率关联(P0.05, t-est)。该结果显示,PTB1基因启动子区域的自然变异决定了PTB1基因的表达量,后者直接决定了结实率的高低,提示这些启动子区域的自然变异是水稻材料间结实率变异的根本原因。综上所述,本研究表明,PTBl基因存在丰富的自然变异,这些变异可能与水稻的籼粳分化和栽培稻的驯化相关。同时PTB1基因启动子区域的自然变异决定了PTB1基因的表达量,后者直接决定了水稻结实率的高低,提示这些启动子区域的自然变异是水稻材料间结实率变异的根本原因。
【关键词】：PTBI基因 结实率 自然变异 单倍型 驯化选择
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S511
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 缩写词(Abbreviation)9-13
• 1 文献综述13-23
• 1.1 水稻产量性状研究进展13-14
• 1.2 结实率14-18
• 1.2.1 结实率概述14-15
• 1.2.2 水稻结实率研究进展15
• 1.2.3 水稻结实率的遗传控制15-16
• 1.2.4 水稻结实率受环境影响16-17
• 1.2.5 结实率遗传控制因素的研究进展17-18
• 1.2.6 水稻结实率控制基因——PTB118
• 1.3 驯化18-21
• 1.3.1 驯化概述19-20
• 1.3.2 水稻驯化20
• 1.3.3 水稻驯化相关基因20-21
• 1.3.4 水稻结实率的驯化21
• 1.4 本研究的背景和意义21-23
• 1.4.1 PTB1的研究背景21-22
• 1.4.2 本研究的目的和意义22-23
• 2 实验材料与方法23-35
• 2.1 实验材料23
• 2.1.1 植物材料23
• 2.1.2 化学试剂及分子试剂23
• 2.2 实验方法23-30
• 2.2.1 实验方案及技术路线23-24
• 2.2.2 植物DNA的提取与检测24-25
• 2.2.3 引物设计25
• 2.2.4 PCR扩增与产物测序25-27
• 2.2.5 序列测定27-28
• 2.2.6 植物RNA的提取与反转录28-30
• 2.2.7 定量-PCR分析30
• 2.3 数据分析30-33
• 2.3.1 PCR产物测序30-31
• 2.3.2 序列SNP检测31-32
• 2.3.3 遗传多样性分析32
• 2.3.4 序列单倍型检测32
• 2.3.5 驯化分析32-33
• 2.3.6 结实率调查33
• 2.3.7 关联分析33
• 2.4 相关试剂的配方及实验设备33-35
• 2.4.1 溶液配方33-34
• 2.4.2 仪器设备34-35
• 3 结果与分析35-56
• 3.1 实验材料选择35-38
• 3.2 PTB1基因结构分析及引物设计38-39
• 3.3 基因组DNA抽提、PTB1基因扩增及RNA检测39-42
• 3.3.1 水稻基因组DNA抽提39
• 3.3.2 PTB1基因启动子(包括1、2号外显子)扩增39-40
• 3.3.3 PTB1基因外显子扩增40-41
• 3.3.4 水稻RNA提取41-42
• 3.4 测序及分析42-44
• 3.4.1 PTB1基因启动子测序结果42-43
• 3.4.2 PTB1基因外显子测序结果43-44
• 3.5 PTB1基因遗传多态性分析44-45
• 3.5.1 变异位点分析44-45
• 3.5.2 群体多样性分析45
• 3.6 PTB1基因的单倍型45-47
• 3.7 PTB1基因具有籼粳分化特征47-48
• 3.8 PTB1驯化分析48-50
• 3.8.1 中性检验48-49
• 3.8.2 单倍型分析49-50
• 3.9 结实率调查50-51
• 3.10 PTB1基因自然变异与结实率的关联分析51-56
• 4 讨论56-60
• 4.1 PTB1是控制水稻结实率关键基因56-57
• 4.2 PTB1基因的自然变异控制水稻的结实率57-58
• 4.3 水稻结实率控制基因PTB1的驯化58-60
• 参考文献60-65
• 致谢65-66
• 附录66-69

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