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《中国农业大学》 2015年
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水稻株型与产量控制基因PAY1的克隆与功能分析

赵磊  
【摘要】:株型通常被定义为植物地上部分的三维立体结构,其主要构成因素有株高、分枝(分蘖)模式、叶形和穗型等。株型是诸多农艺性状的综合体,它直接影响和决定作物的产量。在作物的进化和改良史中,合理的株型一直是高产育种的主要选择方向。了解株型的遗传机制将有助于培育出高产优质的作物新品种。本研究对野生稻渗入系YIL55进行EMS诱变构建突变体库,从中选取一个株型变直立紧凑的突变体PAYl作为研究材料。YIL55表现为株高较矮、分蘖较多、分蘖角度大、穗粒数少及产量低。同YIL55相比,PAY1突变体表现为株高增加、分蘖减少、分蘖角度变小、茎杆变粗、穗子增大、穗粒数及产量增加等。本研究利用图位克隆方法,分离了PAY1基因,并对其分子功能进行解析。遗传分析结果显示,突变体表型性状的改变是受一对显性基因控制。利用PAY1突变体与日本晴杂交的F2群体,将PAY1定位在第8染色体长臂端一个约51 kb的区间内。序列分析结果表明,定位区间的LOC_Os08g31470基因编码区第四个外显子、第1244碱基处,有一个由G到A的突变,导致PAY1突变体所编码的蛋白质中一个氨基酸残基由谷氨酰胺转变为精氨酸。为了验证PAY1突变体表型性状的改变是由于LOC_Os08g31470基因突变造成的,构建了由Ubiquitin驱动的过表达载体,并将其转入YIL55中,发现所有转基因植株均表现与PAY1突变体类似的表型。同时还构建了RNAi干扰载体,并将其转入PAY1突变体中,10个独立的转基因株系均表现与YIL55类似的表型。以上结果证明ILOC_Os08g31470就是PAY1。序列分析结果显示PAY1基因共有5个外显子,4个内含子,编码一个长度为590的氨基酸链。其cDNA全长2172 bp,其中编码区1773 bp,5'非翻译区172 bp,3'非翻译区227 bp。PAY1-GFP融合蛋白亚细胞定位结果显示,PAY1仅定位于细胞核中,表明PAY1为核定位蛋白。酵母自激活检测实验结果显示,pay1具有较弱的自激活能力,而PAY1则丧失了自激活能力。DLR系统检测结果显示pay1具有较强的转录抑制作用,而PAY1则几乎没有改变。以上结果表明payl为具有转录抑制功能的转录因子,而PAY1则丧失了这种功能。RT-PCR和GUS染色结果表明,PAY1在根、叶片、茎秆、穗子等所有被检测的部位中均有表达,在叶片中的表达尤其高。RNA原位杂交结果显示PAY1主要在生长点、叶原基、分蘖原基、分化中的枝梗及小穗中表达。还发现PAY1基因的突变改变了其对生长素的吸收以及极性运输能力,进而改变了体内生长素的极性分布,这可能是PAY1突变体株型发生改变的重要原因。通过杂交、回交和分子标记辅助选择,构建了特青及9311背景的PAY1近等基因系,并调查了产量性状,结果表明同各自的轮回亲本相比,近等基因系均表现出株高增加、分蘖减少、分蘖角度减小、茎秆变粗、穗子变大及产量提高,表明PAY1是水稻株型和产量重要的显性调控因子,在水稻育种中有重要的应用前景。为了解析PAY1在水稻株型调控网络中的作用,对PAY1与野生稻匍匐生长习性基因PROG1的关系进行了研究。结果表明,在PAY1突变体中,PROG1基因表达水平受到明显抑制,表明PAY1与PROG1基因可能存在互作;然而目前的研究结果未能证实两者之间存在直接互作,仍需要对其进行更深入的研究。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S511

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