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小麦灌浆相关基因TaGIF1的克隆及功能浅析

田小萍  
【摘要】:小麦(Triticum aestivum L.)是主要的粮食作物之一,小麦产量性状是育种家们一直研究的热点,而小麦籽粒发育对产量形成有至关重要的作用。挖掘小麦中与籽粒发育相关的基因并对其作用机理进行研究,对进一步解析小麦产量性状的遗传基础具有重要的理论意义。GIF1(grain incomplete filling 1)一种在质外体途径中、不可逆的催化蔗糖水解的细胞壁蔗糖转化酶,主要在组织生长旺盛并且需要供能的库中表达,是影响水稻灌浆的关键基因。本研究以大粒小麦品种品冬34和小粒品种陕麦159为供试材料,根据水稻OsGIF1基因序列,采用同源克隆结合RACE技术获得普通小麦第2部分同源群染色体上的TaGIF1基因以及cDNA全长序列。比较了不同大小粒小麦品种间TaGIF1-2A基因组序列,并进行单倍型分析。同时在大、小粒材料中克隆该基因启动子序列,对基因启动子元件进行分析。利用qRT-PCR技术分析该基因在幼穗、籽粒及颖壳中的表达模式。通过构建PE-TaGIF1-GFP融合表达载体,观察基因亚细胞中的作用位点。对小麦中该基因潜在功能的探讨,为进一步深入研究TaGIF1基因在籽粒灌浆期的作用奠定基础。研究结果如下:1.基因扩增结果分析表明,小麦TaGIF1-2A基因含有237 bp的5’UTR、1986 bp的ORF、262 bp的3’UTR,共编码661个氨基酸残基。结合小麦基因组数据库URGI以及基因结构分析表明,TaGIF1-2A与TraesCS2A02G295400最为接近,只存在4个SNP差异位点,相似度为99.8%。与TraesCS2B02G311900、TraesCS2D02G293200通过比对分析,相似度分别为96.5%、97%,将其分别命名为TaGIF1-2B、TaGIF1-2D。该基因都含有7个外显子和6个内含子,且结构域高度保守。2.从15份筛选的大小粒小麦品种中得到TaGIF1-2A基因组序列,长度约4 kb。共检测到21个大小粒小麦SNP差异位点,9个SNP位点位于编码区,12个SNP位点位于非编码区。SNP分组发现,15份大小粒小麦品种中TaGIF1-2A基因共存在8种单倍型。氨基酸序列比对显示,共存在2个氨基酸变异位点,其余SNP位点未引起其氨基酸的变化。大小粒中无特异SNP变异,表明该基因在编码区序列高度保守。3.以品冬34和陕麦159大小粒材料的基因组DNA为模板进行TaGIF1-2A基因启动子克隆,测序获得2141 bp序列。利用PlantCARE软件对启动子分析得出,序列中除了含有启动子TATA-box、CAAT-box基本元件,还包含多个作用功能的顺式作用元件。将品冬34和陕麦159启动子区序列通过比对发现,两者启动子区共有19个SNP差异,大粒材料元件数量和种类均多于小粒材料。说明TaGIF1-2A基因启动子区在调控植物生长发育的过程中大粒较小粒材料可能发挥更重要的作用。4.实时荧光定量qRT-PCR检测结果表明,TaGIF1在籽粒和颖壳中都有表达。结合小麦转录组数据表明,TaGIF1-2A、2B、2D在小麦灌浆时期都有相同的表达模式,说明其与籽粒大小无关;而花后2 DAA~6 DAA的籽粒中,表达幅度剧烈上调,花后9 DAA急剧下调,由此得出TaGIF1可能影响籽粒灌浆,在灌浆前期与籽粒发育密切相关。同时A、B和D三个基因中,A组基因的表达量明显高于D组的,可能在三个染色体组的基因功能有部分分化。


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