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两个水稻株型突变基因的图位克隆与功能分析

汪欲鹏  
【摘要】:通过对水稻株型进行改良,进而提高水稻产量和品质,是近年来水稻育种的主攻方向。越来越多的研究表明,利用水稻株型功能基因对株型进行改良进而提高水稻产量是一条可靠的途径。然而,水稻株型是复杂的生物学性状,受到多个生化途径的影响和调控,目前其调控机制的研究仍然存在众多关键问题。如独角金内酯(strigolactone,SL)是水稻株型建成过程中重要的调控激素,控制水稻株高和分蘖形成,然而其下游响应基因很少报道,同时SL合成和信号转导途径中关键成员的转录和翻译后修饰也鲜有研究。另外,一些株型调控基因不仅影响营养生长阶段的株型调控,同时也经常会对一些生殖生长期形成的性状进行调控,虽然人们早已注意到相关的研究,但是进展却十分缓慢。为了研究水稻株型功能基因的调控机制,从籼稻恢复系桂99自然变异中分离到一个多分蘖矮化突变体,命名为high-tillering dwarf mutant 4(htd4);同时在以粳稻品种Dong-jing为受体材料的T-DNA插入突变体中分离得到一个植株矮化,分蘖增加,并伴随有花器官发育异常的突变体,命名为dwarf and deformed flower3(ddf3)。本研究主要对这两个株型突变基因的图位克隆和功能进行了研究,主要成果如下:(1)与野生型相比,突变体htd4主要形态特征为植株矮化,分蘖急剧增加。图位克隆及测序结果分析显示,htd4是一个新的D14等位突变体,其突变方式为D14基因第一个外显子上发生单碱基替换导致了氨基酸翻译提前终止。RT-qPCR分析显示与野生型相比,突变体htd4 SL途径相关的基因D10、D17、D27、D3和D14转录水平显著增加,然而D53表达量显著下降。亚细胞定位结果显示突变体htd4中突变后的D14蛋白并不影响D14蛋白的正确定位;而双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)实验结果表明突变后的D14蛋白不能与D3发生互作,说明独角金内脂信号转导过程发生中断,导致了突变体htd4多蘖矮杆等突变表型。相比于其他D14等位突变体,htd4是第一个发现的D14籼稻等位突变体,且很可能具有育性恢复基因,在育种应用上具有重要价值。本研究结果丰富了独脚金内酯调控水稻分蘖形成的遗传调控机制的研究并提供了重要的材料资源。(2)与野生型相比,突变体ddf3表现为植株严重矮化,分蘖增加并且育性严重下降;突变体ddf3所有的节间均缩短,组织学分析表明突变体ddf3节间细胞的伸长受到了显著的抑制;突变体ddf3花粉活力显著下降,柱头发育异常。遗传分析结果显示ddf3的矮化突变表型受单隐性核基因控制。利用来源于ddf3与扬稻6号(9311)杂交获得的F_2遗传分离群体,将DDF3基因定位在第7号染色体长臂端的InDel标记M15和M16之间,区间大小约为45.21 kb。片段扩增及测序结果显示在定位区间内,ddf3基因组发生了13.98 kb片段的缺失,导致了ZF(DHHC type zinc finger protein),EP(expressed protein)和FH2(Actin-binging FH2 domain-containing protein)三个基因的完全或部分缺失。基因敲除结果显示只有FH2敲除后会表现出植株严重矮化的表型,ZF和EP敲除后没有明显的株型变化。因此FH2基因功能的缺失是突变体ddf3出现严重矮化突变表型的原因。RT-qPCR分析结果显示FH2在各个器官中均具有较高的表达,而ZF基因主要在穗中表达,EP基因则在任何器官中均未检测到表达。本研究为这些候选基因的功能进一步解析奠定了基础,丰富了水稻株型调控机制的研究内容。


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