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水稻斑点叶突变体spl24基因克隆与功能验证

陈征  
【摘要】:水稻斑点叶突变体spl24是利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)诱变水稻品种IR64所得来的一个褐色斑点的新型抗病的突变体,属于类病斑突变体,研究学者通常用该类突变体来研究植物PCD(Programmed cell death,PCD)以及植物的抗逆性。对spl24斑点叶突变体的研究包括表型特征、生理生化指标、抗病性、遗传特性、目的基因的克隆和功能分析、生物信息学分析、转录组测序等,通过这一系列的测定和分析了解斑点叶突变体的斑点发生机制以及其突变体的抗病机制,为斑点叶的突变体的研究提供理论参考,主要的研究包括以下几个方面:1、斑点叶突变体spl24表型:spl24斑点叶突变体在大田的自然条件下出现斑点的时间为抽穗初期,斑点是从叶尖部位开始出现逐渐蔓延,斑点较小形状圆或者椭圆均匀分布在整张叶片,从斑点出现开始叶子一直有斑点生长,到抽穗后期和灌浆期整个植株的所有叶片均成为褐色。在植株成熟以后进行田间农艺性状考察,spl24与野生型IR64相比,结实率和千粒重等上均存在极显著的降低,而spl24突变体在有效分蘖数、穗长、每穗实粒数和产量等性状也存在着降低的情况。2、斑点叶突变体spl24生理生化:在分蘖期,斑点未出现,所以在分蘖期只有叶绿素a含量显著降低,在抽穗时期,spl24叶片出现斑点后类胡萝卜素和叶绿素a、b含量极显著降低,叶绿素a/叶绿素b的比值没有变化。与野生型IR64相比,DAB染色后褐色沉积,过氧化氢含量显著升高以及CAT酶活性显著下降,这些结果均显示spl24叶片存在过氧化氢的沉积。而突变体spl24叶片清除活性氧的酶系统中超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性显著高于野生型。此外,spl24突变体叶片中丙二醛(MDA)的含量升高、TUNEL实验检测到断裂DNA、可溶性蛋白含量显著下降和死亡相关基因的表达上调结果证明了spl24叶片中存在细胞死亡情况。遮光实验表明突变体spl24斑点的产生受到光照的诱导,在突变体spl24和野生型IR64中,光合作用指标的参数也存在显著差异。3、斑点叶突变体spl24的抗病性:白叶枯接种实验结果表明spl24的抗性与IR64相比普遍增强。相关防卫反应基因的qRT-PCR实验证明OsPR1a、OsPR1b、OsPR3、OsPR4、OsPAL3、OsPAL6、OsCHS1、OsAOS2、OsJAZ6、OsWRKY45等基因表达量显著增高,而基因OsJAR1两者表达水平相似。植物激素测定结果发现SA、JA和ABA含量显著升高,说明SA和JA通路以及相关抗病基因的表达水平提升可以增强spl24的抗病性。4、斑点叶性状由半显性基因控制:以spl24为母本,IR64为父本进行杂交,发现F_1呈现与突变体spl24一样的斑点,但是斑点数量减少,自交得到F_2群体呈现三种性状,类似于野生型的无斑植株,类似于F_1斑点少的中间型植株和类似于突变体的有斑植株,说明斑点叶突变体spl24由半显性基因控制。在spl24/IR64的F_2群体中卡方检验无斑植株、中间型植株和有斑植株的分离比符合1:2:1(χ~2_(0.05)=0.78χ~2_(0.05)=3.84),符合1对基因遗传分离定律,三种表型可以说明控制斑点叶的性状是一个半显性核基因。5、叶片斑点表型的产生由碱基突变导致:基因定位结果显示该基因属于第11染色体,其中第6个开放阅读框的DNA序列上的第7695位碱基由T突变成A(T7695A),该突变位于第五个外显子上,导致一个氨基酸的替换,由野生型中的亮氨酸(Leu)突变为异亮氨酸(Ile),该基因为斑点叶突变体中未报道的基因。为验证该基因功能,转基因互补实验所得到的转基因植株出现更多的斑点;RNAi干涉日本晴愈伤组织得到的转基因植株叶片具有斑点,组织表达实验表明,OsSPL24是一个组成型表达的基因,GUS实验表明OsSPL24在各个组织中都有表达,但是在颖壳和成熟的种子表达极少。6、OsSPL24基因分析编码细胞质受体蛋白激酶:OsSPL24基因分析结果显示OsSPL24基因包含7个外显子和6个内含子,CDS全长1791bp,编码596个氨基酸。OsSPL24编码几丁质受体蛋白激酶,具有两个LysM基序和一个蛋白激酶结构域。对水稻OsSPL24基因进行亚细胞定位发现,该基因定位在内质网,酵母双杂实验发现,OsSPL24可能与线粒体转录终止因子和钙调蛋白相互作用。综上,突变体spl24的斑点性状受一个半显性基因控制,该基因是一个从未被报道过的几丁质受体激酶,该基因的突变体使突变体的生理生化发生显著差异,也促使突变体对白叶枯多个小种产生较强的抗病性,所以对该基因的研究能够进一步了解水稻的抗病机理和抗病分子机制。


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