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水稻CCT家族基因OsPRR73和OsCO3调控抽穗期的分子机制研究

梁力文  
【摘要】:抽穗期是影响水稻产量的重要农艺性状之一,决定了水稻种植的季节适应性和地区适应性。水稻抽穗标志着水稻从营养生长期到生殖生长期过渡的完成,这个生理过程主要受到外界环境因素包括光、温等,以及植物内在遗传特性的影响。生物钟是植物内源性调控系统,响应外界环境的变化,可以协调植物内源信号使得植物做出相应的生理过程改变,从而使植物具有更好的环境适应性。光周期是影响水稻抽穗的重要外源因素。本研究构建了水稻中与拟南芥生物钟基因PSEUDORESPONSE REGULATOR 7(PRR7)同源的Os PRR73基因和CONSTANS-like同源的Os CO3基因的遗传材料,运用多种分子生物学技术挖掘了Os PRR73参与生物钟和光周期调控水稻抽穗的功能,同时解析了Os CO3调控水稻抽穗的分子机制以及参与水稻抗逆反应的功能。本研究主要结果如下:1.Os PRR73调控水稻抽穗期和生物节律。(1)超量表达Os PRR73OX在长、短日照条件下均可延迟水稻抽穗,osprr73功能缺失突变体在长日照条件下提前3天抽穗,而在短日照条件下,与野生型相比较,没有观察到显著的抽穗期差异。因此,Os PRR73可以响应光周期参与水稻抽穗期的调控。(2)在持续光照和持续黑暗处理条件下,osprr73和Os PRR73OX中生物钟相关基因Os PRR73,Os LHY,Os TOC1,Os GI和Os ELF3的自由运转(free-running)节律表达在振幅或相位上均发生了一定的改变;与野生型相比,osprr73突变体呈现轻微缩短的的节律周期表型。因此,Os PRR73参与了水稻生物节律的调控。2.本研究通过亚细胞定位、双分子荧光素酶酶活分析、酵母单杂交分析、染色质免疫共沉淀富集分析以及EMSA多种分子生物学手段,验证了Os PRR73作为转录抑制子抑制开花促进基因Ehd1的表达从而延迟水稻抽穗,并初步解析了Os PRR73与水稻核心节律蛋白Os LHY形成反馈环路的分子机理。3.本研究分别构建了osprr73与ehd1、osprr37和oslhy的双突材料以及oslhy功能缺失突变体,并进行抽穗期考察以及相关遗传分析:在短日照条件下,Ehd1的抽穗效应上位于Os PRR73,而在长日照下,osprr73/ehd1延迟抽穗的效应较ehd1大,说明除了Ehd1以外,Os PRR73参与了其他的水稻抽穗调控途径;Os LHY在长日照条件下能调控水稻抽穗,osprr73/oslhy与oslhy的延迟表型相一致,Os LHY对于Os PRR73表现出上位性。以此初步明晰了Os PRR73在水稻抽穗期分子调控网络中的位置。4.超量表达Os CO3OX在长、短日照条件下均可延迟水稻抽穗;无论在长日照条件还是短日照条件下,Ehd1均被显著抑制。因此,无论长、短日照条件下,Os CO3都可以通过抑制Ehd1的表达来参与水稻抽穗的调控。5.本研究中通过对Os PRR73OX、Os CO3OX和野生型进行RNA-seq分析,与野生型相比,Os PRR73OX和Os CO3OX中与受脱落酸(Abscisic Acid,ABA)诱导表达基因Os LEA3以及穗发育相关基因Os MADS1均显著下调。与野生型相比,Os CO3OX和Os PRR73OX抑制水稻种子萌发,Os CO3超量表达幼苗对干旱敏感。另外,Os PRR73OX和Os CO3OX相比于野生型具有增大穗型的表型,酵母单杂交和原生质体中双分子荧光素酶酶活测定证明了Os CO3和Os PRR73直接结合Os MADS1启动子。因此,Os PRR73和Os CO3具有相似的功能,均是水稻抽穗抑制子,并且都参与了水稻穗型和水稻抗逆反应的调控。本研究首次解析了Os PRR73分子机理,并阐明水稻生物钟基因影响水稻产量;同时发现Os CO3具有参与调控水稻开花、穗发育和抗逆反应的多效性功能;对其功能和分子机理的深入研究,为水稻分子设计育种提供了理论基础。


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