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水稻半矮秆基因OsFBK4的定位及功能分析

Workie Anley Zegeye  
【摘要】:稻米是全球大部分人的主粮之一。为满足全球范围内不断增长的人口的粮食需求,提升育种技术以提高稻米产量和质量显得极为迫切。半矮秆基因的研究对水稻株型改良和植物生长发育的分子生物学机理有重要意义,半矮杆突变体不但在阐明植物生长和发育的调控机制中起着至关重要的作用,而且因矮秆性状可影响抗倒伏和产量,也是作物改良中最重要的农艺性状。因此,通过选择产量高和优良株型是水稻育种过程中的关键因素。单一的半矮杆资源的广泛利用可能会导致水稻品种遗传背景单一化,所以鉴定有利用价值的半矮杆基因是水稻育种焦点。为在水稻育种中,利用新的半矮杆基因资源,并进一步丰富水稻株高的遗传和分子机制研究,从甲磺酸乙酯(EMS)诱变的籼稻品种中恢8015(ZH8015,WT)中鉴定出一个新的半矮杆突变体RE9586,成熟期其株高显著低于WT。扫描电镜观察结果表明,突变体RE9586最顶端节间细胞的纵向长度明显减少,这很有可能是引起其半矮化表型的主要原因。突变体RE9586重要农艺性状如穗长、有效分蘖数、单株产量及结实率显著低于WT。卡方检验表明其符合孟德尔3:1分离比,说明该突变体遗传位点受单隐性核基因控制。通过MutMap方法,并结合BSA和NGS策略,分离了一个控制该表型的新基因OsFBK4(LOC_Os02g11790,其编码一个含F-BOX结构域和Kelch重复的蛋白。在突变体RE9586中,该基因在第3外显子发生一个单碱基突变,导致其编码蛋白氨基酸序列中精氨酸突变为甘氨酸。OsFBK4蛋白定位于细胞膜,实时定量荧光PCR显示该基因主要在节间表达。相对于WT,突变体RE9586影响GA信号相关基因的表达,如SRL1,CIGR,GID1,GID2,D1和SPY,以及GA生物合成基因在表达水平上也表现出明显差异如OsKAO,OsGA3ox2和OsGA2ox2。OsFBK4蛋白定位于质膜。利用CRISPR/Cas9系统将OsFBK4敲除,转基因株系显示出株高较矮,而OsFBK4过表达株系则株高显著增加,这说明OsFBK4负责突变体RE9586半矮化表型,且对水稻株高存在正调控作用。本研究结果表明,突变体RE9586是一个对GA不敏感的半矮杆突变体,暗示OsFBK4可能参与GA信号传导,这为深入了解植物株高调节机理提供了新的基因资源。


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