發(fā)布時(shí)間：2020-07-06 20:55

【摘要】：水稻穗部穎花的正常發(fā)育是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),生產(chǎn)上常見的穗頂穎花退化往往造成產(chǎn)量損失,該性狀大多受數(shù)量性狀基因控制,并與異常氣候變化密切相關(guān),其分子機(jī)制尚未明確。本研究中,我們從秈稻保持系骨干親本宜香1B構(gòu)建的EMS突變體庫中篩選獲得兩份穗頂部退化突變體,命名為paa1019和paa74,兩份突變體穗頂退化程度不同。通過基因定位,我們成功分離到候選基因,并對(duì)其功能進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。具體研究結(jié)果如下:1.對(duì)paa1019和paa74進(jìn)行了詳細(xì)的表型鑒定,發(fā)現(xiàn)穗頂穎花退化與H_2O_2大量積累以及細(xì)胞程序性死亡有關(guān)。2.paa1019和paa74穗部穎花退化的時(shí)空分布特征非常相似,即枝梗原基和幼穗頂端穎花原基分化正常,頂端穎花退化起始于幼穗伸長(zhǎng)和穎花分化過程中,即穗軸枝�？焖偕扉L(zhǎng)期(幼穗長(zhǎng)約4-10cm),其穎花生長(zhǎng)發(fā)育受阻;退化穎花在穗上具有從上到下逐漸減弱的趨勢(shì),其分布具有類似‘頂端優(yōu)勢(shì)’特點(diǎn),可能與穗部生長(zhǎng)素積累水平有關(guān)。3.石蠟切片觀察孕穗期和抽穗期的退化穎花與正常穎花,發(fā)現(xiàn)穎花退化的出現(xiàn)會(huì)伴隨有花器官發(fā)育受損,內(nèi)外稃及花藥發(fā)育畸形直至徹底壞死萎縮,無花粉或花粉不育。paa74的退化穎花發(fā)育畸形的情況比同時(shí)期的paa1019略輕。4.遺傳分析表明,paa1019和paa74的突變性狀均由單隱性核基因控制。通過基因定位并結(jié)合全基因組重測(cè)序方法,對(duì)于paa1019,我們?cè)诨騉sCIPK31(LOC_Os03g20380)序列中鑒定出其堿基突變導(dǎo)致剪切方式發(fā)生改變,致使第二外顯子序列缺失;而對(duì)于paa74,發(fā)現(xiàn)OsALMT7(LOC_Os02g45160)編碼區(qū)發(fā)生堿基替換,即由G突變?yōu)锳,導(dǎo)致對(duì)應(yīng)編碼氨基酸由精氨酸變?yōu)橘嚢彼�。通過CRISPR/CAS9基因敲除和互補(bǔ)試驗(yàn),證實(shí)OsCIPK31和OsALMT7分別為突變體paa1019和paa74的目的基因。5.CIPK31屬于鈣誘導(dǎo)磷酸酶蛋白激酶家族,參與逆境脅迫的鈣信號(hào)途徑。為了探究paa1019對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng),對(duì)paa1019苗期分別進(jìn)行了低溫、鹽分以及干旱的非生物脅迫處理和稻瘟病菌生物脅迫處理,發(fā)現(xiàn)CIPK31對(duì)溫度、水分、鹽分以及病原菌具有高度敏感性,其中對(duì)溫度和鹽分的脅迫響應(yīng)是正向調(diào)控而對(duì)干旱響應(yīng)很可能是負(fù)向的。ALMT7屬于鋁誘導(dǎo)的有機(jī)酸通道蛋白,目前水稻中關(guān)于ALMTs的報(bào)道很少。我們對(duì)paa74進(jìn)行了鋁鹽處理,發(fā)現(xiàn)處理后的突變體與野生型表型無差異。6.OsCIPK31定位在細(xì)胞胞質(zhì)中,在水稻全生育期的各組織部位均有表達(dá),其中,在根部高表達(dá),尤其是幼根表達(dá)量最高,而在穗發(fā)育過程中呈現(xiàn)出相對(duì)低的表達(dá)。盡管如此,OsCIPK31在穗退化起始節(jié)點(diǎn)(幼穗長(zhǎng)約為4cm)比其他穗發(fā)育時(shí)期具有較高的表達(dá),且原位雜交也表明其在穎花中高表達(dá)。OsALMT7在根、莖、葉、穗等組織均有表達(dá),在幼根和成熟根表達(dá)量最高,這與其受鋁活化蘋果酸鹽運(yùn)輸?shù)鞍椎墓δ芟喾?原位雜交結(jié)果也證實(shí)ALMT7在穎花高表達(dá)。7.對(duì)轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行初步分析,GO和KEGG富集分析將paa1019有關(guān)差異基因富集到MAPK通路和植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。paa74則主要與DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂等生物過程相關(guān),同時(shí)質(zhì)膜運(yùn)輸、ROS水平等途徑也很可能參與其中。酵母雙雜試驗(yàn)表明CIPK31和ALMT7無直接互作反應(yīng),而paa1019:paa74雙突變體穗頂退化表型無疊加趨勢(shì)。同時(shí),OsCIPK31和OsALMT7分別在paa74和paa1019中的表達(dá)水平與在野生型中的表達(dá)水平差異不大。進(jìn)一步地,在穗起始退化過程中,轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)分析表明,兩份突變體材料均富集到了相似的調(diào)控通路。推測(cè)二者在穗部穎花發(fā)育調(diào)控方面屬于同一條通路的上下游關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S511
【圖文】：

1.6.1 MAPK 調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育植物生長(zhǎng)發(fā)育許多生理過程如細(xì)胞分裂、器官發(fā)育以及衰老退化等都需要 MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的參與[85]（圖 1）。如在煙草體內(nèi)細(xì)胞分裂后期，受體 NACK1/NACK2 能接收細(xì)胞分裂信號(hào)并且激活 NPK1-NQK1-NRK1 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)介導(dǎo)細(xì)胞板的形成，從而調(diào)控細(xì)胞分裂過程[86]。同樣在擬南芥中同源的途徑 ANP1/2/3-MKK6-MPK4 級(jí)聯(lián)激活下游底物 MAP65-1 從而調(diào)控成膜體的赤道板形成而影響細(xì)胞分裂[85, 87]。另外，在擬南芥還存在 YODA-MKK4/5-MPK3/6 級(jí)聯(lián)反應(yīng)能夠負(fù)調(diào)控下游的轉(zhuǎn)錄因子 SPCH 來達(dá)到調(diào)節(jié)氣孔細(xì)胞發(fā)育[88, 89]，還可以響應(yīng)上游的 ER 信號(hào)后調(diào)控花梗細(xì)胞分裂和增殖，導(dǎo)致花序形狀和花梗長(zhǎng)度改變[85, 90]。MAPK 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)還參與多個(gè)生殖過程，如AtMPK4[91]參與調(diào)控花粉發(fā)育，其功能缺失突變體表現(xiàn)出花粉發(fā)育缺陷；mpk3/mpk6突變體不能完成正常雙受精過程[92, 93]。

脅迫介導(dǎo)的 ROS 積累引發(fā)生理響應(yīng)[117]。不同的非生物脅迫刺激直接/間接誘下游各種信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制調(diào)節(jié) ROS 的濃度，引起各種生理反應(yīng)。erview of the central role of ROS in the responses towards abiotic stressfactors. D either directly or indirectly (through the action of other signals and hormones) lef ROS.K 級(jí)聯(lián)信號(hào)系統(tǒng)與多種 PCD 的調(diào)控路徑協(xié)同、交叉抑制或反饋調(diào)節(jié)133]。如 MKK5-MPK3/MPK6 級(jí)聯(lián)通過對(duì)乙烯合成途徑中的關(guān)鍵酶 A控影響乙烯合成繼而介導(dǎo) PCD，此外 MAPK 級(jí)聯(lián)信號(hào)調(diào)控乙烯信號(hào)目的[134-136]；MAPK 還可以與 ROS 協(xié)同調(diào)控 PCD，二者可形成反饋尤其是 MAPK 通過調(diào)控 ROS 含量介導(dǎo) PCD[137, 138]。激素對(duì)水稻穎花發(fā)育調(diào)控也被認(rèn)為是影響穗部發(fā)育的關(guān)鍵因素之一[139, 140]。穗部枝梗的發(fā)育易如生長(zhǎng)素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、茉莉素等與外界環(huán)境因素的共同作

因模塊聚類示意圖drogram of gene clusters達(dá)模塊與外界作用的關(guān)聯(lián)征基因與外界作用因素的相關(guān)性。我們提取了每一個(gè)模塊的特征們與外界作用的關(guān)聯(lián)狀況，并將得到的相關(guān)系數(shù)繪制成熱圖。顏色高。界作用因素的基因顯著性。對(duì)每個(gè)模塊中所有基因的 GS 絕對(duì)值進(jìn)塊內(nèi)基因表達(dá)情況與外界作用的總體關(guān)聯(lián)狀況。基因模塊深入分析塊基因功能富集。針對(duì)每組數(shù)據(jù)的基因模塊，進(jìn)行 GO 和 KEGG些生物學(xué)功能和代謝通路與這些基因模塊顯著關(guān)聯(lián)（表 3）。富集到大排列。表 3. 重要相關(guān)性狀統(tǒng)計(jì)及編號(hào)Table 3. The related traits statistics and corresponding numbers

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本文編號(hào)：2744118