【摘要】：水稻是重要的糧食作物,為全球大約一半的人口提供主食。水稻每穗粒數(shù)是構(gòu)成產(chǎn)量的重要因素之一。穗大粒多一直是世界水稻育種的主要目標(biāo),然而水稻穗頂部穎花退化現(xiàn)象在水稻育種中普遍發(fā)生,造成穗子體積減小每穗粒數(shù)顯著減少,嚴(yán)重影響水稻單產(chǎn)。目前,關(guān)于水稻穗頂部小穗退化的遺傳和分子機(jī)制還知之甚少。本研究以水稻組織培養(yǎng)過程中獲得的穗頂部退化突變體paa1為材料,并對頂部穎花發(fā)生退化的整個過程進(jìn)行了詳細(xì)的觀察,通過圖位克隆的方法分離并鑒定了一個影響水稻穗頂部退化的關(guān)鍵因子PAA1,并對該基因的功能進(jìn)行深入的研究,揭示了paa1發(fā)生穗頂部穎花退化的分子機(jī)制。本文主要研究結(jié)果如下:1、與野生型相比,突變體paa1在營養(yǎng)生長時期沒有出現(xiàn)明顯的表型差異,抽穗以后,突變體的穗頂部小穗發(fā)生嚴(yán)重退化,并且穗一直保持直立的形態(tài)。籽粒成熟之后,突變體paa1頂部退化的小穗幾乎都脫落,導(dǎo)致穗長、穗粒數(shù)、千粒重以及株高顯著降低,最終對paa1的單株產(chǎn)量造成影響。2、不同發(fā)育階段幼穗形態(tài)的觀察結(jié)果表明paa1的頂部小穗在幼穗伸長后期出現(xiàn)生長停滯,然后逐漸表現(xiàn)為干癟和發(fā)白。細(xì)胞學(xué)觀察表明paa1頂部退化小穗表現(xiàn)為細(xì)胞皺縮、細(xì)胞器降解以及染色體DNA斷裂。paa1頂部小穗中過氧化氫和丙二醛含量均顯著升高,誘發(fā)細(xì)胞程序性死亡的基因OsVPE2和OsVPE3的表達(dá)水平顯著上調(diào),說明paa1頂部小穗的退化是由于過氧化氫積累引發(fā)的細(xì)胞程序性死亡造成的。3、利用圖位克隆的方法將PAA1精細(xì)定位在第2號染色體長臂端的標(biāo)記C1和H-4之間82 kb的范圍內(nèi),含9個ORFs,測序發(fā)現(xiàn)第6個ORF(LOC_Os02g45160)的第2個內(nèi)含子與第3個外顯子的剪切位點(diǎn)上發(fā)生了堿基A→G的替換,結(jié)果導(dǎo)致mRNA的剪切發(fā)生改變,從而形成了兩種異常的轉(zhuǎn)錄本,都會造成蛋白質(zhì)翻譯時發(fā)生移碼并提前終止。轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)和干擾實(shí)驗(yàn)都可以確定LOC_Os02g45160是引起穗頂部退化的目標(biāo)基因PAA1。PAA1基因編碼一個鋁激活的蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,屬于水稻ALMT家族的成員。PAA1定位在細(xì)胞質(zhì)膜上,在水稻的根、莖、葉、葉鞘和穗等各個組織中都有不同程度的表達(dá)。4、PAA1在二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷型菌株中表達(dá)可以吸收蘋果酸,說明PAA1在大腸桿菌中具有蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)功能。利用雙電極電壓鉗技術(shù)可以在表達(dá)PAA1的卵母細(xì)胞中檢測到明顯的蘋果酸電流,Al處理后對電流沒有影響,說明PAA1在卵母細(xì)胞中是一個不依賴于Al的蘋果酸通道。外源蘋果酸處理水稻幼苗后,PAA1的表達(dá)水平顯著上調(diào),paa1地上部的蘋果酸含量顯著降低。孕穗時期,蘋果酸含量測定結(jié)果表明paa1頂部小穗中的蘋果酸積累量顯著減少,外源蘋果酸注射突變體幼穗能顯著減弱頂部退化表明突變體頂部小穗的退化是由蘋果酸含量降低引起的。5、水稻幼穗中NAD(H)和NADP(H)含量測定結(jié)果顯示,paa1頂部小穗細(xì)胞內(nèi)的NADPH、NADP~+和NAD~+含量與野生型相比都顯著降低,同時,NADPH/NADP~+比率顯著降低,而NADH/NAD~+比率顯著升高。這些結(jié)果說明突變體頂部小穗細(xì)胞內(nèi)蘋果酸含量的降低會引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡遭到破壞,從而有可能導(dǎo)致活性氧(ROS)爆發(fā),引起頂部穗細(xì)胞發(fā)生死亡。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S511;Q943.2
【圖文】：

有的大穗型品種有時會出現(xiàn)三次枝梗（tertiary spikelet）（圖1.1A）。每個小穗由兩個退化的穎片、一對護(hù)穎和一個小花組成，小花由外稃、內(nèi)稃、兩個漿片、六枚雄蕊和一個雌蕊組成（Itoh et al., 2005；姜樹坤2012）。水稻穗的形成過程非常復(fù)雜，涉及到多種分生組織的分化及發(fā)育。水稻在幼穗進(jìn)行分化之前為營養(yǎng)生長時期，當(dāng)營養(yǎng)生長進(jìn)行到一定的階段，外界環(huán)境條件與內(nèi)部因素適合成花誘導(dǎo)時，水稻便進(jìn)入生殖生長階段（Wang et al., 2005），首先莖頂端分生組織（shoot apical meristem，SAM）轉(zhuǎn)變成花序分生組織（inflorescence meristem，IM），緊接著花序分生組織便形成一級枝梗分生組織（primary branch meristem, PBM）和花序的主穗軸，形成一定數(shù)目的一級枝梗分生組織以后，頂端分生組織便停止發(fā)育產(chǎn)生了一個退化點(diǎn)。然后，一級枝梗分生組織形成二級枝梗分生組織（secondary branch meristem, SBM）和小穗分生組織（spikelet meristem, SM;圖1.1B）

1復(fù)合體的泛素化降解實(shí)現(xiàn)對水稻分枝的調(diào)控（Xu et al., 2012; Lin et al., 2012）。moc1 lax2雙突變體表型比單突變體更嚴(yán)重（圖1.2L），說明在水稻中MOC1參與另外一中調(diào)控分枝的途徑，在這條途徑中MOC1和LAX2共同調(diào)控營養(yǎng)生長和生殖生長時期分枝的形成（Tabuchi et al., 2011）。圖 1.2lax2與lax1或moc1的雙突變體表型圖（Tabuchi et al., 2011）Figure 1.2 Morphology of Double Mutants of lax2 with lax1 or moc1.1.1.2.2 分生組織分化時間的調(diào)控水稻花序分生組織（IM）向小穗分生組織（SM）的轉(zhuǎn)變是水稻穗形成過程中的關(guān)鍵步驟。小穗分生組織分化的時間對維持穗的形態(tài)起到?jīng)Q定性的作用，若分化的時間延遲，則會導(dǎo)致穗變大、穗粒數(shù)增加；相反，小穗分生組織提前分化，則會導(dǎo)致穗變小、穗粒數(shù)減少。目前已克隆出一些參與控制分生組織轉(zhuǎn)換時間的基因（Zhang and Yuan, 2014；Pautler et al., 2013）。ABERRANT

圖 1.3 sp1 突變體的表型（Li et al., 2009）Figure1.3 Phenotype of sp1 mutant和突變體sp1-2抽穗以后的整株和穗部表型比較。（C-D）野生型和突變體sp1-2 comparison between wild type and sp1-2 after heading. (B) Comparison of panicle p

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本文編號：2786256