抽穗時間是影響小麥不同生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性的重要農(nóng)藝性狀。日照長度介導(dǎo)的光周期途徑和低溫介導(dǎo)的春化途徑在冬小麥開花調(diào)控的過程中發(fā)揮著非常重要的作用。擬南芥PSEUDO-RESPONSE REGULATOR(PRR)家族成員TIMING OF CAB EXPRESSION 1(TOC1)是一個重要的轉(zhuǎn)錄因子,在生物鐘維持、開花時間等方面發(fā)揮重要的作用。重要糧食作物小麥?zhǔn)情L日照單子葉植物,其發(fā)育性狀與雙子葉植物擬南芥有很大的不同。因此,小麥中TOC1基因的功能以及作用機制是一個值得研究的科學(xué)問題。本研究通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制小麥內(nèi)源TaTOC1s基因的表達,并以此為切入點系統(tǒng)研究了小麥TaTOC1s在抽穗時間及其它性狀發(fā)育方面的調(diào)控機理,從而為小麥的開花調(diào)控和發(fā)育機理研究提供了重要信息。主要結(jié)果如下:(1)在六倍體小麥輪選987中克隆得到了三個TOC1的同源基因TaTOC1s,通過對多個物種PRR家族相關(guān)蛋白的進化樹分析發(fā)現(xiàn),Ta TOC1s同屬于PRR家族成員,且與大麥HvTOC1親緣關(guān)系最近。原位雜交結(jié)果表明,TaTOC1s在穗發(fā)育的過程中一直都有表達,暗示其可能在小麥開花調(diào)控中發(fā)揮作用。(2)通過RNAi策略獲得了TaTOC1s表達量降低的轉(zhuǎn)基因小麥(TaTOC1-RNAi)。無論是在溫室還是大田環(huán)境條件下,轉(zhuǎn)基因小麥都表現(xiàn)出了早花的表型,比對照開花提前約7天。對不同發(fā)育時期苗端的解剖觀察發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因小麥苗端發(fā)育的各個時期均要比對照提前,生育進程加快,但各時期持續(xù)時間差別不明顯。(3)大田表型觀察發(fā)現(xiàn),TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥許多重要農(nóng)藝性狀發(fā)生了改變,比如,株高降低、旗葉變長葉夾角變小。旗葉葉綠素含量、旗葉凈光合速率等大田生理指標(biāo)也發(fā)生了改變。通過對小麥的產(chǎn)量性狀進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥單株的穗數(shù)、穗長等與對照相比均沒有明顯的變化,而千粒重與對照相比略有降低,但是轉(zhuǎn)基因小麥的穗粒數(shù)和小穗數(shù)與對照相比顯著增加,最終TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥的單株重和小區(qū)產(chǎn)量與對照相比變化不明顯�？傊�,降低TaTOC1s的表達水平能夠降低植株株高,促進抽穗提前,但是小麥產(chǎn)量保持穩(wěn)定,這也暗示著該基因可能在小麥遺傳改良方面具有良好的應(yīng)用潛力。(4)為了解釋TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥抽穗期提前的原因,對開花調(diào)控途徑相關(guān)基因的表達進行了分析,發(fā)現(xiàn)其是通過介導(dǎo)TaGI以及TaFT表達的上調(diào)以及TaCO表達的下調(diào)導(dǎo)致了TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥早花的表型。(5)對不同發(fā)育時期TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥和對照旗葉進行轉(zhuǎn)錄組測序分析,總共獲得了20288個表達上調(diào)以及19793個表達下調(diào)的基因,其中許多差異表達的基因與細胞壁組成、細胞周期、細胞生長以及生長素響應(yīng)等相關(guān)。通過GO分析以及KEGG Pathway分析發(fā)現(xiàn),多個差異表達的基因集中在了生物鐘節(jié)律、光合作用等途徑中,為進一步研究TaTOC1s基因的功能提供了重要的信息。(6)進一步證實了tae-miR408對TaTOC1s基因的靶向剪切關(guān)系。通過對tae-miR408過表達轉(zhuǎn)基因小麥的開花調(diào)控進行研究,證明tae-mi R408過表達轉(zhuǎn)基因小麥的早花表型是通過降低TaTOC1s的表達,從而引起TaGI和TaFT表達的升高以及TaCO表達的降低所導(dǎo)致。(7)對不同春化處理的TaTOC1-RNAi轉(zhuǎn)基因小麥和對照的葉片和苗端進行轉(zhuǎn)錄組測序分析,獲得了33493個表達上調(diào)和30881個表達下調(diào)的基因。GO分析發(fā)現(xiàn)了11個差異表達的基因可能具有對溫度刺激發(fā)生反應(yīng)或者調(diào)控植物開花的功能,對這些基因的啟動子進行分析發(fā)現(xiàn),均含有大量TOC1的結(jié)合位點,為研究TaTOC1s調(diào)控的轉(zhuǎn)基因小麥春化需求的降低提供了有益的線索。綜上所述,本研究對TaTOC1s基因在小麥抽穗時間及發(fā)育性狀調(diào)控機理進行了深入研究,并通過高通量轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對造成轉(zhuǎn)基因小麥旗葉發(fā)育以及春化需求等方面的分子機理進行了初步研究,這對全面理解TaTOC1s基因在小麥發(fā)育調(diào)控中的生物學(xué)功能和分子機理提供重要資料。
【學(xué)位單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S512.1
【部分圖文】：

圖 1-1 小麥基因組間多倍體化歷史和系譜關(guān)系原理圖（Mayer et al., 2014）圓圈內(nèi)染色體組的名稱和術(shù)語為每個物種的整套染色體的示意圖。mya：百萬年前。Fig. 1-1 Schematic diagram of the relationships between wheat genomes with polyploidization historyand genealogy (Mayer et al., 2014)mes and nomenclature for the genomes are indicated within circles that provide a schematic representmal complement for each species. mya: million years ago.穗期對小麥生產(chǎn)的影響穗期作為普通小麥的一項重要農(nóng)藝性狀，對其適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境具有至關(guān)小麥抽穗期的不同不僅直接決定了小麥育成品種的推廣范圍和季節(jié)，而且產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性等重要性狀都有影響（宋彥霞等, 2006）。小麥的抽穗標(biāo)識小麥成熟早晚的重要指標(biāo)。小麥成熟期的早晚不僅關(guān)系到育成品種對耕作制度的適應(yīng)性，還關(guān)系到對多熟制和套作的適應(yīng)性，甚至還會影響到的病蟲害抗性以及對不利氣候因素的適應(yīng)性。穗期對于小麥的野生近緣植物來說，是與其棲息地的生態(tài)地理條件密切相

9圖 1-2 擬南芥中五條主要的開花調(diào)控途徑（Teotia et al., 2015）途徑，光周期途徑，自主途徑，年齡途徑和赤霉素（GA）途徑。春化途徑的基因：VIN3、VRN徑的基因：GI、CO，自主途徑的基因：FCA、FY、FPA、FVE，年齡途徑的基因：AP2、SPL。Fig. 1-2 Five Major Pathways for Flowering Time Control in Arabidopsis (Teotia et al., 2015)nalization, Photoperiod, Autonomous, Aging and Gibberellin (GA) pathways. Vernalization pathway gRN2. Photoperiod pathway genes: GI, CO. Autonomous pathway genes: FCA, FY, FPA, FVE. Age-path.

13 1-3 擬南芥生物鐘結(jié)構(gòu)的簡單模型以及生物鐘關(guān)鍵基因在特異組織中的表達模式（Shim et al）復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄抑制機制與生物鐘關(guān)鍵成分之間相互交錯構(gòu)成了擬南芥生物鐘調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。實線代代表轉(zhuǎn)錄后調(diào)控作用。（B）長日照條件下，生物鐘關(guān)鍵基因表現(xiàn)出組織特異的晝夜節(jié)律表達組織中的表達模式，虛線代表在葉肉細胞中的表達模式。Fig. 1-3Asimplified model of the circadian clock architecture and tissue specific expression profileof core clock genes in Arabidopsis (Shim et al., 2017)ntricate transcriptional repression mechanisms interlocked with core clock components comprise thelock. Solid lines indicate transcriptional regulation, while dotted lines indicate posttranscriptional reession profiles of clock genes show tissue specificity in long days. Solid lines represent expressiosues and dotted lines represent those in mesophyll cells.夜的時候，假響應(yīng)調(diào)節(jié)因子 TOC1（即 PRR1）蛋白含量增加，通過直關(guān)的序列上促成對 CCA1 和 LHY 的抑制作用（Gendron et al., 2012; Hu如圖 1-3 所示。另外，TOC1 還可與 PHYTOCHROME INTERACTING）相互作用，結(jié)合到 G-box 上，從而抑制它們共同的靶基因的轉(zhuǎn)錄（S

【參考文獻】

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本文編號：2823418