發(fā)布時(shí)間：2020-04-11 22:31

【摘要】：玉米是世界上最主要的糧食作物之一,其馴化已經(jīng)持續(xù)了 9000年。醇溶蛋白是玉米種子中最主要的貯藏蛋白,但由于賴氨酸和色氨酸等必需氨基酸的缺乏,限制了玉米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。玉米的Opaque2(02)基因突變能夠降低醇溶蛋白含量,增加賴氨酸水平,但也會(huì)引起胚乳粉質(zhì),出苗力弱,感蟲(chóng),感病等不利表型。經(jīng)過(guò)育種家的不斷改良和選育,最終獲得了含有o2修飾因子(mo2)的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米(Quality protein maize,QPM)。QPM兼具高營(yíng)養(yǎng)和硬質(zhì)胚乳的特性,但種質(zhì)資源匱乏,育種難度大。因此,闡明02和mo2基因在種子發(fā)育過(guò)程中的調(diào)控機(jī)理具有重要意義。對(duì)60個(gè)栽培玉米和野生種的6個(gè)z2醇溶蛋白基因的多態(tài)性和單倍型進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)6個(gè)z2基因的單倍型均呈現(xiàn)不均勻分布,而野生種具有更為豐富的遺傳多樣性,并且在6個(gè)基因中z2δ18的多態(tài)性最高,z2γ15最低,說(shuō)明其在種子進(jìn)化過(guò)程中具有不同的作用。序列的插入缺失(indel)不僅能引起串聯(lián)重復(fù)多態(tài)性,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致移碼突變,而使其可作為缺失突變體。另外,中性進(jìn)化檢驗(yàn)、系統(tǒng)發(fā)育和群體結(jié)構(gòu)分析表明,z2δ10和z2γ50在進(jìn)化過(guò)程中受到了自然選擇,z2γ27和z2γ16也具有自然選擇的印記,而z2δ18和z2β315則傾向于中性進(jìn)化。這些結(jié)果表明,在玉米馴化過(guò)程中,玉米富硫醇溶蛋白亞群的遺傳多樣性和進(jìn)化與環(huán)境變化相適應(yīng)。玉米醇溶蛋白基因?qū)儆谂呷樘禺愋员磉_(dá)基因,為進(jìn)一步了解玉米醇溶蛋白基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制,對(duì)z2的DNA甲基化進(jìn)行分析。結(jié)果表明,z2基因啟動(dòng)子及基因本體區(qū)域的高DNA甲基化可抑制基因的表達(dá),而基因本體區(qū)域的中等程度的DNA甲基化卻有利于基因的表達(dá)。另外,z2δ以0,z2δ18和z2y50受到DNA甲基化的調(diào)控,而z2β15,z2γ16和z2γ27則與DNA甲基化關(guān)系不大,可能受其他基因或轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,表明z2基因的表達(dá)具有不同的調(diào)控機(jī)制。胚乳特異性轉(zhuǎn)錄因子02對(duì)玉米籽粒的發(fā)育至關(guān)重要。醇溶蛋白基因在授粉后5-10天開(kāi)始轉(zhuǎn)錄,15天左右達(dá)到峰值。除z2γ16外,醇溶蛋白基因在野生型中的表達(dá)比o2突變體中高,同時(shí)在o2突變體中非醇溶蛋白合成量上升,表明存在一套平衡互補(bǔ)機(jī)制,使籽粒總蛋白量保持穩(wěn)定狀態(tài)。為更全面地獲取02的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),利用基因組預(yù)測(cè)、ChIP-Seq以及RNA-Seq數(shù)據(jù)對(duì)02的調(diào)控基因進(jìn)行鑒定。共發(fā)現(xiàn)274個(gè)受02直接調(diào)控的基因,除了啟動(dòng)子區(qū)域,在基因的外顯子、內(nèi)含子、轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)(Transcription terminal site,TTS)以及基因間區(qū)也發(fā)現(xiàn)了 O2的結(jié)合痕跡。O2的靶標(biāo)基因包括轉(zhuǎn)錄因子及激酶相關(guān)基因,不僅可以進(jìn)一步調(diào)控下游基因的表達(dá),也能參與多種脅迫響應(yīng)。另外,O2除了激活基因的表達(dá),對(duì)一些基因也具有抑制效應(yīng)。利用非標(biāo)蛋白定量技術(shù)(Label-free quantification,LFQ)對(duì)玉米野生型、o2突變體以及QPM的差異表達(dá)蛋白進(jìn)行了鑒定,其中在QPM中鑒定到恢復(fù)表達(dá)的蛋白66個(gè),可能對(duì)硬質(zhì)籽粒的形成具有重要影響。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析(Weighted correlation network analysis,WGCNA)和功能研究顯示,棕色和藍(lán)色模塊所涵蓋的蛋白主要涉及能量和蛋白代謝,以及蛋白修飾,與醇溶蛋白含量,籽粒硬度,病蟲(chóng)害抗性以及發(fā)芽力等表型存在顯著關(guān)聯(lián)。蛋白修飾分析結(jié)果表明,貯藏蛋白的乙�；土姿峄赡軐�(duì)種子的發(fā)育和萌發(fā)具有調(diào)控作用。轉(zhuǎn)錄組和蛋白組聯(lián)合分析進(jìn)一步表明,野生型能夠正常表達(dá)的抗性相關(guān)基因在o2突變體中出現(xiàn)了差異表達(dá),但植物體在響應(yīng)外界脅迫過(guò)程中往往需要多種抗性蛋白的協(xié)同作用,導(dǎo)致o2突變體表現(xiàn)為易感病蟲(chóng)害。盡管o2突變導(dǎo)致大量脅迫響應(yīng)基因以及核糖體相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平的差異表達(dá),但大部分轉(zhuǎn)錄本并沒(méi)有引起蛋白水平的變化,表明轉(zhuǎn)錄后調(diào)控發(fā)揮了重要作用。本研究揭示了栽培玉米馴化過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性情況,通過(guò)多組學(xué)方法構(gòu)建了 O2的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),揭示了O2轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)理,豐富了復(fù)雜的QTL基因的研究?jī)?nèi)容,挖掘了一些可能與mo2相關(guān)的關(guān)鍵基因,為我國(guó)玉米高產(chǎn)育種目標(biāo)提供理論基礎(chǔ),并為加快高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)玉米分子育種進(jìn)程提供重要的基因資源信息。
【圖文】：

玉米種（ａｎｎｕａｌ邋ｓｐｅｃｉｅｓ邋Ｚ．ｗａｊｓ）。包含四個(gè)亞種，分別是被統(tǒng)稱為大芻草或墨西逡逑哥類蜀黍（ｔｅｏｓｉｎｔｅ）的邋３邋個(gè)亞種：ｓｓｐ．邋ｗｅｘｚａｗａ，ｓｓｐ．／＾ａｒｖ／ｇ／ｗ／ｗ／＾ｓ？和邋ｓｓｐ．逡逑以及我們所熟知的馴化的栽培玉米ｓｓｐ．邋ｗａｙ邋（Ｈｕｆｆｏｒｄｅｔａｌ．，２０１２ａ）（圖１．１）。逡逑？邐１邐Ｔｒｉｐｓａｃｕｍ邋ｄａｃｔｙｌｏｉｄｅｓ逡逑山邐Ｚｅａ邋ｎｉｃａｒａｇｕｅｎｓｉｓ逡逑＿邐（邐ｒＣ＝－逡逑ｉｊ邐Ｚｅａ邋ｌｕｘｕｒｉａｎｓ逡逑ｒ邐１逡逑邐—邐Ｉ邋—邋Ｚｅａ邋ｄｉｐｌｏｐｅｒｅｎｎｉｓ逡逑邐口邋｜邋二邋Ｚｅａ邋ｐｅｒｅｎｎｉｓ逡逑＾邐Ｌ［＾邐￣邋Ｚｅａ邋ｍａｙｓ邋ｓｓｐ．邋ｈｕｅｈｕｅｔｅｎａｎｇｅｎｓｉｓ逡逑ｓ，邐邋邐邐逡逑＇￣￣｜＿ｊ邐￣邐Ｚ６ｃｒ邋ｍａｙｓ邋ｓｓｐ．邋ｍ＾ｘ／ｃａｎｃｒ逡逑Ｐ邋１邋ｒ……．．邐￣邋Ｚｅａ邋ｍａｙｓ邋ｓｓｐ．邋ｐａｒｗｉｇｌｕｍｉｓ逡逑Ｊ逡逑圖１．１基于玉米基因組約１０００個(gè)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)（ＳＮＰｓ）構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)（Ｈｕｆｆｏｒｄｅｔａｌ．，逡逑２０１２ａ）0逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｐｈｙｌｏｇｅｎｖ邋ｏｆ邋Ｚｅａ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｂｏｕｔ邋１０００邋ＳＮＰｓ邋ｆｒｏｍ邋ａｃｒｏｓｓ邋ｔｌｉｅ邋ｇｅｎｏｍｅ邋（Ｈｕｆｆｏｒｄ邋ｅｔ邋ａｌ．？邋２０１２ａ）．逡逑玉米的近緣野生種墨西哥類蜀黍（ｔｅｏｓｍｔｅ）和玉米野生種具有廣泛的地理和氣候（溫逡逑度和降水等）分布。類玉米棲息地占據(jù)廣泛，，蹤跡由墨西哥北部延伸到中美洲，是這些地逡逑區(qū)所特有的以異型雜交為主的玉米種

ｆｒｏｍ邋Ｄｏｅｂｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（１９９７）邋ａｎｄ邋Ｗａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（２００５）．逡逑控制玉米籽粒外殼的丨ｇａ７邋（ｔｅｏｓｉｎｔｅｇｌｕｍｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｌ）基因是玉米馴化中將籽粒從逡逑垞先外殼中脫離的關(guān)鍵基因。大芻草的籽粒被包裹在堅(jiān)硬的外殼之中（圖１．２Ｂ，邋Ｄ），即逡逑使果實(shí)遭受捕食并通過(guò)了動(dòng)物的消化道，果核也能免于損傷，保障了種子的有效傳播；逡逑而玉米籽粒則直接裸露于果穗之上，相對(duì)柔軟且易于取用（圖１．２Ａ）；含有玉米／ｇｄ等逡逑位基因的大芻草種子外殼變小，籽粒暴露在果穗的表面（圖１．２Ｃ）。相反，含有大芻草坎逡逑等位基因的玉米種子則會(huì)引起穎片和外殼變大（圖１．２Ｅ）邋（Ｄｏｒｗｅｉｌｅｒ邋ａｎｄ邋Ｄｏｅｂｌｅｙ，邋１９９７）。逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S513


本文編號(hào)：2623920