【摘要】：小麥是世界上最重要的糧食作物之一,在世界糧食安全中占有舉足輕重的作用。小麥雖然具有明顯的雜種優(yōu)勢,但小麥的雜種優(yōu)勢利用還未能大面積推廣應用于生產,其中一個重要原因就是小麥繁殖系數(shù)低、雜交小麥制種成本高。如何提高小麥繁殖系數(shù)、提高雜交小麥制種產量、降低制種成本成為雜交小麥走向大規(guī)模生產應用的關鍵問題之一。多子房小麥具有明顯的穗粒數(shù)優(yōu)勢,如將其應用到雜交小麥的制種中,很有可能會有效地提高雜交小麥繁殖系數(shù)、降低制種成本,有效地推動雜交小麥的應用發(fā)展,最終使雜交小麥大面積推廣應用于生產。本研究依據(jù)多子房小麥材料DUOⅡ和異源細胞質小麥材料TeZhiⅠ(TZⅠ)正反交F_1的性狀不同,即DUOⅡ為母本時,F_1表現(xiàn)多子房,而TZⅠ為母本時,F_1表現(xiàn)單子房,試驗表明異源細胞質對多子房基因的正常表達具有明顯的抑制作用。為了進一步研究異源細胞質對多子房基因的抑制效應,本研究首先對小麥多子房性狀的生長發(fā)育、遺傳規(guī)律以及抑制效應進行了探究,在確定了發(fā)育及抑制規(guī)律之后從基因組DNA甲基化狀態(tài)、轉錄組水平以及蛋白質組水平等多個層面研究了異源細胞質抑制多子房性狀的表達,以期揭示異源細胞質抑制多子房基因表達的分子機理,獲得如下主要結果及結論:1.采用掃描電鏡、體式顯微鏡和石蠟切片等方法對多子房小麥副雌蕊發(fā)育過程進行觀察,結果表明,副雌蕊原基起源于位于前生雄蕊和側生雄蕊之間主雌蕊基部的一個突起。在發(fā)育前期,副雌蕊的發(fā)育明顯滯后于主雌蕊的發(fā)育進程。但在露芒期后,副雌蕊發(fā)育迅速,在主雌蕊發(fā)育成熟的同時也發(fā)育為成熟的雌蕊,能夠同時受粉結實。此外,副雌蕊形成的種子一般要比主雌蕊形成的種子體積小,并且種子腹溝朝外,與普通小麥相反。通過對多子房小麥不同籽粒的外顯率及發(fā)芽情況進行統(tǒng)計,結果發(fā)現(xiàn),不論種子來源于副雌蕊或者主雌蕊,植株的多子房外顯率都相同。但是,主雌蕊形成的種子的發(fā)芽能力一般顯著高于副雌蕊形成的種子。2.以DUOⅡ和TZⅠ為親本進行雜交,并對正反交F_1以及相應的F_2、F_3、BC_1和BC_1F_1世代材料進行多子房性狀世代間遺傳規(guī)律的觀察與分析,結果表明DUOⅡ的多子房性狀由1對顯性單基因控制,同時,異源細胞質能夠抑制該基因的表達。此外,異源細胞質僅能抑制雜合多子房基因的表達,而對純合多子房基因的表達不具抑制作用,使得在異源細胞質背景下,雜合多子房基因植株表現(xiàn)單子房性狀,攜有純合多子房基因的植株表現(xiàn)完全的多子房性狀,這一特性均可穩(wěn)定遺傳。3.采用甲基化敏感擴增多態(tài)性方法檢測DUOII和TZI正反交F_1的DNA甲基化狀態(tài)。結果發(fā)現(xiàn),在基因組水平上,DUOII×TZI和TZI×DUOII中均擴增出14584條DNA譜帶,每一條帶代表了一個可被甲基化酶識別切割的5?-CCGG-3?位點。基因組DNA甲基化水平從DUOII×TZI的31.10%降低到TZI×DUOII中的30.76%。由于異源細胞質的影響,TZI×DUOII在672個位點(4.61%)發(fā)生了胞嘧啶甲基化狀態(tài)的改變,其中312個位點發(fā)生了甲基化作用,360個發(fā)生了去甲基化作用,這些位點甲基化狀態(tài)的改變和細胞質抑制多子房基因的表達相關。4.對DUOII和TZI正反交F_1副雌蕊起始發(fā)育關鍵期(2 6 mm)的幼穗材料進行轉錄組RNA測序分析。結果發(fā)現(xiàn),在TZI×DUOII中,共鑒定到600個差異表達基因,其中相對于DUOII×TZI上調表達的基因有330個,下調表達的基因270個。對這些差異表達基因進行功能注釋分析后發(fā)現(xiàn),這些差異表達基因主要涉及了4個途徑,葉綠體代謝及生物合成、DNA的復制修復、植物激素信號轉導以及6-磷酸海藻糖途徑。這些生物途徑協(xié)同作用,共同調控異源細胞質對多子房性狀的抑制過程。5.通過調整優(yōu)化,構建了適合多子房小麥幼穗研究的雙向電泳體系,并使用該體系對DUOII和TZI正反交F_1副雌蕊起始發(fā)育關鍵期(2 6 mm)的幼穗材料進行雙向電泳-質譜鑒定的蛋白質組分析。結果發(fā)現(xiàn),在TZI×DUOII中,共鑒定到90個差異蛋白質,其中上調表達的18個,下調表達的72個。這些差異蛋白具有明顯的功能趨勢,主要涉及葉綠體的代謝及合成、細胞核和細胞分裂、植物呼吸、蛋白質代謝以及花發(fā)育過程。這些差異蛋白質構成了一個復雜的調控網(wǎng)絡,共同調控異源細胞質對多子房性狀的抑制過程。此外,對DNA甲基化、轉錄組和蛋白質組的結果進行了綜合分析,提出了異源細胞質抑制多子房基因表達的分子機理,為小麥多子房性狀的研究與應用提供了理論基礎和技術支撐。
【圖文】：

細胞質的異質材料對小麥抗褐銹病基因的表達情況質對多數(shù)的抗褐銹病基因的表達情況都有影響。馬影響小麥多子房性狀基因的表達。Xuet al.（2008性不育系中編碼 F0F1-ATP 合成酶 FAd 亞基基因 T物花發(fā)育過程中的作用內的遺傳物質包括核基因組、線粒體基因組和葉就是特指線粒體和葉綠體基因組。在線粒體和葉并組合到核基因組中，現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，線粒體的等植物的三個基因組之間存在著遺傳物質之間的性，因此植物細胞功能的正常行使需要三者相0；Leister 2005）。在植物花發(fā)育過程中，除了細胞葉綠體也起到了重要作用。

現(xiàn)這些花中的子房在花發(fā)育過程中發(fā)生不常發(fā)育有關。Li et al.（2014）將烏龜核黃南芥線粒體電子傳遞鏈，，引起 H2O2的積累因AP1的表達，進而造成擬南芥提前開花。W南芥線粒體丙酮酸脫氫酶活性增加時，會，表明線粒體和擬南芥花序的正常發(fā)育有溫情況下，如果編碼水稻線粒體脂肪酶 EX打破水稻花發(fā)育的穩(wěn)定性，造成水稻小穗片的正常發(fā)育有關（圖 1-2）。對于小麥而言異源細胞質效應時發(fā)現(xiàn)，異源細胞質可以引表型。Muraietal.（2002）通過實驗證實，作用引起的。Zhuetal.（2008）研究結果表多雌蕊現(xiàn)象產生有關。Muraietal.（2010，基因表達受到線粒體的逆向調節(jié)，線粒體的表達，從而改變小麥的開花時間。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S512.1


本文編號：2696702