植物的生長發(fā)育過程受到基因表達方式的嚴格調控。剖析基因表達模式,不僅可以解釋植物生長發(fā)育的機制,而且可以用于指導農作物的遺傳改良。水稻作為世界上最主要的糧食作物之一,同時也是單子葉植物研究的模式物種,對其進行基因轉錄組的研究,既有利于理解植物發(fā)育的調控機制,也可以為其它多種作物的研究提供幫助。植物株型很大程度上由側生分枝的發(fā)育決定的。水稻中側生分枝包含營養(yǎng)生長時期的分蘗和生殖生長時期的穗分枝,這兩種分枝深刻的影響水稻的產量,因此是水稻遺傳改良的重要目標性狀。本研究通過構建覆蓋39個器官的轉錄組,建立了覆蓋水稻全生育期的表達譜,并且和擬南芥的轉錄組進行了比較研究,發(fā)現了大量的與穗分枝發(fā)育有關的基因。通過對這些基因的功能研究,發(fā)現了一個主要由小RNA和轉錄因子組成的基因調控網絡協同調控了水稻側生分枝的發(fā)育。本論文的主要結果如下:1.利用Affymetrix Gene Chip Rice Genome Array對兩個秈稻品種珍汕97和明恢63進行轉錄組分析,構建了覆蓋全生育39個組織的基因表達譜,并且通過多種方式驗證了數據的質量。這些數據建立了一個新的水稻功能基因組研究的平臺。2.通過表達譜分析了各個組織在發(fā)育上的關系,發(fā)現基因表達模式和器官發(fā)育的同源性之間有很好的對應關系。雄蕊跟別的器官具有截然不同的基因表達模式,而愈傷和根細胞之間具有發(fā)育上的相關性。3.通過比較處于連續(xù)4個發(fā)育階段的幼穗的轉錄組,發(fā)現了2667個基因存在差異表達。同時發(fā)現有兩組基因從幼穗發(fā)育早期到后期,表現出相反的表達模式。第一組基因從早期到后期幼穗中,逐漸下調表達,其中包含了多個已經克隆的控制穗型態(tài)發(fā)育的基因,暗示這組基因可能與穗部枝梗發(fā)育有關。3個受到mi R156調控的SPL基因也出現在第一組基因中。而第二組基因則從早期到后期的幼穗中逐漸上調表達,其中包含有多個與花器官發(fā)育有關的MADS基因。對兩組基因進行GO分析發(fā)現轉錄因子都被富集了,說明轉錄水平的調節(jié)在穗型態(tài)發(fā)育過程中有著重要的作用。4.分別鑒定到2376個組織特異表達和7276個組成型表達基因,并且發(fā)現19個不受遺傳背景、生長環(huán)境、外界刺激等影響的最穩(wěn)定表達的基因。5.通過表達譜的相似性,建立了水稻和擬南芥器官之間發(fā)育的對應關系,并且發(fā)現11對雙向最匹配的器官。在這些器官中,兩個物種的直系同源基因表達豐度是保守的,但是超過一半的基因發(fā)生了表達模式的分化,說明很多直系同源基因在兩個物種中可能發(fā)生了功能分化。6.比較了水稻和擬南芥組織特異表達基因和組成型表達基因,發(fā)現具有組織特異表達特點的基因往往也是物種特異的,而組成型表達基因則有大量的保守基因,并且組織表達特異的直系同源基因具有更快的進化速度。7.超量表達mi R156導致分蘗極大增多,但是穗部分枝被嚴重抑制;而抑制mi R156則得到了和超量表達相反的表型,說明mi R156正調控分蘗發(fā)育,但是負調控花序分生組織活性。因為被mi R156調控的SPL7,SPL14和SPL17都從幼穗發(fā)育的早期到后期逐漸下調表達,因此推測這三個SPL基因可能調控了水稻的側枝發(fā)育。8.水稻中mi R529與mi R156共同調控SPL基因,超量表達mi R529得到了和超量表達mi R156相似的表型。9.SPL7單突變不影響水稻的株型;而抑制SPL14或者SPL17則可以得到和超量表達mi R156或者mi R529類似的表型,分蘗增加,穗部枝梗減少,說明SPL基因抑制分蘗發(fā)育,但是促進花序分生組織活性。SPL14和SPL17雙RNAi的材料增強了表型變化,說明SPL基因可能是冗余控制水稻發(fā)育的。超量表達SPL7,SPL14和SPL17都導致分蘗的減少,但是穗部枝梗也減少,特別是每個一次枝梗上分化的二次枝梗數量,表明SPL還促進小穗分生組織的分化。超量表達SPL基因可以部分恢復mi R156超量表達的表型。10.超量表達mi R172不影響分蘗發(fā)育,但是導致穗部一次枝梗減少,并且每個一次枝梗上分化的二次枝梗也減少;而抑制mi R172的表達也不影響分蘗發(fā)育,但是導致一次和二次枝梗都增加,說明mi R172負調控花序分生組織活性,但是促進小穗分生組織的分化。抑制mi R172的靶基因AP2類的SNB和Os TOE1得到了類似mi R172的表型變化;而超量表達SNB和Os TOE1則和抑制mi R172的表型類似,說明mi R172對穗型的調控作用是通過靶基因實現的。11.植物體內實驗證明AP2類基因編碼轉錄抑制子,并且包含有轉錄抑制模體EAR結構。體內體外實驗證明AP2類蛋白質可以和轉錄共抑制子ASP1互作,并且分別是AP2的EAR結構和ASP1的CTLH結構域介導了這種互作。遺傳分析結果證明了ASP1對AP2類基因調控穗分枝發(fā)育是必需的。12.基因表達分析表明mi R156和mi R172具有互補的表達模式,并且在SPL超量表達材料中,mi R172及其前體基因pri-mi R172b和pri-mi R172d上調表達。利用Ch IP,酵母單雜交和EMSA證明了SPL14可以直接調控mi R172的表達。遺傳學分析進一步證明了SPL基因是通過mi R172促進小穗分化的。13.PAP2/MADS34也通過抑制RCN基因促進小穗分化�；虮磉_分析表明SPL基因正調控PAP2/MADS34的表達,并且Ch IP和EMSA證明SPL14可以直接調控PAP2/MADS34的表達,表明SPL基因也可可能通過PAP2/MADS34-RCN的途徑促進小穗的分化。遺傳分析證明RCN1可以恢復SPL基因超量表達導致的小穗分化的異常。14.通過比較mi R156超量表達植株和野生型的幼穗,發(fā)現了大量的基因發(fā)生了差異表達,包括很多已知的控制穗型發(fā)育的基因,如LAX1和RFL,并且這些基因同SPL基因共表達,說明SPL基因也可能通過這些基因調控穗分枝。遺傳學分析證明了LAX1和RFL對SPL基因的功能是必需的,并且酵母單雜交和EMSA證明SPL14可以結合LAX1的啟動子。15.Ghd7調控SPL基因的表達,并且遺傳學分析表明SPL基因的活性對Ghd7調控株高和穗分枝發(fā)育是必需的,但是Ghd7對抽穗期的作用獨立于SPL基因。

【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S511
【目錄】：
 

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本文編號：178777