【摘要】：水稻作為世界上的主要糧食作物之一,其生長和發(fā)育受到低溫脅迫的制約。研究水稻對低溫應答的遺傳基礎,挖掘更多低溫抗性相關的基因資源,將有助于深入解析水稻低溫應答的分子機理和對水稻低溫抗性進行遺傳改良。本課題分為兩個部分,第一部分是從正向遺傳學角度入手,對529份水稻的自然種質資源進行苗期低溫脅迫,利用關聯分析技術(genome wide association studies,GWAS)挖掘與水稻低溫抗性有關的遺傳和基因資源。第二部分是解析一個MYB調控因子OsMYB30在低溫應答中的調控機理。在第一部分的研究中,我們對529份水稻種質資源進行了兩種不同程度的低溫脅迫(較為緩和的自然低溫脅迫與急劇的4°C低溫脅迫),共采集到苗期16個性狀的表型數據,對所有表型數據進行相關性分析,結果表明兩種低溫脅迫下的表型數據之間不具有相關性。同時我們也對529份水稻種質資源中的秈稻亞群、粳稻亞群為群體分別進行關聯分析,并對檢測到的位點進行整合。本次研究中,以529份水稻種質資源為群體進行關聯分析,共檢測到132個位點,我們發(fā)現有12個位點在兩種低溫脅迫下的表型數據中均被檢測到。隨后我們對關聯得到的132個位點與已經發(fā)表的與水稻低溫抗性相關的QTL(Quantitative trait locus)進行比較分析,有68個位點與已經報道的低溫相關的QTL相重疊。我們又結合本組一套低溫脅迫的芯片數據,從132個位點200 kb范圍內(Lead SNP上下游各100 kb)篩選到102個候選基因,繪制了芯片熱圖,結果顯示這些基因在表達水平上受到低溫脅迫的上調或下調。接下來,我們對位點范圍內一個已報道參與抗冷的基因OsMYB2和一個未發(fā)表的基因07g進行單倍型分析,兩個基因在529群體中存在4種主要的單倍型,單倍型之間的表型差異顯著,所屬不同單倍型的品種具有顯著的秈粳分化及緯度分布的差異。同時,我們也對所有品種進行抗冷性評估,在自然低溫脅迫條件下篩選出114份抗冷(Chilling tolerant,CT)品種和143份冷敏感(Chilling sensitive,CS)品種,在急劇低溫脅迫條件下,篩選出123份不敏感(Cold shock insensitive,CSI)品種和131份敏感(Cold shock sensitive,CSS)品種。相比于冷敏感(CS)品種,抗冷(CT)品種以粳稻為主,具有更廣泛的地理分布。此外,在兩種低溫脅迫條件下,對低溫均不敏感的品種(CT與CSI重疊的品種)與低溫敏感的品種(CS與CSS重疊的品種)相比,也具有秈粳及緯度分布的差異。上述結果肯定了低溫適應性與秈粳分化及緯度分布的相關性。OsMYB30是本室已鑒定的一個參與水稻低溫逆境應答的調控因子,在水稻中超量表達OsMYB30在低溫脅迫下呈現出敏感的表型,該基因的一個T-DNA插入的純合突變體osmyb30對低溫脅迫的耐受力相對于野生型明顯增強。芯片數據表明在正常生長條件以及低溫脅迫條件下,OsMYB30超表達及突變體中均有大量的基因在表達水平發(fā)生了變化,暗示OsMYB30可能在低溫脅迫應答中發(fā)揮著重要的轉錄調節(jié)的作用。在第二部分的研究中,我們從低溫脅迫的芯片中,篩選到一類BMY(β(Beta)-amylase)基因,該家族的多個成員在芯片中受到OsMYB30的下調,BMY家族中的三個成員BMY2/6/10的表達量在OsMYB30超量表達植株中下降,在osmyb30突變體植株中上升。實驗表明,OsMYB30可以在植物體內及體外結合BMY2/6/10基因的啟動子。該類基因編碼β類淀粉酶,可以將淀粉水解為麥芽糖,本研究結果表明β淀粉酶的活力以及對應的代謝產物麥芽糖的含量均在OsMYB30超表達植株中顯著下降,并且在突變體植株osmyb30中顯著上升,這與BMY2/6/10表達量的變化趨勢是一致的。隨后,我們對低溫脅迫下的OsMYB30超表達及osmyb30突變體植株施加一定濃度的麥芽糖,對于相對低溫敏感的OsMYB30超表達植株及突變體對應的野生型植株而言,可以顯著降低脅迫下細胞膜損傷。這種可溶性糖對細胞膜的保護作用在其它對低溫敏感的水稻品種中得以驗證。同時,我們通過互作蛋白的篩選得到OsMYB30的互作蛋白OsJAZ9,并在植物體內及體外證實二者的互作。此外我們發(fā)現OsJAZ9的表達量受到OsMYB30的上調,低溫脅迫后,BMY6/10的表達量在OsJAZ9超量表達植株中下降。隨后我們利用雙熒光素酶系統,在水稻原生質體內證實OsJAZ9可以降低OsMYB30的轉錄激活活性并且增強OsMYB30對于BMY2/6/10基因啟動子的抑制作用。綜上所述,我們首次通過關聯分析技術對水稻苗期低溫相關性狀進行遺傳分析,鑒定到與不同低溫脅迫相關聯的位點,這些位點以及我們篩選出的抗冷品種將為提高水稻低溫的適應性并進行遺傳改良提供有利的遺傳資源。同時,OsMYB30是水稻中一個新的低溫抗性負調控因子,通過與OsJAZ9互作從而抑制BMY基因的表達,負調控低溫抗性。水稻中這一低溫應答新機制的發(fā)現,將有助于解析復雜的低溫調控網絡,為水稻中MYB蛋白的功能研究提供參考。
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【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】：2016
【分類號】：S511

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 Juan Huang;Jianhua Zhang;Wenzhen Li;Wei Hu;Lichao Duan;Yang Feng;Fazhan Qiu;Bing Yue;;Genome-wide Association Analysis of Ten Chilling Tolerance Indices at the Germination and Seedling Stages in Maize[J];Journal of Integrative Plant Biology;2013年08期

2 ;Toward the Domestication of Lignocellulosic Energy Crops: Learning from Food Crop Domestication[J];Journal of Integrative Plant Biology;2011年02期

相關博士學位論文 前2條

1 吳華;水稻JAZ家族抗逆相關基因的鑒定和功能分析[D];華中農業(yè)大學;2015年

2 葉海燕;水稻基因低溫表達譜分析和TIFY家族逆境相關基因的功能鑒定[D];華中農業(yè)大學;2011年

相關碩士學位論文 前1條

1 楊梅;抗逆相關MYB類轉錄因子和逆境誘導型啟動子的分離與鑒定[D];華中農業(yè)大學;2011年

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本文編號：2309892