【摘要】：水稻是重要的糧食作物,世界上一半以上的人口以稻米為主食。稻米產(chǎn)量主要由每株穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重三大要素決定。高產(chǎn)品種的選育實(shí)質(zhì)是對(duì)有利于這三要素的基因位點(diǎn)的選擇以及改造的過(guò)程。本研究以水稻寬粒和直立穗突變體fuwa為材料,利用圖位克隆的方法分離并鑒定了一個(gè)水稻粒型和穗型的關(guān)鍵調(diào)控因子FUWA,并對(duì)該基因的功能和進(jìn)化歷史進(jìn)行了相關(guān)分析,主要研究結(jié)果如下:1、與野生型相比,fuwa突變體株型更加直立,株高略矮,分蘗略有減少,莖稈強(qiáng)度高。突變體穗部性狀表現(xiàn)更加緊湊而直立,其中一次枝梗數(shù)不變,二次枝梗數(shù)有所減少,穗粒數(shù)降低。突變的籽粒表現(xiàn)更寬厚,長(zhǎng)度略有減少,灌漿速率明顯加快,千粒重顯著增加。2、遺傳分析表明fuwa突變體表型受隱性單基因控制。FUWA初定位于第2號(hào)染色體短臂端,隨后被精細(xì)定位在標(biāo)記IN3與DC1之間68-kb的區(qū)間范圍。該區(qū)間包含6個(gè)開(kāi)放閱讀框,測(cè)序比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)突變體中候選基因LOC_Os02g13950的第7個(gè)外顯子插入一個(gè)單堿基A,導(dǎo)致翻譯提前終止,突變蛋白缺失C端120個(gè)氨基酸。利用包含該基因自身啟動(dòng)子的9.3-kb的片段能將突變表型互補(bǔ)。3、FUWA基因包含7個(gè)外顯子,編碼492個(gè)氨基酸。對(duì)氨基酸序列分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)N端存在一個(gè)信號(hào)肽,中部存在一個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)。FUWA-GFP融合蛋白在水稻原生質(zhì)體中能與高爾基體的Marker基因高度重合,表明FUWA蛋白主要定位在高爾基體中。實(shí)時(shí)定量PCR和GUS染色分析結(jié)果表明FUWA在水稻各組織中都有表達(dá),呈現(xiàn)組成型表達(dá)模式,其中在穗部的表達(dá)量最高。原位雜交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明,FUWA主要在根原基、葉原基、頂端分生組織原基、一次枝梗原基、二次枝梗原基、花原基等各組織的原基部位表達(dá)。4、FUWA基因的突變影響植株的細(xì)胞分裂。電鏡掃描結(jié)果顯示突變體有更多的表皮細(xì)胞。對(duì)穎殼的橫向石蠟切片結(jié)果顯示,突變體穎殼薄壁細(xì)胞層周長(zhǎng)和細(xì)胞數(shù)目與野生型相比都顯著增加。流式細(xì)胞分析表明,與野生型相比,突變體有更少的細(xì)胞停留在有絲分裂G1期,而更多的細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂S期和G2/M期,相對(duì)應(yīng)的調(diào)控S期與G2/M的細(xì)胞周期相關(guān)蛋白和激酶的表達(dá)水平在突變體里也顯著提高。這些結(jié)果表明FUWA通過(guò)調(diào)節(jié)植物的細(xì)胞周期進(jìn)而影響各組織的生長(zhǎng)發(fā)育。5、對(duì)125份來(lái)自16個(gè)不同地區(qū)水稻品種的FUWA編碼區(qū)的測(cè)序和遺傳多樣性分析結(jié)果表明,FUWA基因在這些資源中高度保守。普通野生稻中一共存在13個(gè)氨基酸單倍型,受瓶頸效應(yīng)影響,栽培中只包含一種單倍型。普通野生稻中其他12種單倍型以及玉米高粱中的FUWA同源基因都可以恢復(fù)fuwa突變體的表型,表明該基因在水稻的進(jìn)化和育種乃至禾本科作物的進(jìn)化過(guò)程中都沒(méi)有受自然或人工的選擇。6、利用RNA干擾的方法降低了秈稻品種Kasalash和粳稻品種日本晴中FUWA的表達(dá)水平,結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩個(gè)亞種的干擾植株都產(chǎn)生類似突變體的籽粒變寬、粒重增大和穗部相對(duì)直立的表型,表明通過(guò)對(duì)FUWA位點(diǎn)的改造對(duì)水稻的農(nóng)藝性狀的改良和育種存在潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S511;Q943.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2786161