TAL基因调控水稻产量性状的遗传生理机制研究

作     者：瞿培 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁国华;王俊仁

授予年度：2020年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：水稻 转醛醇酶 TAL 光合速率 产量 

摘      要：水稻是世界最重要的粮食作物之一,为50%以上的人口提供营养来源,我国有65%的人口以稻米为主食。随着人口的快速增加,只有不断提高水稻产量才能满足日益增长的需求,保障全球的粮食安全。戊糖磷酸途径是生物体内糖代谢的重要途径之一,可以为细胞的各种合成反应提供还原力和原料。另外,部分中间产物及酶类与光合作用卡尔文循环的大多数中间产物和酶相同。因此,戊糖磷酸途径是一条重要的多功能代谢途径。转醛醇酶是戊糖磷酸途径非氧化途径中的关键酶之一,但在植物中的相关研究还相对较少。本研究在前期研究基础上,对水稻转醛醇酶编码基因TAL进行了进一步研究,明确了该基因在水稻生长发育中的作用。取得了以下研究结果:1、利用Western blot对TAL基因RNAi和过量表达株系进行目标蛋白含量检测,发现RNAi株系中TAL蛋白含量为野生型的9.0%和38.6%,而过量表达株系中的TAL蛋白含量为242.9%和244.6%;2、对RNAi和过量表达株系进行了农艺性状考察。在温室水培条件下,RNAi株系表现出较弱的生长势,而过量表达株系表现出较强的生长势。在大田条件下,RNAi株系在株高、粒重、主茎穗粒数和单株产量方面均低于野生型,而过量表达株系均高于野生型;3、在武运粳7号背景下,利用CRISPR/Cas9技术,创建了 3个TAL基因完全敲除的突变体。Western blot分析发现,在tal突变体中,内源TAL蛋白几乎检测不到;4、与野生型相比,3个tal突变体的株高、主穗长、主穗穗粒数、千粒重均有极显著下降,但tal突变体的单株穗数与野生型相比变异不显著。tal突变体的单株籽粒产量分别仅为野生型的45.1%、48.2%和40.9%。另外,3个tal突变体的抽穗期显著延迟,在自然长日照条件下较野生型分别晚抽穗14.2天、14.5天和15.3天;5、在温室和大田条件下,测定了TAL基因RNAi和过量表达株系的净光合速率。发现在不同光照强度和二氧化碳浓度下,RNAi株系的净光合速率均低于野生型,而过量表达株系的净光合速率明显高于野生型;6、开花后,RNAi株系胚乳的干重明显低于野生型,而过量表达株系胚乳的干重明显高与野生型。在开花后35天,两个RNAi株系的胚乳干重比野生型分别低16.9%和14.9%,而两个过量表达株系的胚乳干重比野生型分别高6.5%和7.3%;7、我们还对转基因株系的部分品质性状进行了测定。发现两个过量表达株系籽粒的表观直链淀粉含量分别比野生型低8.9%和5.7%,但两个RNAi株系籽粒的表观直链淀粉含量与野生型相比没有显著差异。RNAi株系稻米的胶稠度极显著低于野生型,而过量表达株系稻米的胶稠度极显著高于野生型。以上研究结果表明,转醛醇酶基因TAL的表达对水稻生长发育有重要作用。提高TAL基因的表达有助于光合作用及其产物的累积,促进开花,对多个水稻产量性状均有正调控作用,最终提高产量潜力。本研究为利用基因工程技术提高水稻产量潜力提供了一个新的可能途径。