水稻半矮秆基因sd12的功能研究和候选基因分析
作者单位：华南农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：刘自强
授予年度：2020年
摘 要：植株矮化是作物育种中最重要的农艺性状之一。矮秆品种不仅抗倒伏能力和收获指数得到提高,而且对肥料的反应也更好。20世纪60年代,在水稻和小麦中引入sd1和Rht1基因,培育出半矮秆品种,并显著提高了产量,从而引领了“绿色革命。到目前为止,sd1仍是水稻育种中最常使用的半矮秆基因,其带来的风险也是育种工作者所担心的。因此,新矮源基因的发掘、鉴定和利用是当前育种中最为重视的问题之一。本文主要从水稻粳型亲籼系M22-3-1中获得一个自然矮生突变体M22-3-2,包含sd1和一个新的半矮秆基因sd12,通过表型鉴定、内源激素水平测定、外源激素响应、基因精细定位、候选基因测序和转录组分析等手段研究sd12功能。研究表明:1、突变体M22-3-2具有矮生、叶片变短、分蘖数增加和穗粒数减少等表型,属于dn矮秆类型。细胞学分析显示:突变体植株的矮化是由于纵切细胞长度的缩短和细胞数目的减少所导致。2、研究突变体M22-3-2的内源激素水平及其对外源GA和BL的应激反应。GA结果显示:不同浓度GA诱导植物的茎伸长,在野生型、突变体、矮秆系中均未检测到差异;同时三者在GA条件下都能产生α-淀粉酶,使马铃薯淀粉降解以及内源GA测定结果正常,说明植株矮化机制不是由于GA的生物合成和信号转导途径异常所导致。BR结果显示:经过不同浓度的BL诱导野生型、突变体、矮秆系的叶夹角反应,三者之间无差异;内源BL测定结果显示只含有sd12基因的矮秆系含量最低,说明突变体植株的矮化与BR信号转导途径无关,但可能是由于BR生物合成途径异常所导致。3、利用突变体M22-3-2和MH63杂交产生的后代群体对sd12进行精细定位。sd12初步定位在水稻第12号染色体RM101和RM511之间,遗传距离分别为8.3 c M和8.6c M;通过扩大群体,加密标记,将sd12定位在RIDM6818和IND13之间的2000 kb内,区间内共有60个ORFs。由于sd12位于着丝粒附近,很难将其缩短至更小区间。利用RNA-seq找出定位区间内有表达的基因,通过定量表达,在野生型和突变体中检测出有7个ORFs存在差异;对7个ORFs进行测序分析,发现在突变体中ORF3和ORF4发生碱基序列的缺失,导致氨基酸的变异,从而影响其功能,初步认为这两个基因为候选基因。4、利用野生型和突变体对拔节期的茎进行转录组分析,结果显示共筛选到27695个基因,其中有差异的基因共计1207个,上调基因779个,下调基因428个。通过GO进行功能分类,上调基因被分为431个功能组,下调基因被分为468个功能组;对394个差异基因进行KEGG通路富集进行分析,属于87个pathway。这些为以后水稻研究分析sd12调控的生物过程、功能和通路提供了有价值的信息。5、为了进一步确定sd12在育种的应用价值,对sd12和sd1进行产量性状的比较。发现千粒重和穗粒数无明显差异,但sd12单株有效分蘖数明显高于sd1,导致其单株产量明显高于sd1的产量,说明sd12在育种上确实有一定的应用价值。本研究针对半矮秆基因sd12进行了细胞学分析、激素反应,候选基因及转录组分析,探讨了其在育种中的意义,丰富了水稻矮化机制,同时为水稻株型改良提供了潜在的半矮秆资源。
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