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ZmGBF3转录因子调控玉米种子耐低温萌发的分子机制研究

ZmGBF3转录因子调控玉米种子耐低温萌发的分子机制研究

引用

作者：周洋浙江农林大学

学位级别：硕士

玉米作为我国栽培面积最大的粮食作物,对保障国家粮食安全发挥着不可或缺的作用。近年来,频繁发生的低温灾害对起源于热带与亚热带地区玉米的高产、稳产目标构成了严重威胁,尤其是春播玉米萌发过程中受低温的影响更大。因此,挖掘耐低温... 详细信息

玉米作为我国栽培面积最大的粮食作物,对保障国家粮食安全发挥着不可或缺的作用。近年来,频繁发生的低温灾害对起源于热带与亚热带地区玉米的高产、稳产目标构成了严重威胁,尤其是春播玉米萌发过程中受低温的影响更大。因此,挖掘耐低温萌发关键基因,培育耐低温萌发能力强的玉米新品种是解决当前春播玉米低温冷害的有效途径。课题组前期对玉米耐低温萌发性状的QTL进行了定位和RNA-Seq分析,挖掘到关键转录因子ZmGBF3,并创制了zmgbf3突变体玉米与ZmGBF3超表达水稻材料。在此基础上,本文鉴定了ZmGBF3转录因子遗传转化材料的耐低温萌发功能,并通过CUT&Tag、RNA-Seq、双荧光素酶报告系统等实验探究ZmGBF3在转录水平调控玉米种子耐低温萌发的分子机制。主要结果如下:***3受低温胁迫诱导上调表达并正向调控种子耐低温萌发能力。实时定量RT-PCR检测ZmGBF3在正常或低温条件下玉米种子内的表达量发现,与正常萌发玉米种子相比,ZmGBF3在低温萌发0.5 d的玉米种子中显著上调,在低温萌发2 d的种子中表达量达到最高,是0 d的5.1倍,说明低温胁迫促进了ZmGBF3的表达。同时通过对ZmGBF3异源超表达水稻株系以及zmgbf3玉米突变体株系进行低温萌发表型鉴定。结果表明,在常温条件下,ZmGBF3异源表达的水稻材料与野生型水稻相比无显著萌发表型差异;而在低温条件下,超表达ZmGBF3水稻材料的整体萌发率较野生型分别提升了37.3%、19.4%,差异达到显著水平。另一方面,zmgbf3玉米突变体在常温下与野生型玉米的萌发表型无明显区别,但在低温条件下,突变体的萌发率、根长及芽长皆显著低于野生型,这些数据表明ZmGBF3蛋白可能发挥正向调控作用,增强种子对低温萌发的耐受力。此外,通过观察亚细胞定位结果,发现ZmGBF3定位在玉米细胞核内。***3转录调控下游靶基因Zm Prx91与Zm ZIB的表达。通过RNA-Seq、CUT&Tag以及种胚中受低温上调的基因联合分析初步筛选下游靶基因,一共确定了25个基因作为低温胁迫响应的候选基因。对选定的基因进行基因功能注释与文献查找,并通过实验验证,最终发现2个下游基因可能受到ZmGBF3的调控。通过双荧光报告系统发现,其中-1646 bp长的Zm Prx91启动子(含G-box元件)启动的荧光素酶被ZmGBF3上调6.25倍。而-947 bp长的Zm Prx91启动子片段(不含G-box元件)则被下调1.15倍。对另一可能的下游靶基因Zm ZIB启动子的响应情况进行分析,发现-847 bp长的Zm ZIB启动子(含G-box元件)启动的RLUC受ZmGBF3上调1.83倍。而-684 bp长的Zm ZIB启动子片段(不含G-box元件)与ZmGBF3或GFP共转则无显著差异。通过对启动子进一步截短,发现ZmGBF3转录因子可能结合于Zm ZIB启动子704 bp～696 bp区间内的ACTGTAGCAC元件。综上所述,本文结合QTL定位结果和RNA-Seq数据联合分析,挖掘到一个控制玉米种子耐低温萌发的关键转录因子ZmGBF3(G-box结合蛋白),并利用ZmGBF3超表达水稻与zmgbf3突变体玉米,初步验证了其耐低温萌发的功能。通过RNA-Seq、CUT&Tag与受低温诱导胚中上调的基因联合分析筛选出低温萌发过程中可能受ZmGBF3调控的候选基因Zm Prx91与Zm ZIB,其中在Zm ZIB启动子区域鉴定得到ZmGBF3可能直接结合的元件ACTGTACGAC。本研究将为深入探究玉米种子耐低温萌发的分子机制奠定了理论基础,同时为选育耐低温萌发能力强的玉米新品种提供关键基因或分子标记。

关键词：玉米 ZmGBF3 下游靶基因耐低温萌发分子机制

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ZmSE1B调控ZmGRXCC17促进玉米种子耐低温萌发的分子机制研究

ZmSE1B调控ZmGRXCC17促进玉米种子耐低温萌发的分子机制研究

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作者：朱庆祥浙江农林大学

学位级别：硕士

玉米(Zea mays L.)起源热带和亚热带地区,是我国重要粮食及工业原料。气候变化促使我国作物气候带北移,玉米种植面积扩大的同时,也增加了农业生产的不确定性和不稳定性。春季反常低温严重威胁玉米种子的萌发出苗,已成为影响玉米生产的... 详细信息

玉米(Zea mays L.)起源热带和亚热带地区,是我国重要粮食及工业原料。气候变化促使我国作物气候带北移,玉米种植面积扩大的同时,也增加了农业生产的不确定性和不稳定性。春季反常低温严重威胁玉米种子的萌发出苗,已成为影响玉米生产的主要气候限制因素之一。挖掘耐低温萌发关键基因并开展其功能研究对培育耐低温萌发能力强的玉米新品种具有重要意义。课题组前期通过QTL定位挖掘到ZmSE1B基因,并发现ZmSE1B在种子低温萌发过程中受低温诱导。SE(SERRATE)在翻译水平调控植株发育和逆境胁迫的分子机制已被广泛研究,但其在转录水平调控种子耐低温萌发能力的分子机制尚未明确。本文利用ZmSE1B超表达玉米探究ZmSE1B在转录水平调控玉米种子耐低温萌发的功能,通过联合分析RNA-Seq和CUT&Tag数据,筛选到ZmSE1B潜在靶基因ZmGRXCC17,最后利用ZmGRXCC17遗传转化材料对靶基因在低温萌发中的功能进行初步探究。主要结论如下:***1B蛋白正向调控种子耐低温萌发能力。对常温和低温萌发过程中ZmSE1B表达特征进行分析,发现该基因受到低温诱导。同时利用ZmSE1B超表达玉米材料进行低温萌发试验和抗冷试验,结果表明,ZmSE1B超表达玉米材料与野生型在25℃条件下萌发表型无明显差异,低温条件下超表达材料种子萌发率、根长和芽长显著优于野生型。亚细胞定位结果显示,ZmSE1B蛋白分布在细胞核中,可能作为转录因子调控玉米种子的耐低温萌发能力。***1B蛋白在转录水平调控ZmGRXCC17基因的表达。联合分析ZmSE1B超表达原生质体的RNA-Seq、CUT&Taq以及低温萌发种胚的RNA-Seq数据,并结合文献和基因功能区域特征的注释,进一步发现3个候选基因可能在玉米种子低温萌发过程中受到ZmSE1B调控。利用双荧光素酶报告系统对候选基因启动子活性进行鉴定,发现618 bp长ZmGRXCC17启动子启动(-618)的荧光素酶被ZmSE1B上调2.24倍,而412 bp启动子片段(-412)则被下调至0.69倍。进一步利用Ch IP-q PCR证明ZmGRXCC17启动子上所鉴定DNA片段在ZmSE1B-GFP超表达材料内的富集程度较GFP对照材料升高4.4倍,验证了双荧光素酶报告系统结果。***17在水稻种子耐低温萌发过程中发挥重要作用。亚细胞定位结果表明,ZmGRXCC17蛋白主要分布在细胞质和细胞核中。对ZmGRXCC17在正常萌发和低温萌发过程中的表达量进行分析,发现该基因表达在低温萌发种胚中受到诱导。利用ZmGRXCC17超表达水稻进行低温萌发试验,发现25℃条件下,超表达材料与野生型表型无明显差异,但是在15℃低温条件下,超表达水稻种子萌发率、根长和芽长显著高于野生型,说明在低温胁迫条件下,超表达ZmGRXCC17能够增强种子的耐低温萌发能力。综上所述,本文利用ZmSE1B超表达玉米及ZmGRXCC17超表达水稻材料,明确了两者在种子耐低温萌发中的功能;并通过组学和分子生物学技术,发现ZmSE1B通过转录调控ZmGRXCC17增强种子的耐低温萌发能力。研究结果不仅为揭示ZmSE1B调控种子耐低温萌发的分子机理奠定了理论基础,同时为培育耐低温玉米新品种提供优异基因或种质。

关键词：玉米 ZmSE1B ZmGRXCC17 耐低温萌发分子机制

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甘蓝型油菜耐低温萌发品种筛选及生理分子基础研究

甘蓝型油菜耐低温萌发品种筛选及生理分子基础研究

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作者：肖立宏安徽农业大学

学位级别：硕士

油菜作为国产食用植物油的第一大来源,主要分布于长江流域稻-油多熟区,约占全国油菜种植总面积80%以上。随着前茬水稻种植结构调整和双季稻面积的增加,稻茬油菜的播种期不断推迟,迟播条件下(10月下旬至11月上旬)油菜播种出苗期易遭受低... 详细信息

油菜作为国产食用植物油的第一大来源,主要分布于长江流域稻-油多熟区,约占全国油菜种植总面积80%以上。随着前茬水稻种植结构调整和双季稻面积的增加,稻茬油菜的播种期不断推迟,迟播条件下(10月下旬至11月上旬)油菜播种出苗期易遭受低温,低温会抑制油菜种子萌发,导致出苗不齐、不匀,严重影响油菜生产发展。因此,生产上亟需耐低温萌发的高产品种及配套的栽培技术,针对这一问题,本论文创新油菜耐低温萌发评价鉴定方法,筛选耐低温萌发优异品种,解析其耐低温萌发的生理分子机制,取得的主要结果如下:(1)创新油菜耐低温萌发评价鉴定方法。收集整理大量气象数据,综合研判迟播油菜播种期(10月下旬至11月上旬)的平均气温/地温为10℃至20℃之间,因此设置15℃作为油菜耐低温萌发的鉴定温度;分别设计了一种方形和圆形快速排种器,提升排种效率提高60倍以上,且种子排列整齐;创新了一种基于计算机图像处理的种子活力测定方法,基于图像分析获取的种子萌发期的绿色活力指数可以充分弥补传统的发芽指数对种子活力指示不足的问题,为耐低温萌发评价鉴定增加了一个新的维度。(2)筛选了4份耐低温萌发的优异品种。利用上述耐低温萌发评价方法,对26个品种的耐低温萌发抗性进行鉴定,发现低温抑制了所有品种的种子萌发,且品种之间差异显著,通过主成分聚类分析将参试品种分成5类,其中徽油808、德齐998、德68-12、德齐油4号在低温处理条件下等仍保留较强的种子活力和较强的幼苗长势,有望为迟播全苗提供品种保障。(3)揭示了种子耐低温萌发的生理和分子机制。结合转录组和代谢组测序分析技术,系统解析萌发期低温敏感品种和抗性品种在低温和常温下的差异表达基因和代谢物,发现低温胁迫对种子膜系统、磷脂代谢通路、光合通路等都有显著影响。相关研究结果为迟播油菜的高产栽培提供了理论和物质基础,可有效推进长江流域冬闲田扩种油菜。

关键词：油菜耐低温萌发图像处理转录组代谢组

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