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aug1基因调控水稻籽粒大小的功能研究

AUG1基因调控水稻籽粒大小的功能研究

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作者：林燕妮华南农业大学

学位级别：硕士

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的粮食作物之一。随着人口日益增长所带来的对粮食需求的增加,优质高产的新品种选育的突破与创新已成为我国粮食增产乃至粮食安全中最重要的研究课题之一。籽粒大小是决定水稻产量的主要因素之一... 详细信息

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的粮食作物之一。随着人口日益增长所带来的对粮食需求的增加,优质高产的新品种选育的突破与创新已成为我国粮食增产乃至粮食安全中最重要的研究课题之一。籽粒大小是决定水稻产量的主要因素之一。阐明和挖掘水稻籽粒大小调控的分子机制和新调控因子,将为遗传改良水稻产量提供新的思路和靶点。细胞自噬是生物进化过程中高度保守的降解途径,主要通过降解细胞内“不需要”或“受损”蛋白和细胞器等参与植物生长和抗逆反应。但是,对于它在作物重要农艺性状上的调控机理仍知之甚少。有鉴于此,本研究通过遗传学、分子生物学和生物化学等手段,初步阐明了自噬基因Autophagy Gene 1（aug1）参与调控水稻籽粒大小的遗传机制,为下一步水稻产量的遗传改良提供重要理论基础。本研究所取得的主要结果如下:1.前期,本实验室通过基因编辑创制了aug1突变体。表型分析发现,与野生型（WT）相比,aug1突变体表现出多种生长发育缺陷的表型,包括株型变矮,茎变短,叶长变短,穗长变短,籽粒长度变短以及粒重减少。2.为了揭示aug1籽粒变小的原因,我们对其成熟期的颖壳进行了扫描电镜观察。结果表明,aug1突变体的细胞宽度和长度均显著小于野生型,表明aug1的突变影响了细胞的分裂分化。进一步的研究发现,细胞周期的标记基因（Marker Genes）MCM2、MCM3和MCM4在aug1中的表达显著下调,而H1和CYCA2;1呈现上调,暗示着aug1的籽粒变小是由于细胞周期的改变而导致的细胞体积变小所造成。3.为了确定aug1调控粒型变化的时间节点,取不同穗长的籽粒进行观察比较。结果表明,WT籽粒的长度随着穗长从3 cm生长到17 cm逐渐增长,随后粒长基本稳定不变。与之相比,aug1粒长变化趋势类似,但是,在整个发育时期均小于WT,表明aug1与WT的粒型差异在籽粒形成早期即发生。在粒宽上,WT籽粒宽度随着穗长从3 cm生长到23 cm期间逐渐增加,随后不再变化;aug1突变体的粒宽亦与WT变化趋势相似,但是,小穗发育在20 cm前的时期,aug1的粒宽均大于WT,而在20cm后,与WT并无显著差异。以上结果表明,aug1基因可能在籽粒形成早期已参与调控粒型的变化。4.为了进一步证实aug1是aug1突变体的靶基因,我们对aug1突变体进行了回交实验。F1的表型分析表明aug1为隐性突变;F2群体中,WT表型的植株与aug1表型的植株的比例符合3:1分离,表明aug1的表型受隐性单基因遗传所控制。此外,遗传互补实验表明,aug1转基因水稻完全恢复了aug1的突变表型,进一步证实aug1的表型确实是由于aug1基因的变异所造成。5.为了深入解析aug1的生物学功能,我们构建了aug1过表达植株,并以aug1表达量最高的OE-1株系为代表开展以下研究。与WT相比,OE-1的株高和穗长显著提高,粒宽粒长以及百粒重亦明显增加。以上结果表明,aug1正调控了籽粒等水稻各组织的大小变化。6.为了解析aug1基因的表达模式,我们利用荧光定量RT-PCR（q RT-PCR）检测了该基因在水稻各组织中的表达情况。结果表明,aug1在幼叶、幼根、叶鞘、茎、成熟叶、成熟穗和发育中的穗均有表达,其中,在成熟穗中表达量最高。此外,我们亦构建了aug1启动子融合GUS报告基因的转基因水稻。GUS染色的结果表明,aug1在茎、叶、成熟穗以及幼穗中均有高表达。以上实验结果再次佐证,aug1参与水稻株型、穗型和粒型等调控。7.为了深入解析aug1调控籽粒大小的分子机制,我们鉴定了已知粒型基因的表达模式。q RT-PCR分析表明,GS3表达水平在aug1中显著下调,而DEP1的表达模式相反,暗示着aug1可能协同G蛋白信号通路调控籽粒变化。8.为了证实aug1确实参与自噬途径,我们对aug1进行了相关的生理鉴定。在自噬抑制剂Concanamycin A（Con A）处理以及自噬体示踪剂Monodansylcadaverine（MDC）染色后,aug1突变体中的自噬体显著少于WT;而在aug1过表达中自噬体显著增加,表明aug1正调控自噬的发生。此外,WT和aug1原生质体中瞬时表达的CFP-Os ATG8a（ATG8是自噬活性的指示标记）经Con A处理后均能在液泡中检测到明显积累,但是,aug1中的CFP-Os ATG8a显著少于WT,再次说明aug1参与自噬活性的调控。综上所述,本研究初步阐明了aug1在水稻粒型上的调控机制,为进一步揭示该基因所介导的自噬途径在水稻籽粒大小调控中的作用奠定了良好的基础,亦为将来遗传改良水稻产量提供了新靶标。

关键词：水稻 aug1基因细胞自噬粒型

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