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植物学报 2024年第4期59卷 574-584页

作者：黄佳慧杨惠敏陈欣雨朱超宇江亚楠胡程翔连锦瑾芦涛路梅张维林饶玉春浙江师范大学生命科学学院

以γ射线诱变籼稻双科早(***.‘Shuangkezao’)获得的早熟鲜绿突变体pe-1为实验材料,在三叶期和分蘖期进行弱光胁迫,探讨pe-1与野生型在形态特征、非生物胁迫相关酶活性及其调控基因表达量、叶绿素含量、叶绿体合成与降解及光形态建成... 详细信息

以γ射线诱变籼稻双科早(***.‘Shuangkezao’)获得的早熟鲜绿突变体pe-1为实验材料,在三叶期和分蘖期进行弱光胁迫,探讨pe-1与野生型在形态特征、非生物胁迫相关酶活性及其调控基因表达量、叶绿素含量、叶绿体合成与降解及光形态建成相关基因表达对弱光响应的差异。结果表明,与野生型相比,弱光胁迫后, pe-1叶片黄化程度显著降低,株高和叶面积显著增加;三叶期和分蘖期的叶片中不同叶绿素含量变化不同。此外, pe-1叶绿素含量增加,且其抗氧化应激反应相关酶过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性及相关基因的表达量均高于野生型,表明在弱光胁迫下pe-1活性氧清除能力增强,适应能力更强。pe-1的光形态建成相关基因表达量高于野生型,表明弱光处理下pe-1的光接收能力更强。综上, pe-1突变体具有抵御弱光胁迫的潜力,该结果有助于耐弱光水稻品种的选育。

关键词：水稻 pe-1 弱光胁迫光形态建成叶绿素叶绿体合成与降解

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水稻早熟鲜绿基因pe-1的克隆与功能分析

水稻早熟鲜绿基因PE-1的克隆与功能分析

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作者：徐娜浙江师范大学

学位级别：硕士

水稻是世界上主要的粮食作物之一。抽穗期是水稻适应环境变化最重要的农艺性状,指的是水稻从播种到抽穗所经历的时期,在很大程度上决定了一个品种对地域和季节的适应能力。水稻为短日照植物,好暖喜湿,作为一个典型的模式作物,其抽穗期... 详细信息

水稻是世界上主要的粮食作物之一。抽穗期是水稻适应环境变化最重要的农艺性状,指的是水稻从播种到抽穗所经历的时期,在很大程度上决定了一个品种对地域和季节的适应能力。水稻为短日照植物,好暖喜湿,作为一个典型的模式作物,其抽穗期受遗传因素以及环境因子共同影响。本研究通过物理γ射线诱变处理水稻籼稻品种双科早,获得一份早熟鲜绿表型可稳定遗传的突变体pe-1。通过形态、生理及细胞学等实验手段探究基因pe-1突变是如何导致植株出现早熟鲜绿等一系列表型变化。利用图位克隆技术定位到了pe-1基因,通过测序比较发现了pe-1的突变位点,在此基础上对该基因开展了功能互补、亚细胞定位、组织表达分析等相关实验,为pe-1的功能分析奠定了基础。pe-1为短生育期高光效基因,对指导育种实践、生育期特性改良及品种推广均具有一定意义。具体研究结果如下:(1)与野生型相比,pe-1在发芽后一周左右的幼苗期叶色上就开始出现明显的表型,叶片颜色表现为偏鲜嫩黄色;分蘖数与野生型大致相同,但分蘖期pe-1的叶色逐渐由淡黄转变为鲜绿色,株高略矮;值得注意的是,pe-1比野生型提前抽穗18d左右,且pe-1的生长发育明显较野生型的快,株高显著降低。在成熟期时,pe-1的株高、穗长、一二次枝梗数、每穗粒数和结实率都显著下降。(2)pe-1在生长发育的不同时期,其叶片叶绿素含量的相对值(SPAD)均出现明显下降。对成熟期剑叶的叶绿素含量进行测定,发现pe-1的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量相比野生型都出现了显著下降。同时发现突变体pe-1的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率都显著高于野生型,而胞间CO浓度无明显差别。(3)对叶片进行透射电镜观察,发现突变体pe-1的叶绿体发育有缺陷。pe-1的叶绿体形态上比野生型的小,类囊体排列无明显区别,淀粉粒异常积累,体积增大,嗜锇颗粒数量骤减。(4)采用FDA-PI荧光对花粉进行染色,探究pe-1育性是否受影响。结果表明:pe-1中的花粉活性较低,育性有所下降。叶片组织化学分析表明,与野生型叶相比,在pe-1叶中发现累积更多的过氧化氢和氧负离子。(5)外源激素处理幼苗的结果显示,SA、ABA和MeJA处理对突变体pe-1的株高和根长影响均不敏感。用qRT-PCR定量分析检测了分蘖盛期剑叶中抽穗期及叶绿素代谢途径相关基因的表达模式,与野生型相比,pe-1的叶片中抽穗期相关基因FCA、DTH2表达下降,叶绿素代谢相关基因CAO1表达高于野生型。特别地,淡绿叶基因FGL以及促进提早抽穗的基因lvp1、FT在pe-1的叶片中表达均显著高于野生型。(6)遗传分析表明早熟鲜绿突变体pe-1受单隐性核基因控制,利用图位克隆的方法将pe-1定位于水稻第6号染色体Indel标记M2和M5之间,物理距离为37.9 kb的范围内。利用生物信息学对该区域的候选基因进行预测分析,结果表明该区域一共包含5个开放阅读框(ORF)。通过测序分析,发现只有一个基因(LOCs06g40080)出现突变,编码区580位核苷酸C缺失,导致编码的氨基酸发生改变,终止密码子提前,该基因编码一个血红素加氧酶基因(Se5),预示该基因为候选基因。说明,pe-1是已克隆Se5的一个等位基因。(7)遗传互补实验以证实pe-1突变是突变体pe-1表型出现的原因。进一步使用pe-1基因敲除CRISPR/Cas9载体验证,发现T植株抽穗期早于空载对照。使用携带pe-1启动子-GUS融合构建体的转基因植物检测pe-1组织表达模式。结果显示,在根、秆、叶和幼穗中检测到GUS信号。另外,通过观察绿色荧光在被侵染烟草叶片的定位分析pe-1的蛋白定位于叶绿体。

关键词：水稻抽穗期 pe-1 图位克隆功能分析

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