谷子穗顶端败育突变体sipaa1的基因定位和转录组分析

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谷子(Setaria italica(L.)P.Beauv)是禾本科狗尾草属的一年生作物,其种子去壳后即人们俗称的“小米”,是我国北方干旱半干旱地区主要的粮食作物。谷子中人体必需氨基酸含量远高于其他禾本科作物,如小麦、玉米和水稻等,且其中富含的微量元素也很丰富,是一种重要的健康营养杂粮。谷子为二倍体自花受粉的单子叶C4作物,生育周期短(80—140天),基因组较小(约515Mb),实验室操作方便。同时,谷子基因组与水稻基因组具有较高的共线性,是除水稻之外的另一种具有较大潜力的模式作物[1-2]。穗是谷子产量的最终形成部位,穗部形态与结构始终是遗传育种的重要性状,而穗顶端败育严重影响作物的产量及品质,因此对穗顶端败育突变体的研究有助于揭示穗顶端败育的遗传机制,对提高粮食产量具有积极的指导意义。本研究通过对野生型豫谷一号(Yugu1)进行甲基硫酸乙酯(Ethyl Methyl Sulfonate,EMS)化学诱变,从中发现了一个稳定遗传的穗顶端败育突变体,命名为sipaa1。通过对突变体进行植物学观察发现,与Yugu1相比,突变体的表型变异主要集中在穗部,表现为穗顶端小花败育,枝梗数显著减少,出现了明显的秃尖现象,导致谷穗产量大幅下降。对连续多代种植的突变体进行遗传分析鉴定发现,谷穗顶端败育是单基因控制的性状变异。在此基础上,以突变体sipaa1母本和SSR41父本构建的F2定位群体的隐性单株为材料,对突变基因进行BSA混池测序法基因定位发现,突变基因定位于1号染色体Indel标记In1-9.23与In1-9.322之间约110Kb的范围内。对突变体进行高通量测序,结果在该定位区间内发现了12个候选基因,其中6个在谷子穗部高表达。突变体sipaa1和野生型Yugu1的转录组测序结果显示,突变体与野生型之间存在2768个上调基因,507个下调基因,且差异基因主要存在于激素信号转导、外界胁迫响应、植物-病原互作等通路中,该结果暗示突变体中目的基因的变异可能激活了植物对激素和胁迫的响应。将RNA-Seq结果以及基因组织表达特异性数据分析,在该定位区间内确定了2个与植物花器官发育及胁迫响应密切相关的穗部高表达候选基因。本研究初步探索了与谷子穗顶端败育相关的遗传因素,为下一步禾本科作物穗顶端败育相关的通路研究提供了基础。
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