水稻分蘖角调控基因E204的功能研究

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水稻是世界主要粮食作物之一,随着全球人口不断增长和耕地面积日益减少,提高水稻产量对保障世界粮食安全具有重要意义。实践证明,理想株型与杂种优势利用相结合是实现水稻产量进一步提升的重要途径。分蘖角是水稻理想株型的重要组成部分,它直接影响水稻冠层结构从而影响叶片的光合效率,最终影响水稻的产量及品质。因此,对水稻分蘖角调控基因的挖掘以及其功能的深入研究是必要且关键的,这将对理想株型水稻培育具有重大意义。本研究利用反向遗传学手段对水稻SBP转录因子E204基因进行克隆,分别构建基因过表达载体和CRISPR/Cas9基因编辑载体,以粳稻中花11(ZH11)胚性愈伤组织作为遗传转化受体材料,获得阳性转基因水稻,并对其农艺性状进行调查,结合RNA表达分析研究E204基因的作用途径。最后,利用酵母双杂交系统从水稻c DNA文库中筛选E204的互作蛋白,并对互作蛋白的结构及功能进行分析,确定E204基因功能及其调控机制。本研究得到的主要结果如下:(1)表型观察结果:E204基因过表达转基因株系(OTL)的分蘖角度大,株型披散;而ZH11分蘖角度小,株型直立,说明过量表达E204会导致水稻分蘖角度增大。观察分蘖基部纵切面,ZH11的分蘖基部远地侧和近地侧生长不平衡,而OTL分蘖基部两侧的生长情况是平衡的,说明E204基因过表达可以打破分蘖基部两侧的生长不平衡,使分蘖角度增大;(2)定量结果表明:在水稻不同组织中,E204基因在OTL的表达量都高于ZH11,而且在ZH11分蘖基部近地侧的表达量高于远地侧;但在OTL分蘖基部中,内侧的基因表达量反而高于外侧;另外,已报道的调控水稻分蘖角基因Os PIN2在OTL分蘖基部的表达量也高于ZH11,说明Os PIN2基因可能位于E204基因的下游;(3)对E204基因CRISPR/Cas9编辑转基因株系(CTL)的农艺性状调查和基因表达量分析表明,CTL的分蘖角度、茎蘖数和粒长等表型与ZH11基本一致,E204基因在CTL分蘖基部的表达量低于ZH11,说明本研究所构建的CTL材料是正确的,推测在ZH11中还存在未知的功能冗余基因,该基因在E204基因发生突变丧失基因功能时,仍可调控水稻分蘖角,使得水稻分蘖角角度变化不大;(4)酵母双杂交筛库结果:筛选出66个与E204互作的蛋白,选取其中在阳性克隆中出现频率最高的7个蛋白进行分析,结果发现互作蛋白IP1、IP2和IP7在拟南芥中调控生长激素响应基因的表达,从而控制茎和根尖分生组织的细胞增殖和伸长。因此可以推测在水稻中,E204可能通过与这3个蛋白产生相互作用,间接调控编码生长素转运蛋白基因Os PIN2的转录表达,影响茎分生组织的细胞增殖和伸长,从而调控水稻分蘖角度。本研究对分蘖角调控基因E204的功能研究,为今后理想株型水稻品种培育奠定一定的理论基础。
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