基于水稻白化转绿突变体v14蛋白组学分析筛选验证水稻异养自养转换相关基因

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水稻(Oryza sativa L.)是世界上重要的粮食作物之一,因其应用广泛,基因组长度小,易于遗传操作且与其他禾谷类植物具有共线性等特点,成为基因组研究的模式植物,其生理机制在植物中也具有一定普适性。蛋白质组学是对生物的蛋白质组进行系统化、大规模研究的学科,主要研究内容为蛋白质的功能、组成及相互间作用。本实验室在研究白化转绿突变体v14(v14)的过程中,发现该突变体复绿的表型与水稻幼苗期与分蘖期具有一定的同步性,推测该基因发挥功能的时期可能仅在水稻幼苗期,即利用种子胚乳营养成分的异养期。经实验发现去除胚乳的v14幼苗提前复绿,进一步证明该基因仅在水稻的异养阶段发挥作用,即V14蛋白在水稻进入自养阶段后不起调控叶绿体发育的作用。将台中65(T65)和v14分别切去胚乳,与未处理的种子同时在不同温度下培养,取二叶期叶片进行Tandem Mass Tag(TMT)检测。利用Motif-x对鉴定到的磷酸化修饰肽段进行分析,发现样品间与RNA转录和剪接体相关的蛋白磷酸化差异极显著。进一步分析T65和v14相关材料的转录组数据,发现多个个基因的可变剪切模式发生变化。综合蛋白组与转录组数据,筛选出LOCOs02g19860,LOCOs04g54430,LOCOs07g38420,LOCOs08g37130,LOCOs09g03620,LOCOs02g36780,LOCOs09g38720等基因。利用CRISPR/Cas9技术进行目标基因的基因组序列编辑。以T65和(或)v14为转化受体,得到转化体植株。设计各基因的特异引物,对T0代植株进行PCR扩增并进行测序。发现LOCOs02g19860中共发生1种突变,得到1株受体为v14的转化体植株。LOCOs04g54430中共发生2种突变,一种突变得到1株受体为v14的转化体植株,一种突变得到1株受体为T65的转化体植株。LOCOs07g38420中共发生4种突变,其中有3株受体为v14的转化体植株,2种突变各得到1株受体为T65的转化体植株,1种突变得到1株受体为v14的转化体植株。LOCOs08g37130中共发生1种突变,得到1株受体为T65的转化体植株。LOCOs09g03620中共发生2种突变,每种突变各得到1株受体为T65的转化体植株。LOCOs09g38720中共发生1种突变,得到1株受体为T65的转化体植株。LOCOs02g36780中共发生1种突变,得到1株受体为T65的转化体植株对T1代植株表型进行观察后发现,LOCOs02g36780基因的3号突变体植株后代产生了白化分离现象。LOCOs09g38720的6号和10号突变体植株后代产生了白化现象,16号植株后代产生黄化分离的现象。以v14为背景的LOCOs07g38420后代出现叶色提前复绿的表型,说明该基因参与调控水稻自养与异养转换。检测各叶色突变体中叶绿素a,叶绿素b,总叶绿素和类胡萝卜素含量,发现LOCOs02g36780基因突变后代白化苗中的叶绿素含量低于LOCOs09g38720基因突变后代中的白化苗。本实验对水稻幼苗发育过程中异养与自养转换时叶片发育的分子机制进行探究。得到了大量可用于进一步探究该分子机制的遗传材料,为研究水稻幼苗异养与自养转换时叶片发育的分子机理提供了基础。本研究不仅为研究水稻叶片发育机制提供了新思路,也为探究水稻异养与自养转换提供了新的途径和方向。
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