【摘 要】
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水稻是世界上最重要的粮食作物,全球一半以上人口的主食。水稻灌浆充实直接决定水稻产量和稻米品质。随着全球气候变暖,极端天气愈见频繁。水稻开花灌浆期极易遭遇夏季高温危害,导致减产甚至绝收,因此解析水稻高温影响灌浆背后的分子机制,可为分子设计育种解决高温下水稻灌浆充实,保障产量和品质提供理论指导。本研究从重穗杂交稻骨干亲本蜀恢527（R527）的EMS突变体库中筛选到一份灌浆缺陷的突变体dg1（defe
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水稻是世界上最重要的粮食作物,全球一半以上人口的主食。水稻灌浆充实直接决定水稻产量和稻米品质。随着全球气候变暖,极端天气愈见频繁。水稻开花灌浆期极易遭遇夏季高温危害,导致减产甚至绝收,因此解析水稻高温影响灌浆背后的分子机制,可为分子设计育种解决高温下水稻灌浆充实,保障产量和品质提供理论指导。本研究从重穗杂交稻骨干亲本蜀恢527（R527）的EMS突变体库中筛选到一份灌浆缺陷的突变体dg1（defective grain-filling1）,对其进行表型分析、基因定位和功能研究,主要研究结果如下:1.对dg1突变体进行表型分析发现,dg1突变体主要表现为灌浆延迟和籽粒充实差,其中dg1的灌浆时间延长了27天,且在四川温江存在24.68%的不完全填充种子,导致千粒重下降21.36%;组织细胞学分析发现dg1胚乳细胞的程序化死亡和胚乳中淀粉填充速度明显慢于野生型;生理指标测定发现同一时期dg1颖果中蔗糖、果糖和葡萄糖含量高于野生型,而总淀粉含量低于野生型。2.遗传分析表明突变体表型受一对隐性基因控制,利用Mut Map分析发现dg1表型是LOC＿Os03g12790基因组786位由G到A的碱基变异,导致蛋白翻译提前终止所致,该基因编码多药和有毒化合物（MATE）转运蛋白,将其命名为DG1。遗传互补和日本晴基因敲除进一步证实了DG1就是控制dg1突变体表型的基因。3.非洲爪蟾卵母细胞和水稻原生质体两个系统证明了DG1具有ABA外排活性。4.表达模式分析发现DG1主要在节、叶片和幼根中高表达;GUS染色显示DG1主要在节、叶片、幼根和小花轴中表达;GUS染色组织切片观察发现DG1主要在叶片维管束和根的中柱表达;免疫荧光分析DG1主要在节中的扩大维管束与分散维管束之间的薄壁细胞、叶片维管束韧皮部和小花轴的中央大维管束表达。利用35S::DG1c DNA-e GFP阳性植株根尖对DG1进行亚细胞定位发现其位于细胞膜上。5.ABA和ABA前体物质测定结果发现dg1受精后3天和5天的颖果中的ABA含量显著低于野生型,而茎秆和叶片中的含量显著高于野生型;另一方面,ABA前体物质9,-顺式新黄质和9-顺式紫黄质在叶片中的含量分别是颖果和茎秆中的40倍和10倍;通过遗传表型、~3H-ABA饲喂和外施ABA等实验证明了DG1介导ABA的长距离运输。即叶片是ABA合成的主要组织器官,再通过转运蛋白DG1运输到颖果满足籽粒灌浆充实的需求,其中节对ABA转运过程扮演关键作用。6.DG1通过介导ABA长距离运输,调节淀粉合成相关基因,促进灌浆充实。对受精后5天的WT和dg1颖果RNA-seq数据分析发现,约80%的淀粉合成关键基因在突变体dg1中显著低于野生型;通过ABA诱导颖果实验发现ABA可调节WT中淀粉合成关键基因NF-YB1、NF-YC12、Osb ZIP58、RPBF、b HLH144、Os AGPL3、Wx、Os BEIIb、Os ISA1和Os AGPL2的表达量从而使种子正常发育。7.DG1基因受温度诱导,温度升高表达量更高,ABA转运效率也更高。dg1突变体在温和温度的表型明显弱于高温条件,控温下处理WT、dg1和互补株系,发现dg1在每天平均温度约为24℃的条件下无籽粒填充缺陷的表型,而在每天平均温度约为30℃的条件下产生了大量不完全填充的种子;~3H-ABA转运实验证明了DG1通过响应温度调节叶片到颖果的ABA转运效率。8.在禾本科植物作物中DG1基因序列和功能保守。进化树分析发现DG1直系同源基因在被子植物中约有50%蛋白序列相似性,而在禾本科植物中更是高达80%左右;利用DG1在玉米中Mu插入突变体（mu1004348）对其表型分析发现,zmdg1表现出类似于dg1灌浆延迟和籽粒填充缺陷表型。综上所述,该研究揭示了水稻从叶片到颖果的ABA长距离转运系统及生物学意义。即ABA主要在叶片中合成,装载到韧皮部,再运输到茎节的扩大维管束,并从扩大维管束进入分散维管束,进一步通过小花轴维管束进入颖果,调节颖果中一系列淀粉合成关键基因的表达量,促进籽粒灌浆充实;在这一过程中,ABA外排转运蛋白DG1起了关键作用,且编码该蛋白的基因DG1表达受温度调控,协调ABA从叶片到颖果的转运效率,确保各温度下种子的正常发育。
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