小麦Ta14S基因的特征及其在穗发芽调控过程中的功能

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小麦收获前遇雨发生穗发芽是一种世界性自然灾害,严重影响小麦的产量和品质。本研究以抗穗发芽品种‘淮麦0360’和易穗发芽小麦品种‘中优9507’为材料,克隆了14-3-3蛋白基因Ta14S的3个部分同源基因Ta14S-2A、Ta14S-2B和Ta14S-2D,比较了克隆基因在不同抗性材料中的序列特征;分析了3个部分同源基因在小麦种子发育过程、种子萌发过程以及离体胚在ABA处理过程中的表达特性,探讨了该基因与抗穗发芽特性的关系;利用农杆菌介导法将Ta14S-2B基因导入小麦品种郑麦9023,并初步分析了转基因材料的种子萌发特性。主要研究结果如下:1、以抗穗发芽品种‘淮麦0360’和易穗发芽品种‘中优9507’为材料,克隆并分析了小麦Ta14S基因的3个部分同源基因Ta14S-2A、Ta14S-2B和Ta14S-2D的基因组序列。结果显示,Ta14S-2A和Ta14S-2D的基因组序列长度分别为2424 bp和2337 bp,均含有5个外显子和4个内含子,而Ta14S-2B的基因组序列长度为3205 bp,含有6个外显子和5个内含子。该基因在编码区相对保守,A、B和D部分同源基因间仅有单个碱基的插入或缺失,而在5’UTR和3’UTR区序列差异较大。不过,该基因在抗穗发芽和易穗发芽品种间差异不大。2、利用实时定量RT-PCR分析了Ta14S基因在种子发育过程和萌发过程中的表达特性,结果表明:(1)种子发育过程中,三个同源基因Ta14S-2A、Ta14S-2B和Ta14S-2D主要在种子发育前期表达,且在易穗发芽品种中的相对表达量均高于抗穗发芽品种。三个同源基因在花后25、30和35 d胚及胚乳中表达趋势基本一致,都在花后35 d表达量最大。在35 d胚中,三个基因在易穗发芽品种中的表达量明显高于抗穗发芽品种,表达水平依次为Ta14S-2A>Ta14S-2B>Ta14S-2D。而在35 d胚乳中,Ta14S-2A和Ta14S-2B均在感穗发芽品种中的表达量明显高于抗穗发芽品种,且上调幅度为Ta14S-2B>Ta14S-2A,而Ta14S-2D在抗穗发芽品种中的表达量显著高于感穗发芽品种。(2)种子萌发过程中,三个同源基因Ta14S-2A、Ta14S-2B和Ta14S-2D在籽粒和胚中的表达变化趋势基本一致。在籽粒吸涨636h,Ta14S-2B和Ta14S-2D在感穗发芽品种中的表达量显著高于抗穗发芽品种,上调表达幅度为Ta14S-2B>Ta14S-2D,而Ta14S-2A仅在种子吸涨2436 h有差异外,其余时段品种间无明显差异。胚处理后14 d,三个同源基因均在感穗发芽品种中的表达量高于抗穗发芽品种,表达幅度为Ta14S-2B>Ta14S-2A>Ta14S-2D。3、分析了三个同源基因成熟期离体胚在ABA处理下的表达特性,结果表明,与未处理对照相比,三个同源基因在ABA处理后的1 d,表达都迅速下调,之后表达量基本保持不变,但下调幅度在不同穗发芽抗性品种间存在差异。三个同源基因均在易穗发芽品种中的表达下调幅度较小,变异程度为Ta14S-2B>Ta14S-2A>Ta14S-2D。4、构建了Ta14S-2B的过量表达和RNAi抑制表达载体,并通过农杆菌介导法对易穗发芽品种郑麦9023进行了遗传转化,分别获得了19个过量表达和13个RNAi抑制表达转基因株系。经对T1、T2代植株的PPT抗性检测和目标基因的PCR检测,共获得T1阳性植株147株,其中过量表达74株,RNAi抑制表达73株。T2阳性植株992株,其中过量表达339株,RNAi抑制表达653株。5、采用半定量RT-PCR对T2代转基因小麦中Ta14S-2B基因的表达水平分析表明,8株过表达转基因小麦中,Ta14S-2B基因的表达水平明显提高,7株RNAi转基因小麦中,有5株Ta14S-2B基因的表达受到不同程度的抑制。6、对转基因小麦种子的萌发特性测定表明,Ta14S基因过表达后转基因小麦籽粒的发芽率显著提高,而该基因通过RNAi技术抑制表达后籽粒的发芽率却明显低于对照。上述结果表明,小麦的14-3-3基因Ta14S基因在种子萌发过程中发挥重要的调控功能。
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