水稻小穗不確定性基因LHS1-3和雄蕊雌蕊化基因PS的圖位克隆與功能分析.pdf

1、花發(fā)育的分子遺傳機(jī)制是植物發(fā)育生物學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。水稻(Oryza sativa)可以作為單子葉的模式植物，同時(shí)也是世界上最重要的糧食作物之一，開花時(shí)間、花序和花器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)都對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成重要的影響。所以，闡明其花發(fā)育的分子遺傳機(jī)制不僅有助于增進(jìn)人們對(duì)整個(gè)開花植物分子進(jìn)化的理解，還有助于推動(dòng)相關(guān)性狀的分子育種研究。而且，作為禾本科的模式作物，在水稻中取得的成果可以直接推動(dòng)禾本科其他重要糧食作物的相關(guān)研究，比如小麥(Tritic

2、um aestivum)和玉米(Zea mays)。 基于擬南芥(Arabidopsis thaliana)和金魚草(Antirrhinum majus)等雙子葉植物的研究結(jié)果，目前我們對(duì)花發(fā)育分子遺傳機(jī)制已經(jīng)有了比較清晰的認(rèn)識(shí)。但是，水稻等單子葉植物和雙子葉植物早在1.5億年以前就己分化。所以，對(duì)于水稻等單子葉植物花發(fā)育分子遺傳機(jī)制的理解不能過(guò)分依賴擬南芥等雙子葉模式植物的研究。在本文中，我們鑒定了兩個(gè)水稻花發(fā)育關(guān)鍵基因，它們

3、與擬南芥的直系同源基因之間都發(fā)生了較大的功能分化，主要結(jié)論如下： 1.水稻小穗不確定性基因LHS1-3的圖位克隆和功能分析 在水稻等禾本科植物中，直接產(chǎn)生花的花序叫小穗，目前對(duì)于小穗的特征發(fā)育有了一定的了解，但是對(duì)其確定性的發(fā)育還缺乏了解。在本研究中，我們通過(guò)圖位克隆鑒定了一個(gè)水稻小穗不確定性基因LEAFYHULLSTERILE1-3(LHS1—3)。主要結(jié)論如下： 1.1.LHS1-3特化水稻小穗確定性發(fā)育

4、 在Ihs1-3所有的小穗中，原有的頂花被不確定數(shù)目的側(cè)生小花代替，它們以1/2交替順序排列在延長(zhǎng)不等的小花軸上。這表明lhs1-3突變體丟失了小穗的確定性，暗示LHS1-3調(diào)控水稻小穗的確定性發(fā)育。 1.2 LHS1-3調(diào)控花分生組織和花器官的發(fā)育 lhs1-3小花的花器官也表現(xiàn)出了嚴(yán)重的特征缺陷或缺失，包括延長(zhǎng)變薄的外稃、分裂的內(nèi)稃、減少或缺失的漿片、減少的雄蕊和偶爾多柱頭的雌蕊。這些結(jié)果暗示LHS1-3基因可能

5、在早期的花分生組織中負(fù)責(zé)起始正常數(shù)目的內(nèi)輪花原基并調(diào)控花分生組織的確定性，而后期調(diào)控內(nèi)外稃的細(xì)胞分化和增殖。 1.3 LHS1-3在外稃和內(nèi)稃中特化不同的細(xì)胞類型lhs1-3突變影響 外稃的發(fā)育比內(nèi)稃要嚴(yán)重得多。外觀上，lhs1-3外稃延長(zhǎng)、加寬、變薄，而內(nèi)稃只是表現(xiàn)出分裂；在組織結(jié)構(gòu)上，外稃的厚壁組織細(xì)胞層嚴(yán)重減少，內(nèi)稃中只是厚壁和薄壁組織細(xì)胞層變得不太容易區(qū)分，而細(xì)胞層數(shù)并未有明顯的變化。這些結(jié)果表明LHS1-3基因

6、在外稃的細(xì)胞分化和增殖中承擔(dān)了更加重要的作用，同時(shí)這也再次證實(shí)水稻的內(nèi)稃和外稃的發(fā)育的確受到不同的基因調(diào)控。 1.4 lhs1-3是OsMADS1基因的等位突變 LHS1-3基因被定位在水稻第3染色體上的分子標(biāo)記PSSR3和RM7576之間，物理距離相距34kb。在這個(gè)區(qū)間包含OsMADS1等3個(gè)注解基因。在lhs1-3突變體中，OsMADS1基因的第一內(nèi)含子中插入了一個(gè)5166bp的Pong轉(zhuǎn)座子元件，并且檢測(cè)不劍任何

7、OsMADS1的轉(zhuǎn)錄信息；另外，OsMADS1一個(gè)玉米直系同源基因ZmMADS8的功能缺失突變也引起小穗確定性的丟失。這些結(jié)果都暗示lhs1-3是OsMADS基因的等位突變。 2.水稻雄蕊雌蕊化基因PS的圖位克隆和功能分析 花器官特征發(fā)育調(diào)控的ABCE模型在很大程度上也適用于單子葉植物。然而目前對(duì)水稻等單子葉植物中相關(guān)基因的調(diào)控機(jī)制還缺乏了解。在本研究中，我們鑒定了一個(gè)雄蕊雌蕊化基因PISTILLOID-STAMEN(P

8、S)，它通過(guò)調(diào)控B、C功能基因的表達(dá)來(lái)維持正常的雄蕊特征。 2.1 PS基因調(diào)控雄蕊的特征 發(fā)育ps突變嚴(yán)重影響了水稻內(nèi)外稃對(duì)稱軸線上的2枚雄蕊原基的起始，使其被雌蕊原基代替。其他的雄蕊原基雖然可以止常起始，但是它們最終多數(shù)融合了雌蕊的特征或嚴(yán)重退化。這些結(jié)果表明PS基因是雄蕊的特征發(fā)育所必需的。 2.2　PS基因調(diào)控水稻花器官特征 基因的表達(dá)在雄蕊原基起始及其發(fā)育早期，ps突變體中特化雄蕊特征發(fā)育的B、

9、C功能基因都表現(xiàn)下調(diào)，而特化雌蕊特征的DL基因表現(xiàn)上調(diào)，暗示了PS基因可能激活或(和)維持B、C功能基因在第3輪中的表達(dá)，或者抑制DL基因的在第3輪中異位表達(dá)。 2.3 PS調(diào)控花器官的形態(tài) 發(fā)育ps突變體所有的花器官形態(tài)都發(fā)生變化。第1輪內(nèi)外稃的長(zhǎng)和寬明顯減小，而且始終不能閉合：第2輪漿片偶爾伸長(zhǎng)，體積也會(huì)變大；在第3輪，雌蕊化的器官大多數(shù)帶有不定數(shù)目的柱頭或(和)不定型組織，而未被雌蕊化的雄蕊形態(tài)也很不正常，特別是花

10、藥表現(xiàn)嚴(yán)重的退化。第4輪的雌蕊相對(duì)止常，但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多柱頭，而且大多數(shù)不能正常結(jié)實(shí)。這些結(jié)果暗示PS基因是維持花器官后期止常的細(xì)胞分化和增殖所必需的。 2.4 PS基因功能的保守與分化 PS編碼一個(gè)C2H2鋅指結(jié)構(gòu)蛋白，是擬南芥IAG/NUB基因的直系同源基因，JAG基因調(diào)控側(cè)翼器官的形態(tài)發(fā)育，包括葉片和所有的花器官，而JAG的旁系同源基因NUB調(diào)控雄蕊和心皮的形態(tài)發(fā)育，功能與JAG部分冗余。ps突變的花器官形態(tài)與ja