水稻穗頂部穎花退化基因PAA1的圖位克隆與功能分析.pdf

1、水稻是重要的糧食作物，為全球大約一半的人口提供主食。水稻每穗粒數是構成產量的重要因素之一。穗大粒多一直是世界水稻育種的主要目標，然而水稻穗頂部穎花退化現象在水稻育種中普遍發(fā)生，造成穗子體積減小每穗粒數顯著減少，嚴重影響水稻單產。目前，關于水稻穗頂部小穗退化的遺傳和分子機制還知之甚少。本研究以水稻組織培養(yǎng)過程中獲得的穗頂部退化突變體paa1為材料，并對頂部穎花發(fā)生退化的整個過程進行了詳細的觀察，通過圖位克隆的方法分離并鑒定了一個影響水稻穗

2、頂部退化的關鍵因子PAA1，并對該基因的功能進行深入的研究，揭示了paa1發(fā)生穗頂部穎花退化的分子機制。本文主要研究結果如下
　　1、與野生型相比，突變體paa1在營養(yǎng)生長時期沒有出現明顯的表型差異，抽穗以后，突變體的穗頂部小穗發(fā)生嚴重退化，并且穗一直保持直立的形態(tài)。籽粒成熟之后，突變體paa1頂部退化的小穗幾乎都脫落，導致穗長、穗粒數、千粒重以及株高顯著降低，最終對paa1的單株產量造成影響。
　　2、不同發(fā)育階段幼穗形態(tài)

3、的觀察結果表明paa1的頂部小穗在幼穗伸長后期出現生長停滯，然后逐漸表現為干癟和發(fā)白。細胞學觀察表明paa1項部退化小穗表現為細胞皺縮、細胞器降解以及染色體DNA斷裂。paa1頂部小穗中過氧化氫和丙二醛含量均顯著升高，誘發(fā)細胞程序性死亡的基因Os VPE2和OsVPE3的表達水平顯著上調，說明paa1頂部小穗的退化是由于過氧化氫積累引發(fā)的細胞程序性死亡造成的。
　　3、利用圖位克隆的方法將PAA1精細定位在第2號染色體長臂端的標記

4、C1和H-4之間82kb的范圍內，含9個ORFs，測序發(fā)現第6個ORF(LOC_Os02g45160)的第2個內含子與第3個外顯子的剪切位點上發(fā)生了堿基A→G的替換，結果導致mRNA的剪切發(fā)生改變，從而形成了兩種異常的轉錄本，都會造成蛋白質翻譯時發(fā)生移碼并提前終止。轉基因互補和干擾實驗都可以確定LOC_Os02g45160是引起穗頂部退化的目標基因PAA1。PAA1基因編碼一個鋁激活的蘋果酸轉運蛋白，屬于水稻ALMT家族的成員。PAA1

5、定位在細胞質膜上，在水稻的根、莖、葉、葉鞘和穗等各個組織中都有不同程度的表達。
　　4、PAA1在二羧酸轉運缺陷型菌株中表達可以吸收蘋果酸，說明PAA1在大腸桿菌中具有蘋果酸轉運功能。利用雙電極電壓鉗技術可以在表達PAA1的卵母細胞中檢測到明顯的蘋果酸電流，A1處理后對電流沒有影響，說明PAA1在卵母細胞中是一個不依賴于A1的蘋果酸通道。外源蘋果酸處理水稻幼苗后，PAA1的表達水平顯著上調，paa1地上部的蘋果酸含量顯著降低。孕穗

6、時期，蘋果酸含量測足結果表明paa1頂部小穗中的蘋果酸積累量顯著減少，外源蘋果酸注射突變體幼穗能顯著減弱頂部退化表明突變體頂部小穗的退化是由蘋果酸含量降低引起的。
　　5、水稻幼穗中NAD(H)和NADP(H)含量測定結果顯示，paa1頂部小穗細胞內的NADPH、NADP+和NAD+含量與野生型相比都顯著降低，同時，NADPH/NADP+比率顯著降低，而NADH/NAD+比率顯著升高。這些結果說明突變體頂部小穗細胞內蘋果酸含量的降