本文選題：水稻　切入點(diǎn)：葉綠體　出處：《南京農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器,同時還是一些重要物質(zhì)合成和代謝的場所。因此葉綠體的發(fā)育對植物的生長發(fā)育及最終的產(chǎn)量形成至關(guān)重要。針對葉綠體發(fā)育的研究主要集中在雙子葉植物擬南芥中,而單子葉植物中研究比較少。葉綠體發(fā)育在單子葉植物和雙子葉植物中存在較大差異。而水稻作為單子葉植物的模式系統(tǒng),利用水稻開展葉綠體發(fā)育的研究對于全面認(rèn)識植物的葉綠體發(fā)育機(jī)制具有重要的意義;同時,研究水稻作為全球最重要的糧食作物之一,研究水稻葉綠體的發(fā)育將為培育高光效的超級水稻奠定理論基礎(chǔ)。本研究以一個水稻白穗突變體wp1(whitepanicle1)為材料,從細(xì)胞學(xué),遺傳學(xué)和功能基因組學(xué)等方面展開研究。主要結(jié)果如下:1.水稻白穗突變體wp1在苗期表現(xiàn)為白條紋和白化表型,抽穗后穗子成白色。對苗期葉片和抽穗時的穎殼葉綠素的含量測定發(fā)現(xiàn),與野生型相比wp1突變體上述組織的葉綠素含量顯著降低。對上述組織中的葉綠體超微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)突變體中葉綠體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損。對早期的葉綠體發(fā)育過程進(jìn)行葉綠素?zé)晒夂屯干潆婄R觀察,發(fā)現(xiàn)wp1突變體的早期葉綠體發(fā)育過程嚴(yán)重受損。2.構(gòu)建定位群體對WP1位點(diǎn)進(jìn)行了圖位克隆。通過對43kb定位區(qū)間內(nèi)的5個ORFs(open reading frames)進(jìn)行測序發(fā)現(xiàn)了可能的突變基因LOC_Os07g06940。通過互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該基因的突變導(dǎo)致wp1突變體的一系列的突變表型。3.對WP1的氨基酸序列進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其編碼一個纈氨酸-tRNA合成酶,命名為OsValRS2。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在水稻基因組中還有一個有功能的纈氨酸-tRNA合成酶(OsValRS1 )。這兩個纈氨酸-tRNA合成酶在擬南芥中均有高度同源的直系同源基因存在。對WP1的組織表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)其在各個組織中都有表達(dá),且在綠色組織中表達(dá)量相對更高。另一個水稻中的纈氨酸-tRNA合成酶OsValRS1在各個組織中都有表達(dá),表達(dá)量很高且分布均勻。對水稻中的兩個纈氨酸-tRNA合成酶進(jìn)行了亞細(xì)胞定位發(fā)現(xiàn)WP1同時定位在葉綠體和線粒體中,而OsValRS1定位在胞質(zhì)。WP1和OsValRS1負(fù)責(zé)了三個亞細(xì)胞細(xì)胞區(qū)域的蛋白質(zhì)合成,而且這兩個蛋白無功能冗余。4.通過RNA-seq的方法檢測了wp1突變體中表達(dá)量發(fā)生變化的基因。在核編碼基因中,光系統(tǒng)合成相關(guān)的基因(光捕獲復(fù)合體,光系統(tǒng)Ⅰ,光系統(tǒng)Ⅱ等)的表達(dá)量在wp1突變體中均顯著下調(diào)。我們還發(fā)現(xiàn)wp1突變體中纈氨酸合成和降解途徑基因的表達(dá)量均顯著上調(diào),這也間接證明了纈氨酸-tRNA合成酶的突變。通過RNA-seq我們還對質(zhì)體基因組編碼的基因進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)質(zhì)體基因組編碼的基因中由NEP負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的其表達(dá)量都顯著上調(diào),而由PEP負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的其表達(dá)量均顯著下調(diào)。這一現(xiàn)象是PEP活性受損的一種表現(xiàn),而PEP活性受損會導(dǎo)致質(zhì)體早期發(fā)育不正常。5.對wp1突變體中質(zhì)體基因組編碼蛋白的含量進(jìn)行了 Western-Blot分析,發(fā)現(xiàn)檢測的幾類蛋白的含量在wp1突變體中均顯著降低。對這些蛋白的mRNA水平進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)其表達(dá)量有上調(diào)也有下調(diào)。因此我們認(rèn)為wp1突變體中的質(zhì)體蛋白質(zhì)合成受阻。對突變體中質(zhì)體的核糖體進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)在突變體幼苗和穎殼中幾乎檢測不到質(zhì)體的rRNA和核糖體蛋白。這些結(jié)果表明wp1突變體中核糖體生物合成的受損導(dǎo)致質(zhì)體蛋白質(zhì)合成的受阻,且我們推測WP1可能是間接地影響到質(zhì)體核糖體的生物合成的。
[Abstract]:Chloroplasts are organelles of photosynthesis, but also some important material synthesis and metabolism. Therefore the growth and development of plant chloroplast development and yield formation is very important. According to the research of chloroplast development mainly concentrated in dicot Arabidopsis, and monocots. Relatively few studies of chloroplast development exist large differences in monocots and dicots. And rice as a model system of monocotyledonous plants, to carry out the research on chloroplast development has important significance for understanding the plant chloroplast development mechanism using rice; at the same time, the research of rice as one of the most important crops in the world, the research of rice chloroplast development will lay the theoretical foundation for the super rice breeding for high photosynthetic efficiency. In this study, a rice mutant Wp1 (whitepanicle1) as the material, from Study on cytology, genetics and functional genomics. The main results are as follows: 1. white rice panicle mutant Wp1 in seedling white stripe and the albino phenotype after heading, grain white. Determination of chlorophyll in leaves and glume heading when found, compared with the wild type Wp1 mutant of the chlorophyll content of tissue decreased significantly. The chloroplast ultrastructure in the above tissues were found severely damaged the chloroplast structure in the mutant. The early chloroplast development process of chlorophyll fluorescence and TEM observation found that early chloroplast development process Wp1 mutant was severely damaged.2. mapping population of WP1 loci of positional cloning. By 5 ORFs of 43kb the positioning range (open reading frames) were found by sequencing the LOC_Os07g06940. gene mutation may further confirmed by complementary experiments To understand the gene mutation resulted in the amino acid sequence of WP1 mutant phenotypes.3. a series of Wp1 mutants were analyzed, found its encoding a valine -tRNA synthase, named OsValRS2. was analyzed in rice genome and a valine -tRNA synthase function (OsValRS1). The two valine -tRNA synthetase in Arabidopsis thaliana. Have highly homologous orthologous genes. Expression analysis found in various tissues with the expression of WP1 in tissue, and the expression of green tissue was relatively higher. Another rice valine -tRNA synthase OsValRS1 was expressed in all tissues, the expression is very high and uniform distribution of two. A valine -tRNA synthase in rice were also found WP1 subcellular localization localized in the chloroplast and mitochondria, and OsValRS1 localized in the cytoplasm of.WP1 and OsValRS1 Responsible for protein synthesis in three subcellular regions, and these two proteins without functional redundancy detection of.4. expression in the Wp1 mutant gene changes by RNA-seq method. In the nuclear gene encoding, genes associated with the synthesis of optical system (light harvesting complexes of photosystem I, photosystem II expression etc.) the amount was significantly down regulated in the Wp1 mutant. We also found that the amount of gene expression and synthesis of valine degradation pathway of Wp1 mutants were significantly up-regulated, which also indirectly proved that the mutation of valine -tRNA synthase by RNA-seq. We also confront the genome encoding gene was analyzed, found that the expression of transcription by NEP for plastid genome encoding the genes are up-regulated, the expression of PEP is responsible for the transcription were decreased. This phenomenon is a manifestation of the activity of PEP is damaged, and the activity of PEP can lead to impaired By the early development of plastid abnormal content of plastid genome encoding protein Wp1 mutant in.5. was analyzed by Western-Blot, are found in several kinds of protein content decreased significantly in the Wp1 mutant. The protein levels of mRNA were detected that the expression amount increases also lowered. So we think that the plastid protein synthesis Wp1 mutant the blocked. The mutant plastid ribosomes are analyzed. That is almost not detected in plastid ribosomal rRNA and protein in the mutant seedlings and glume. These results suggest that ribosome biogenesis in Wp1 mutants impaired plastid protein synthesis is blocked, and we speculate that WP1 may indirectly affect the biosynthesis of plastid ribosome.

【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S511

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本文編號：1556464