植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程受到基因表達(dá)方式的嚴(yán)格調(diào)控。剖析基因表達(dá)模式,不僅可以解釋植物生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)制,而且可以用于指導(dǎo)農(nóng)作物的遺傳改良。水稻作為世界上最主要的糧食作物之一,同時(shí)也是單子葉植物研究的模式物種,對(duì)其進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄組的研究,既有利于理解植物發(fā)育的調(diào)控機(jī)制,也可以為其它多種作物的研究提供幫助。植物株型很大程度上由側(cè)生分枝的發(fā)育決定的。水稻中側(cè)生分枝包含營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期的分蘗和生殖生長(zhǎng)時(shí)期的穗分枝,這兩種分枝深刻的影響水稻的產(chǎn)量,因此是水稻遺傳改良的重要目標(biāo)性狀。本研究通過(guò)構(gòu)建覆蓋39個(gè)器官的轉(zhuǎn)錄組,建立了覆蓋水稻全生育期的表達(dá)譜,并且和擬南芥的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了比較研究,發(fā)現(xiàn)了大量的與穗分枝發(fā)育有關(guān)的基因。通過(guò)對(duì)這些基因的功能研究,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)主要由小RNA和轉(zhuǎn)錄因子組成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)協(xié)同調(diào)控了水稻側(cè)生分枝的發(fā)育。本論文的主要結(jié)果如下:1.利用Affymetrix Gene Chip Rice Genome Array對(duì)兩個(gè)秈稻品種珍汕97和明恢63進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,構(gòu)建了覆蓋全生育39個(gè)組織的基因表達(dá)譜,并且通過(guò)多種方式驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這些數(shù)據(jù)建立了一個(gè)新的水稻功能基因組研究的平臺(tái)。2.通過(guò)表達(dá)譜分析了各個(gè)組織在發(fā)育上的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)模式和器官發(fā)育的同源性之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雄蕊跟別的器官具有截然不同的基因表達(dá)模式,而愈傷和根細(xì)胞之間具有發(fā)育上的相關(guān)性。3.通過(guò)比較處于連續(xù)4個(gè)發(fā)育階段的幼穗的轉(zhuǎn)錄組,發(fā)現(xiàn)了2667個(gè)基因存在差異表達(dá)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有兩組基因從幼穗發(fā)育早期到后期,表現(xiàn)出相反的表達(dá)模式。第一組基因從早期到后期幼穗中,逐漸下調(diào)表達(dá),其中包含了多個(gè)已經(jīng)克隆的控制穗型態(tài)發(fā)育的基因,暗示這組基因可能與穗部枝梗發(fā)育有關(guān)。3個(gè)受到mi R156調(diào)控的SPL基因也出現(xiàn)在第一組基因中。而第二組基因則從早期到后期的幼穗中逐漸上調(diào)表達(dá),其中包含有多個(gè)與花器官發(fā)育有關(guān)的MADS基因。對(duì)兩組基因進(jìn)行GO分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子都被富集了,說(shuō)明轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)在穗型態(tài)發(fā)育過(guò)程中有著重要的作用。4.分別鑒定到2376個(gè)組織特異表達(dá)和7276個(gè)組成型表達(dá)基因,并且發(fā)現(xiàn)19個(gè)不受遺傳背景、生長(zhǎng)環(huán)境、外界刺激等影響的最穩(wěn)定表達(dá)的基因。5.通過(guò)表達(dá)譜的相似性,建立了水稻和擬南芥器官之間發(fā)育的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且發(fā)現(xiàn)11對(duì)雙向最匹配的器官。在這些器官中,兩個(gè)物種的直系同源基因表達(dá)豐度是保守的,但是超過(guò)一半的基因發(fā)生了表達(dá)模式的分化,說(shuō)明很多直系同源基因在兩個(gè)物種中可能發(fā)生了功能分化。6.比較了水稻和擬南芥組織特異表達(dá)基因和組成型表達(dá)基因,發(fā)現(xiàn)具有組織特異表達(dá)特點(diǎn)的基因往往也是物種特異的,而組成型表達(dá)基因則有大量的保守基因,并且組織表達(dá)特異的直系同源基因具有更快的進(jìn)化速度。7.超量表達(dá)mi R156導(dǎo)致分蘗極大增多,但是穗部分枝被嚴(yán)重抑制;而抑制mi R156則得到了和超量表達(dá)相反的表型,說(shuō)明mi R156正調(diào)控分蘗發(fā)育,但是負(fù)調(diào)控花序分生組織活性。因?yàn)楸籱i R156調(diào)控的SPL7,SPL14和SPL17都從幼穗發(fā)育的早期到后期逐漸下調(diào)表達(dá),因此推測(cè)這三個(gè)SPL基因可能調(diào)控了水稻的側(cè)枝發(fā)育。8.水稻中mi R529與mi R156共同調(diào)控SPL基因,超量表達(dá)mi R529得到了和超量表達(dá)mi R156相似的表型。9.SPL7單突變不影響水稻的株型;而抑制SPL14或者SPL17則可以得到和超量表達(dá)mi R156或者mi R529類似的表型,分蘗增加,穗部枝梗減少,說(shuō)明SPL基因抑制分蘗發(fā)育,但是促進(jìn)花序分生組織活性。SPL14和SPL17雙RNAi的材料增強(qiáng)了表型變化,說(shuō)明SPL基因可能是冗余控制水稻發(fā)育的。超量表達(dá)SPL7,SPL14和SPL17都導(dǎo)致分蘗的減少,但是穗部枝梗也減少,特別是每個(gè)一次枝梗上分化的二次枝梗數(shù)量,表明SPL還促進(jìn)小穗分生組織的分化。超量表達(dá)SPL基因可以部分恢復(fù)mi R156超量表達(dá)的表型。10.超量表達(dá)mi R172不影響分蘗發(fā)育,但是導(dǎo)致穗部一次枝梗減少,并且每個(gè)一次枝梗上分化的二次枝梗也減少;而抑制mi R172的表達(dá)也不影響分蘗發(fā)育,但是導(dǎo)致一次和二次枝梗都增加,說(shuō)明mi R172負(fù)調(diào)控花序分生組織活性,但是促進(jìn)小穗分生組織的分化。抑制mi R172的靶基因AP2類的SNB和Os TOE1得到了類似mi R172的表型變化;而超量表達(dá)SNB和Os TOE1則和抑制mi R172的表型類似,說(shuō)明mi R172對(duì)穗型的調(diào)控作用是通過(guò)靶基因?qū)崿F(xiàn)的。11.植物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明AP2類基因編碼轉(zhuǎn)錄抑制子,并且包含有轉(zhuǎn)錄抑制模體EAR結(jié)構(gòu)。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)證明AP2類蛋白質(zhì)可以和轉(zhuǎn)錄共抑制子ASP1互作,并且分別是AP2的EAR結(jié)構(gòu)和ASP1的CTLH結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了這種互作。遺傳分析結(jié)果證明了ASP1對(duì)AP2類基因調(diào)控穗分枝發(fā)育是必需的。12.基因表達(dá)分析表明mi R156和mi R172具有互補(bǔ)的表達(dá)模式,并且在SPL超量表達(dá)材料中,mi R172及其前體基因pri-mi R172b和pri-mi R172d上調(diào)表達(dá)。利用Ch IP,酵母單雜交和EMSA證明了SPL14可以直接調(diào)控mi R172的表達(dá)。遺傳學(xué)分析進(jìn)一步證明了SPL基因是通過(guò)mi R172促進(jìn)小穗分化的。13.PAP2/MADS34也通過(guò)抑制RCN基因促進(jìn)小穗分化�；虮磉_(dá)分析表明SPL基因正調(diào)控PAP2/MADS34的表達(dá),并且Ch IP和EMSA證明SPL14可以直接調(diào)控PAP2/MADS34的表達(dá),表明SPL基因也可可能通過(guò)PAP2/MADS34-RCN的途徑促進(jìn)小穗的分化。遺傳分析證明RCN1可以恢復(fù)SPL基因超量表達(dá)導(dǎo)致的小穗分化的異常。14.通過(guò)比較mi R156超量表達(dá)植株和野生型的幼穗,發(fā)現(xiàn)了大量的基因發(fā)生了差異表達(dá),包括很多已知的控制穗型發(fā)育的基因,如LAX1和RFL,并且這些基因同SPL基因共表達(dá),說(shuō)明SPL基因也可能通過(guò)這些基因調(diào)控穗分枝。遺傳學(xué)分析證明了LAX1和RFL對(duì)SPL基因的功能是必需的,并且酵母單雜交和EMSA證明SPL14可以結(jié)合LAX1的啟動(dòng)子。15.Ghd7調(diào)控SPL基因的表達(dá),并且遺傳學(xué)分析表明SPL基因的活性對(duì)Ghd7調(diào)控株高和穗分枝發(fā)育是必需的,但是Ghd7對(duì)抽穗期的作用獨(dú)立于SPL基因。

【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S511
【目錄】：
 

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本文編號(hào)：178777