水稻光敏感核不育基因pms3的克隆與廣親和基因S5的功能研究.pdf

1、水稻是重要的糧食作物之一，如何更加有效地提高水稻產(chǎn)量是全世界都關注的重要問題之一。水稻光敏感核不育(photoperiod-sensitivegeniemalesterile，PSMS)系(農(nóng)墾58S)的發(fā)現(xiàn)與利用是水稻育種的又一次突破。利用不同雜交組合，前人已對控制這種光敏感核不育的基因進行了定位與遺傳分析，研究發(fā)現(xiàn)pms3是直接導致農(nóng)墾58S與農(nóng)墾58育性分離的基因。本研究主要是分離克隆了pms3基因并對其功能進行了深入研究。pms

2、3位于第12染色體上，比較測序發(fā)現(xiàn)，pms3在農(nóng)墾58與農(nóng)墾58S中僅存在一個SNP差異。RT-PCR與RACE分析發(fā)現(xiàn)該定位區(qū)間存在多個轉錄本，我們分別將它們命名為Transcript-1、Transcript-2與Transcript-3。以農(nóng)墾58S為轉化受體，超量表達Transcript-1可以使農(nóng)墾58S在長日照條件下花粉育性恢復。通過對Transcript-1的表達分析，我們發(fā)現(xiàn)Transcript-1的表達受光周期調控，在

3、長日照條件下的表達顯著高于短日照條件;對4個不同發(fā)育時期的幼穗進行了更為精細的表達分析，結果顯示在長日照條件下，Transcript-1在農(nóng)墾58S中的表達顯著低于農(nóng)墾58;而在短日照條件下，二者表達一致，不存在表達差異。結合遺傳轉化分析，我們確定Transcript-1就是我們尋找的pms3基因。我們進一步對pms3區(qū)間的DNA甲基化程度進行了分析，希望能找出pms3在兩個親本中表達差異的原因。結果顯示農(nóng)墾58與農(nóng)墾58S在pms3區(qū)

4、間的DNA甲基化程度確實存在差異，而且編碼區(qū)與啟動子區(qū)域具有相反的DNA甲基化趨勢:農(nóng)墾58S中啟動子區(qū)域的CG甲基化程度明顯高于農(nóng)墾58，我們推測農(nóng)墾58S中pms3的表達下降與該基因啟動子區(qū)域DNA甲基化程度升高有密切的聯(lián)系。我們進一步利用生物信息學的方法預測pms3編碼的蛋白質及其可能的功能，結果只預測到了一段很短的ORF。我們利用缺失轉化的方法進一步驗證pms3是否編碼蛋白，遺傳轉化結果發(fā)現(xiàn)pms3是通過RNA發(fā)揮作用，編碼一個

5、長鏈非編碼RNA(longnon-codingRNA);同時們還發(fā)現(xiàn)pms3中包含SNP的52bp序列是必不可少的。RNA二級結構預測發(fā)現(xiàn)該區(qū)間存在類似莖環(huán)的二級結構，可能形成smallRNA，通過對水稻smallRNA數(shù)據(jù)庫的搜索，我們也在該區(qū)間確實找到了幾個smallRNA。我們用stem-loopRTPCR的方法驗證了它們的存在。綜合上述結果，我們推測該區(qū)間形成的smallRNA與DNA甲基化存在一定的聯(lián)系，從而調節(jié)pms3的表達

6、。我們還對定位區(qū)間其它基因進行了遺傳轉化與表達分析:位于pms3上游的基因AK111270超量表達之后，使農(nóng)墾58S短日照育性恢復推遲。表達分析發(fā)現(xiàn)，在AK111270超表達植株中，pms3的表達下降，DNA甲基化分析發(fā)現(xiàn)pms3啟動子區(qū)域DNA甲基化程度明顯上升。對該區(qū)間的smallRNA進行檢測，發(fā)現(xiàn)AK111270超表達植株中smallRNA的表達上升。我們推測AK111270的超量表達，使其內源的同源序列（即pms3的啟動子區(qū)域

7、）發(fā)生了RNA介導的DNA甲基化(RdDM)，使pms3的表達下降，從而使農(nóng)墾58S短日照育性推遲恢復。位于pms3反鏈上的基因Transcript-3超量表達后，對花粉的育性沒有影響，但是它在小穗中特異表達，這種特異的表達模式暗示Transcript-3肯定有特異的功能?？傊?，定位區(qū)間內的轉錄本之間在結構上的緊密聯(lián)系暗示它們的功能也可能相互聯(lián)系，相互影響。
　　水稻秈、粳亞種間的雜種優(yōu)勢的利用是提高水稻產(chǎn)量的又一重要途徑。但是秈

8、、粳雜種F1普遍存在的不育或者半不育現(xiàn)象使得秈、粳亞種間雜種優(yōu)勢的利用受到極大的限制。在水稻中存在一類特殊的種質資源稱為廣親和品種，它們分別與秈稻和粳稻雜交，其后代均表現(xiàn)正?？捎?。鼬基因是控制秈粳廣親和性狀的一個主效基因。本研究的目的就是分離克隆水稻廣親和基因舾，并對該基因功能、作用機理進行深入的研究。筋編碼一個天冬氨酸蛋白酶，比較測序發(fā)現(xiàn)，粳稻與秈稻S5編碼區(qū)存在兩個氨基酸的差別，分別由粳稻中的亮氨酸(Leu)與纈氨酸(Val)替換為