冬小麦淀粉合成关键基因TaSSIVb特性分析与等位变异挖掘

摘要

小麦淀粉是人类能量和碳水化合物的主要来源之一，约占籽粒干重的70％。小麦籽粒中淀粉合成由一系列酶催化形成，SSIV作为淀粉合成关键酶之一，在拟南芥和水稻中，分别对叶片或籽粒淀粉颗粒的形态、数目和大小有重要影响。在小麦中SSIV由三个部分同源基因编码，但其表达特性与基因功能尚不清楚。本研究拟在分析三个部分同源基因组织表达特异性的基础上，挖掘新的功能性等位变异，创制双/三突变体。同时结合前期创制的ssIV-D/agp-B1双突变体，分析TaSSIVb-D基因突变对籽粒发育不同时期TaAGP.L-B1等10个淀粉合成关键基因的表达模式和淀粉含量的影响。主要研究结果如下: 1、TaSSIVb三个部分同源基因在叶片和籽粒中均有表达，但叶片中表达水平较高。TaSSIVb三个部分同源基因在叶片中的表达水平均显著高于籽粒，籽粒中表达量不足其叶片的1/10。在叶片和籽粒中，TaSSIVb-A基因表达量均显著低于TaSSIVb-B和TaSSIVb-D基因。在叶片中，TaSSIVb-D基因表达量略高于TaSSIVb-B基因。而在籽粒中，TaSSIVb-D基因表达量却略低于TaSSIVb-B基因。TaSSIVb-B和TaSSIVb-D基因在开花后第6天和第30天表达水平较高，第12-24天表达水平较低，仅为开花后第6天时的1/2左右。 2、共获得TaSSIVb-A和TaSSIVb-B基因预测功能性点突变5个，聚合功能性等位变异创制了TaSSIVb双突变和三突变体。利用TILLING技术在实验室前期创建的京411EMS诱变群体中筛选到TaSSIVb-A基因点突变42个，突变密度为1/276.68Kb，其中包括10个错义突变，预测携带G5734A、G4445A、C5809T突变的错义突变株系E228、E325和E359对蛋白功能有严重影响;筛选到TaSSIVb-B基因点突变30个，突变密度为1/393.87Kb，其中包括1个剪接突变和9个错义突变，预测携带G3624A、G6144A突变的错义突变株系E1246、E2-2-321会影响其蛋白功能。上述5个预测功能性点突变均能稳定遗传至下一代，其中E228、E325和E1246为纯合突变系;E359和E2-2-321中检测到非突变株，为杂合突变系。通过杂交聚合TaSSIVb三个部分同源基因功能性等位变异，最终获得TaSSIVb纯合双突变材料13株、三突变1株。 3、TaSSIVb-D和TaAGPL-B1基因双突变影响其它淀粉合成关键基因表达并导致籽粒淀粉含量和组成显著改变。TaSSIVb-D和TaAGPL-B1基因间存在一定协同作用，在ssIV-D/agp-B1双突变体籽粒中，TaSSIVb-D、TaAGP.L-B1、TaAGPSS、TaSSI和TaSBEII基因表达量均有显著下降，TaGBSSII基因表达量与野生型相比有显著上升。ssIV-D/agp-B1双突变籽粒总淀粉含量比agp-B1单突变体下降更为明显，比野生型低8.38％。并且其直链淀粉含量高出野生型4.47％。 本研究明确了TaSSIVb三个部分同源基因的表达特性，创制了TaSSIVb基因双突变、三突变体，并且阐明了TaSSIVb-D基因突变对籽粒中其它淀粉合成基因表达模式的影响，为小麦TaSSIVb基因功能研究与小麦分子改良提供了材料和理论基础。