含有主效紫鞘基因的水稻染色体片段代换系Z519的鉴定及PSH1定位

摘要

随着生活水平的不断提高，人们除了对粮食产量要求较高外，对其品质和外观特性要求也日益增加。花青素性状是一种肉眼可见，广受人们喜爱的天然植物色素，它在人们日常生活和一些食品加工中具有极其重要的作用。同时，花青素在杂种纯度鉴定、目的基因的瞬时表达以及转基因的指示中具有非常重要的作用。本研究鉴定了一个携带主效紫鞘基因的水稻染色体代换片段系Z519，Z519是以粳稻日本晴作为受体、西南大学水稻研究所选育的优良紫鞘恢复系R225为供体，通过高代回交和自交并结合分子标记辅助选择培育而出的。本研究从分子水平鉴定了Z519的染色体代换片段，从形态学、生理学和重要农艺性状全面分析了Z519，并以日本晴与 Z519构建的F2分离群体对水稻紫鞘基因进行了遗传分析和基因定位、候选基因预测和测序、及候选基因的亚细胞定位、基因表达模式分析。
　　本研究主要内容包括：⑴在前期研究基础上，本实验以Z519代换片段上的82个SSR标记及36个代换片段外的SSR标记对10株Z519进行代换片段鉴定和遗传背景检测。其10个单株的代换片段一致，且没有检出供体的其他残留片段，表明 Z519已纯合。Z519共含有来自R225的16个代换片段，分布于除第10染色体上的其他11条染色体上。其中最短代换长度为0.45Mb，最长代换长度为17.67Mb，平均长度为6.85Mb，总代换长度合计109.62Mb。⑵水稻染色体片段代换系Z519的芽鞘长到近3mm时，其尖端开始出现紫红色线条，紫红色线条随着芽鞘的不断伸长和叶片的伸出，叶鞘紫色逐渐加深。随着生育进程的推进，紫色条纹也在柱头、茎的维管束、叶边缘等部位呈现。而受体日本晴的各部位均呈绿色。与受体日本晴相比，Z519的千粒重极显著高于日本晴，株高、主穗穗长、主穗总粒数、主穗实粒数和结实率与日本晴无显著差异。可见Z519在基因聚合育种中具有重要的利用价值。⑶分别对苗期日本晴和Z519的地上部整株，抽穗期的日本晴和Z519的叶和鞘进行光合色素含量和花青素含量的测定，结果表明，Z519的苗期的地上部分叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均显著低于日本晴的含量，类胡萝卜素含量与日本晴没有显著差异。抽穗期的Z519叶中的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量与日本晴均没有显著差异。抽穗期的Z519叶鞘中的类胡萝卜素含量显著低于日本晴，而叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量与日本晴无显著差异。Z519的叶鞘中的花青素含量显著高于日本晴，而叶中的花青素含量与日本晴无显著差异。⑷以日本晴为母本与紫鞘代换系Z519杂交构建的F1和F2作为遗传分析和定位群体，F1鞘色均表现为紫鞘，且F2代出现性状分离，紫鞘（724）：绿鞘（276）符合3:1的分离比（χ2=1.67≤χ20.05=3.84），表明紫鞘性状由显性单基因调控。并将其定位于第1染色体 In/Del标记L03和SSR标记L01之间37.8Kb的区域，命名为PSH1。⑸根据Gramene网站上的基因注释信息，在此区间内有6个预测基因，对其中2个可能的基因进行了测序分析，结果表明，一个编码质体ATP/ADP转运蛋白的LOC_Os01g45910基因的第255个碱基后增加了GTG3个碱基，即增加了一个氨基酸（甘氨酸）。所以初步判定LOC_Os01g45910是PSH1的候选基因。⑹通过Real-time PCR分析PSH1基因在Z519苗期和抽穗期各器官的表达情况，结果表明，在苗期的鞘中PSH1基因表达量最高，叶中次之，在根中几乎不表达。在抽穗期，PSH1基因除在幼穗和根中的表达量几乎为零外，在其他的不同部位均有表达，在倒二叶鞘中的表达量最高，然后依次是剑叶、倒一叶鞘、倒二叶和茎。⑺对光合作用色素合成相关基因进行表达分析表明，叶绿素和类胡萝卜素代谢途径以及叶绿体发育和质体编码基因均有不同程度的下调。⑻通过构建亚细胞定位载体，转水稻原生质体的结果表明，PSH1编码蛋白定位于叶绿体中。

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第1章 文献综述

1.1 染色体片段代换系的构建及其应用

1.2 植物花青素

1.3 水稻紫色性状遗传及紫色叶鞘的研究进展

第2章 引 言

第3章 材料与方法

3.1 实验材料

3.2 所用分子生物学试剂和试剂盒

3.3 所用主要仪器设备

3.4 实验方法

第4章 结果与分析

4.1 水稻染色体片段代换系 Z519 染色体代换片段的鉴定和遗传背景检测

4.2 水稻染色体片段代换系Z519的表型

4.3 水稻染色体片段代换系Z519的主要农艺性状的分析

4.4 水稻染色体片段代换系Z519的光合色素和花青素含量分析

4.5 Z519的水稻紫鞘的遗传分析、基因定位与候选基因测序

4.6 PSH1候选基因的表达模式分析

4.7 水稻Z519的光合色素相关基因表达分析

4.8 PSH1蛋白的亚细胞定位

第5章 讨 论

5.1 Z519紫鞘代换系是一个有重要应用价值的材料

5.2 PSH1是一个尚未报道的水稻紫鞘基因

5.3 Z519紫鞘可能与花青素的转运有关

第6章 结 论

参考文献

致谢

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