水稻三个花器官发育关键基因和一个SUPERMAN-like基因的功能和表达分析

摘要

开展植物生殖发育(特别是花器官发育)的遗传基础研究，在理论和实践上都具有重要的意义。利用三种水稻花器官发育突变体，本研究分析了水稻三个花器官发育关键基因SNG(Supper-Number Glume)、OsMADS6和OsJAG的表达和功能。此外，对一个与拟南芥花器官发育关键基因SUPERMAN类似的水稻基因ZOS2-01也进行了表达与功能分析。主要结果如下：
　　 1、SNG的研究：突变体sng的营养生长和花序发育均正常，但小穗明显畸形、膨大。在内外稃发育的早期，sng的花器官原基发育方向发生了改变，其浆片、雄蕊和雌蕊完全退化，而形成多轮呈对称分布的增生稃片，这些增生稃片的中央有一个明显向上延伸的柄，因而呈现典型的“花中花”表型。由此推测SNG是一个控制水稻花器官原基发育起始与分生组织确定性的关键基因。精细定位已将SNG的候选基因确定为两个磷酸酯酶基因SNG1和SNG2。定量PCR和GUS表达分析表明，SNG1在检测的各个组织部位都有表达；SNG2在水稻叶和幼穗中表达较强，其它部位表达较弱。遗传互补试验表明，SNG2能使突变体花器官基本恢复正常。因此确认SNG2为SNG基因。亚细胞定位显示，SNG1和SNG2都定位在细胞核内。定量PCR分析花器官特征基因的表达结果表明，突变体中A类基因明显上调，而B类和C类以及E类的OsMADS7/8和AGL6类基因的表达皆明显下调。原位杂交的结果也表明，OsMADS7/8主要在类稃片原基表达，而OsMADS6/17/3在类稃片原基中表达很弱。推测SNG可能直接或间接调控B类、C类以及AGL6-like基因的表达。
　　 2、OsJAG的研究：Osjag突变体的营养生长基本正常，但四轮花器官都发生了明显变异。虽然Osjag的四轮花器官原基都能够在正确的位置起始发育，但它们的发育方向却发生了改变，最明显的改变就是6枚雄蕊均同源转化为雌蕊。精细定位将OsJAG候选基因确定为一个单C2H2锌指基因。互补试验证实该基因就是OsJAG基因。用定量PCR和原位杂交分析花器官特征基因的表达，结果表明，C类基因OsMADS3/58、DL基因和OsMADS6的表达明显上调，表达区域也由第四轮扩展到第三轮；而OsMADS17表达却明显下调。这个结果说明，OsJAG可能负调控OsMADS3/58、DL以及OsMADS6基因的表达。
　　 3、OsMADS6的研究：Osmads6的营养生长和花序发育均正常，但小穗明显畸形、膨大。虽然Osmads6的各花器官原基都能够在正确的位置起始发育，但发育方向却发生了改变，内稃、浆片、雄蕊和心皮均同源转化成外稃或外稃状结构，同时花的决定性丧失。这说明OsMADS6是一个控制水稻花器官发育和分生组织确定性的关键基因。OsMADS17也是一个AGL6-like基因，但对它进行RNA干扰并没有观察到异常的表型。将OsMADS17的RNAi载体转到Osmads6突变体中，结果发现转基因植株(双突变体)的营养生长严重受阻，不能分化出花器官。定量PCR分析表明，A类基因在双突变体中表达显著下调，而OsMADS1的表达却明显上调。该结果说明，双突变体的表型可能是由于A类基因下调和OsMADS1基因上调引起的。
　　 4、ZOS2-01的研究：根据拟南芥SUPERMAN(SUP)基因的功能结构域，从水稻中克隆了一个SUP类似基因ZOS2-01。定量PCR分析表明，ZOS2-01几乎在所有组织和器官中表达，但在幼穗中的表达量最高。这暗示ZOS2-01可能在水稻营养生长和生殖发育中起作用。然而，采用RNA干扰和过量表达的方法减少或增加ZOS2-01的表达并没有影响水稻的生长发育，也没有影响水稻花器官发育。这些结果表明，尽管水稻ZOS2-01与拟南芥SUP具有相同的功能结构域，但它们的表达和功能可能已出现了分化，或者水稻中存在多个功能冗余的SUP类似基因。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一章 文献综述

第二章 水稻花发育基因SNG的功能验证和表达分析

第三章 水稻花器官发育基因OsJAG的功能验证和表达分析

第四章 水稻花器官发育关键基因OsMADS6的功能验证

第五章 水稻单C2H2型锌指基因ZOS2-01的表达与功能分析

全文小结

参考文献

附 录

致谢