增强Terminal Ear1-Like基因的表达提高水稻产量

摘要

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，水稻产量关系到亚洲乃至世界的粮食安全。水稻产量是一个复杂的数量性状，受到株高、千粒重、分蘖数等诸多因素的影响。我们发现一个生长势强、植株高、叶片大、千粒重显著增加的T-DNA突变体（命名为HSA-20）。本文克隆了导致突变体HSA-20表型变化的基因，并研究了该基因提高水稻产量方面的功能。
　　对HSA-20表型分离群体的研究表明，外源T-DNA与突变体的表型变化共分离。用TAIL-PCR确定了HSA-20中T-DNA插入在第一号染色体的长臂上的OsTEL基因和OsGAP基因（一个编码包含RabGAP/TBC结构域蛋白的基因）之间的间隔区。T-DNA的插入没有直接破坏任何已知或者推测的基因。RT-PCR结果表明突变体中Os TEL的表达量显著提高，而OsGAP的表达量没有变化。因此，我们推测是T-DNA中的CaMV的35S启动子中的增强了显著增强了相邻的OsTEL的表达，从而导致了HSA-20的表型变化。
　　构建了能够在转基因水稻中增强OsTEL基因表达的T-DNA载体，利用农杆菌转化法获得了257个过量表达Os TEL基因的独立转化体(eOsTEL)。这些转基因株系中绝大多数都表现出类似HSA-20的表型。qRT-PCR分析转基因植株小穗中OsTEL的转录水平，发现有表型变化转基因植株小穗中OsTEL的表达量上调了70倍以上;反之，则没有显著变化。这个结果表明过量表达OsTEL是导致突变体HSA-20的高产表型的充要条件。
　　为了研究增强OsTEL表达的转基因基因水稻的增产潜力，对转基因品系eOsTEL-3分别在浙江湖州和海南三亚两地进行了田间测产试验。结果eOsTEL-3比野生型对照分别增产了18.5％和12.3％。这表明OsTEL基因在提高水稻增产上可能有较大的应用价值。
　　检测了一些优良水稻品种中OsTEL基因的表达情况，结果表明这些品系和XS-134中的OsTEL的表达量相当，这说明OsTEL基因有可能用来进一步提高这些优良品种的产量。
　　RNA-seq分析表明，过量表达OsTEL基因导致约2000个基因的表达发生显著改变，其中1748标注基因中的63.2％都富集在和RNA相关的两条通路上，分别是mRNA监测通路和RNA转运通路。利用qRT-PCR分别检测了转基因水稻eOsTEL的茎尖和幼穗中一些已经发现的与产量相关基因的表达情况，结果表明这些基因的表达没有显著变化。
　　在水稻中过量表达了水稻自身以及其他物种中的OsTEL同源基因，结果发现过表达玉米中的TE1基因的水稻表现出和eOsTEL类似的表型，而过表达其他几个基因的转基因植株都没有明显的表型变化。
　　本研究表明TEL是一个能调控多个产量相关性状的多效基因。TEL基因植物中特有的一类极为保守的基因，很可能用于改良其它禾本科作物甚至其它科作物的产量。

目录

论文说明

声明

致谢

缩略词表

摘要

文献综述

1 TE1-like RNA结合蛋白的研究进展

1．1 引言

1．2 植物中的RNA结合蛋白及其功能

1．3 Mei2蛋白

1．4 TEL基因及其功能

1．5 小结与展望

参考文献

2 禾本科作物产量相关性状及其分子基础

2．1 引言

2．2 产量相关性状

2．3 产量相关性状的分子调控

2．4 小结与展望

参考文献

研究论文

引言

1 材料与方法

1．1 植物材料

1．2 菌株和质粒载体

1．3 主要工具酶

1．4 常用试剂、核酸、蛋白分子质量及试剂盒

1．5 引物

1．6 各种培养基的配置

1．7 常用生化试剂和仪器

1．8 基本分子生物学克隆操作

1．9 Southern blot

1．10 突变体HSA-20外源T-DNA插入位点确定

1．11 蛋白质SDS-PAGE电泳

1．12 总RNA提取、纯化和cDNA第一链的合成

1．13 RT-PCR和qRT-PCR

1．14 OsTEL基因的系统发育分析

1．15 过表达OsTEL基因和其它相关基因的转化载体的构建

1．16 农杆菌介导转基因水稻方法

1．17 农艺性状和产量的统计分析

1．18 eOsTEL中OsTEL基因的转录和表达水平分析

1．19 p35S的增强子的GUS染色分析

1．20 eOsTEL转基因植株的组织学分析

1．21 成熟水稻种子的SEM(扫描电镜)分析

1．22 OsTEL-GFP融合蛋白在烟草叶片细胞中的亚细胞定位

1．23 eOsTEL转基因植株的DNA测序和分析

2 结果与分析

2．1 突变体珠系HSA-20与转基因受体珠系有显著的表型差异

2．2 突变体表型的分子机制分析

2．3 HSA-20中T-DNA旁侧序列过量表达分析

2．4 eOsTEL转基因植株的表型分析

2．5 eOsTEL中OsTEL基因的转录水平和表达量都显著上调

2．6 eOsTEL转基因植株有显著的增产潜力

2．7 其他品种中OsTEL基因的表达情况

2．8 eOsTEL植株的组织和细胞水平分析

2．9 不同启动子调控OsTEL基因表达的转基因水稻的表型

2．10 GFP-OsTEL融合蛋白的定位

2．11 eOsTEL植株的DNA测序分析

2．12 eOsTEL中其它产量相关基因的表达情况

2．13 eOsTEL中PLA1基因和PLA3基因的表达情况

2．14 OsTEL蛋白质不同结构域的功能鉴定

2．15 OsTEL基因的系统发育分析

2．16 水稻中其它Mei2-like基因和其它物种的TEL基因的功能分析

3 讨论与展望

3．1 TEL基因的功能

3．2 增强OsTEL基因的表达对水稻组织和细胞的影响

3．3 OsTEL基因的应用前景

3．4 OsTEL基因对相关产量性状调控的机制

3．5 OsTEL蛋白质的结构域的功能分析

3．6 OsTEL的同源基因的功能分析

3．7 展望

参考文献

附录