miRNA调节水稻籽粒灌浆充实的分子机制研究

摘要

大量的研究结果和生产实践均表明，水稻弱势籽粒的充实度差已成为现代水稻品种或组合产量潜力进一步提高的瓶颈。充实度差不仅导致结实率低、高产潜力不能充分发挥，而且严重影响稻米品质。本文从水稻不同粒位籽粒的开花时间和粒重的关系，强、弱势粒灌浆充实过程中miRNA表达的动态变化以及差异表达miRNA的功能入手，探讨了水稻强、弱势粒的粒位效应，miRNA在水稻强、弱势粒灌浆充实过程中的变化动态，强、弱势粒差异表达miRNA在调节水稻籽粒灌浆充实中的作用机理和分子机制。研究结果如下：　　1、颍花开放时间、籽粒粒重和强、弱势粒的分布均具有明显的粒位效应。水稻颖花的开放顺序在同一稻穗上基本遵循从外向内，从上向下的规律，同一枝梗（包括一次枝梗和二次枝梗）上顶一粒先开花，然后由下而上逐渐开放；粒重表现为同一枝梗一次枝梗上着生的籽粒粒重大于二次枝梗：一次枝梗近轴端着生籽粒粒重最高，二次枝梗顶粒粒重最高，且一、二次枝梗着生籽粒均表现为亚顶粒粒重最低；根据粒重高低，选取粒重的前20%作为强势粒，粒重的后20%作为弱势粒，结果表明强势粒主要分布于一次枝梗的中下部，弱势粒主要着生在稻穗中、下部一次枝梗上最后两个二次枝梗除顶粒以外的籽粒。　　2、利用大规模平行测序技术对水稻强、弱势粒发育过程中五个时期的小RNA进行测序，发现457个已知miRNA在水稻籽粒灌浆过程中时序性表达，其中多数miRNA在强、弱势粒中随籽粒灌浆进程表达量逐渐升高，且在强、弱势粒灌浆前中期半数以上的miRNA在强势粒中的表达量均高于弱势粒，通过生物信息学分析鉴定的80个新miRNA在强、弱势粒中也差异性表达；进一步借助降解组测序为263个已知miRNA鉴定了662个靶基因，并通过对强、弱势粒差异表达miRNA的靶基因进行分析，发现miR156、miR164、miR167、miR397、miR1861、miR1867等的靶基因参与了水稻籽粒的生长发育、激素稳态和淀粉合成等多种代谢过程和信号转导路径，表明miRNA在调节水稻籽粒灌浆过程中具有重要的作用，且miRNA在水稻强、弱势粒灌浆过程中差异性表达可能是导致强、弱势粒异步灌浆的重要原因。　　3、借助靶基因模拟物（Target mimics，MIM）和随机短片段靶基因模拟物(Short Tandem Target Mimic，STTM)低表达miRNA技术，成功构建了8个胚乳特异启动子Gt13a驱动的MIM低表达miRNA载体，11个胚乳特异启动子Gt13a驱动的STTM低表达miRNA载体，35个组成型启动子d35s驱动的低表达miRNA载体，为研究强、弱势粒灌浆充实过程中差异表达miRNA在水稻籽粒灌浆充实过程中的功能，以及miRNA在水稻生长发育、逆境响应中的作用和分子机制提供了基础材料。　　4、在水稻籽粒灌浆充实过程中，miR167在强、弱势粒中时序性和差异性表达，且miR167的表达量与水稻籽粒的灌浆速率呈负相关关系。采用水稻胚乳特异启动子Gt13a，利用MIM和STTM在水稻胚乳中低表达miR167，结果表明：MIM167和STTM167低表达miR167的转基因株系胚乳中，糙米的粒重均得到显著提高，miR167的表达量显著降低，miR167的靶基因和生长素合成相关基因的表达量也受到抑制。另外，ARF8/miR167与糙米粒重呈显著负相关关系，ARF25/miR167和IAH/miR167与糙米粒重呈显著正相关关系，且miR167家族所有成员启动子区域均含有丰富的生长素应答因子响应元件( AuxRE)，说明miR167的靶基因ARF8、ARF17、ARF25和IAH可能反馈调节miR167的表达，miR167、miR167靶基因及生长素之间存在复杂的调控网络，且miR167、miR167靶基因及生长素之间的动态平衡在调节水稻籽粒的灌浆充实中具有重要的作用。

目录

第一个书签之前