玉米矮稈材料Dwarf11(D11)細(xì)胞生理學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究.pdf

1、株高是重要的農(nóng)藝性狀之一，影響到植株抗倒性、光合效能與收獲指數(shù)。矮稈性狀的研究不僅有助于豐富株高調(diào)控的理論基礎(chǔ)，也能為株型改良等育種工作提供科學(xué)依據(jù)與實(shí)踐素材。本研究對(duì)玉米顯性矮稈材料Dwarf11(D11)的細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)特征進(jìn)行了解析，重點(diǎn)研究了矮稈基因D11的表達(dá)調(diào)控。研究所得結(jié)果有助于矮稈基因D11調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析，也能為后續(xù)D11基因的克隆與作用機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。主要結(jié)果如下:
　　1、玉米矮稈材料D11是自發(fā)突變，表現(xiàn)

2、為節(jié)間縮短、株高降低。徒手切片、掃描電鏡觀察的結(jié)果表明:株高正常植株莖稈橫切面維管束多且分布規(guī)則，維管束附近的細(xì)胞分布規(guī)則、大小均勻。矮稈材料D11莖稈橫切面維管束少且分布散亂，細(xì)胞分布無(wú)序、大小不一。株高正常植株縱切面細(xì)胞排列整齊、規(guī)則。矮稈材料D11細(xì)胞相互擠壓、排列散亂。株高正常植株與矮稈材料D11在細(xì)胞面積上無(wú)顯著差異。在細(xì)胞長(zhǎng)度上，株高正常植株與矮稈材料D11間存在極顯著差異。矮稈材料D11的矮稈性狀主要是由于細(xì)胞縱向伸長(zhǎng)受到

3、抑制所導(dǎo)致。
　　2、用不同濃度赤霉素溶液處理株高正常植株和矮稈材料D11，矮稈材料D11的苗高、第二葉鞘長(zhǎng)顯著增加，表明矮稈材料D11對(duì)赤霉素的施用敏感。已經(jīng)報(bào)道的玉米顯性矮稈材料D8和D9對(duì)赤霉素施用不敏感。矮稈材料D11的內(nèi)源赤霉素含量顯著低于株高正常植株，D11是屬于赤霉素缺陷型矮稈材料。
　　3、對(duì)矮稈材料D11中赤霉素通路基因的表達(dá)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，與株高正常植株相比，矮稈材料D11中編碼CPS酶、KS酶、KA

4、O酶基因的表達(dá)量顯著降低，編碼KO酶基因ZmKO2的表達(dá)量顯著降低，編碼GA20ox酶的4個(gè)基因的表達(dá)量顯著降低，編碼GA3ox酶的2個(gè)基因的表達(dá)量降低（未達(dá)顯著水平）。編碼GA2ox酶7個(gè)基因的表達(dá)量在矮稈材料D11中變化趨勢(shì)不盡相同。其中，4個(gè)基因表達(dá)量升高（未達(dá)顯著水平），3個(gè)基因表達(dá)量顯著降低。玉米矮稈材料D11中赤霉素信號(hào)通路負(fù)向調(diào)節(jié)基因d8和d9的表達(dá)未發(fā)生顯著變化。玉米矮稈材料D11中，赤霉素通路基因的表達(dá)存在著復(fù)雜的調(diào)控

5、機(jī)制。
　　4、鄭58核背景高世代回交群體(BC5)中的株高正常植株和株高矮化植株D11的幼莖進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果表明，相對(duì)于株高正常植株，矮稈材料D11中共發(fā)掘到306個(gè)差異表達(dá)的基因，其中171個(gè)上調(diào)、135個(gè)下調(diào)。選擇51個(gè)差異表達(dá)的基因，進(jìn)行qRT-PCR分析。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和qRT-PCR揭示的基因表達(dá)量之間的決定系數(shù)R2為0.60。差異表達(dá)的基因參與眾多生物學(xué)過(guò)程，包括細(xì)胞伸長(zhǎng)、莖稈發(fā)育、激素代謝運(yùn)輸、光合作用、糖代謝運(yùn)輸

6、等。GO和Pathway富集分析的結(jié)果表明，差異表達(dá)基因顯著富集的通路之一是與糖代謝相關(guān)。
　　5、Mo17核背景高世代回交群體(BC5)中的株高正常植株和株高矮化植株D11的幼莖進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果表明，相對(duì)于株高正常植株，矮稈材料D11中共發(fā)掘到2537個(gè)差異表達(dá)的基因，其中1120個(gè)上調(diào)、1417個(gè)下調(diào)。選擇60個(gè)差異表達(dá)的基因，進(jìn)行qRT-PCR分析。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和qRT-PCR揭示的基因表達(dá)量之間的決定系數(shù)R2為0.72。

7、差異表達(dá)基因參與多個(gè)生物學(xué)過(guò)程，包括細(xì)胞擴(kuò)增、微管發(fā)育、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、葉綠素合成和功能、激素代謝運(yùn)輸?shù)?。GO和Pathway富集分析的結(jié)果表明，差異表達(dá)基因最顯著富集的通路是糖酵解。
　　6、發(fā)掘兩套不同核背景（鄭58和Mo17）共同鑒定的差異表達(dá)基因，對(duì)共同鑒定的差異表達(dá)基因進(jìn)行共表達(dá)分析。結(jié)果表明，參與葡萄糖合成和代謝的磷酸葡萄球菌酶基因pgm2與海藻糖代謝所需海藻糖磷酸合酶蛋白基因功能性關(guān)聯(lián)。編碼糖酵解過(guò)程重要酶基因GAPC1