水稻苗期低溫耐受性的遺傳分析和OsMYB30調(diào)控低溫敏感性的功能鑒定.pdf

1、水稻作為世界上的主要糧食作物之一，其生長和發(fā)育受到低溫脅迫的制約。研究水稻對低溫應(yīng)答的遺傳基礎(chǔ)，挖掘更多低溫抗性相關(guān)的基因資源，將有助于深入解析水稻低溫應(yīng)答的分子機理和對水稻低溫抗性進(jìn)行遺傳改良。本課題分為兩個部分，第一部分是從正向遺傳學(xué)角度入手，對529份水稻的自然種質(zhì)資源進(jìn)行苗期低溫脅迫，利用關(guān)聯(lián)分析技術(shù)(GWAS)挖掘與水稻低溫抗性有關(guān)的遺傳和基因資源。第二部分是解析一個MYB調(diào)控因子OsMYB30在低溫應(yīng)答中的調(diào)控機理。

2、　　第一部分的研究中對529份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行了兩種不同程度的低溫脅迫（較為緩和的自然低溫脅迫與急劇的4℃低溫脅迫），共采集到苗期16個性狀的表型數(shù)據(jù)，對所有表型數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩種低溫脅迫下的表型數(shù)據(jù)之間不具有相關(guān)性。同時也對529份水稻種質(zhì)資源中的秈稻亞群、粳稻亞群為群體分別進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，并對檢測到的位點進(jìn)行整合。本次研究中，以529份水稻種質(zhì)資源為群體進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共檢測到132個位點，發(fā)現(xiàn)有12個位點在兩種低溫脅迫下

3、的表型數(shù)據(jù)中均被檢測到。隨后對關(guān)聯(lián)得到的132個位點與已經(jīng)發(fā)表的與水稻低溫抗性相關(guān)的QTL(Quantitative trait locus)進(jìn)行比較分析，有68個位點與已經(jīng)報道的低溫相關(guān)的QTL相重疊。又結(jié)合本組一套低溫脅迫的芯片數(shù)據(jù)，從132個位點200kb范圍內(nèi)(Lead SNP上下游各100kb)篩選到102個候選基因，繪制了芯片熱圖，結(jié)果顯示這些基因在表達(dá)水平上受到低溫脅迫的上調(diào)或下調(diào)。接下來，對位點范圍內(nèi)一個已報道參與抗冷的

4、基因OsMYB2和一個未發(fā)表的基因07g進(jìn)行單倍型分析，兩個基因在529群體中存在4種主要的單倍型，單倍型之間的表型差異顯著，所屬不同單倍型的品種具有顯著的秈粳分化及緯度分布的差異。同時，也對所有品種進(jìn)行抗冷性評估，在自然低溫脅迫條件下篩選出114份抗冷(CT)品種和143份冷敏感(CS)品種，在急劇低溫脅迫條件下，篩選出123份不敏感(CSI)品種和131份敏感(CSS)品種。相比于冷敏感(CS)品種，抗冷(CT)品種以粳稻為主，具有

5、更廣泛的地理分布。此外，在兩種低溫脅迫條件下，對低溫均不敏感的品種（CT與CSI重疊的品種）與低溫敏感的品種（CS與CSS重疊的品種）相比，也具有秈粳及緯度分布的差異。上述結(jié)果肯定了低溫適應(yīng)性與秈粳分化及緯度分布的相關(guān)性。
　　OsMYB30是本室已鑒定的一個參與水稻低溫逆境應(yīng)答的調(diào)控因子，在水稻中超量表達(dá)OsMYB30在低溫脅迫下呈現(xiàn)出敏感的表型，該基因的一個T-DNA插入的純合突變體osmyb30對低溫脅迫的耐受力相對于野生型

6、明顯增強。芯片數(shù)據(jù)表明在正常生長條件以及低溫脅迫條件下，OsMYB30超表達(dá)及突變體中均有大量的基因在表達(dá)水平發(fā)生了變化，暗示OsMYB30可能在低溫脅迫應(yīng)答中發(fā)揮著重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的作用。
　　第二部分的研究中，從低溫脅迫的芯片中，篩選到一類BMY(β(Beta)-amylase)基因，該家族的多個成員在芯片中受到OsMYB30的下調(diào)，BMY家族中的三個成員BMY2/6/10的表達(dá)量在OsMYB30超量表達(dá)植株中下降，在osmyb

7、30突變體植株中上升。實驗表明，OsMYB30可以在植物體內(nèi)及體外結(jié)合BMY2/6/10基因的啟動子。該類基因編碼β類淀粉酶，可以將淀粉水解為麥芽糖，本研究結(jié)果表明β淀粉酶的活力以及對應(yīng)的代謝產(chǎn)物麥芽糖的含量均在OsMYB30超表達(dá)植株中顯著下降，并且在突變體植株osmyb30中顯著上升，這與BMY2/6/10表達(dá)量的變化趨勢是一致的。隨后，對低溫脅迫下的OsMYB30超表達(dá)及osmyb30突變體植株施加一定濃度的麥芽糖，對于相對低溫敏

8、感的OsMYB30超表達(dá)植株及突變體對應(yīng)的野生型植株而言，可以顯著降低脅迫下細(xì)胞膜損傷。這種可溶性糖對細(xì)胞膜的保護(hù)作用在其它對低溫敏感的水稻品種中得以驗證。同時，通過互作蛋白的篩選得到OsMYB30的互作蛋白OsJAZ9，并在植物體內(nèi)及體外證實二者的互作。此外發(fā)現(xiàn)OsJAZ9的表達(dá)量受到OsMYB30的上調(diào)，低溫脅迫后，BMY6/10的表達(dá)量在OsJAZ9超量表達(dá)植株中下降。隨后我們利用雙熒光素酶系統(tǒng)，在水稻原生質(zhì)體內(nèi)證實OsJAZ9可

9、以降低OsMYB30的轉(zhuǎn)錄激活活性并且增強OsMYB30對于BMY2/6/10基因啟動子的抑制作用。
　　綜上所述，首次通過關(guān)聯(lián)分析技術(shù)對水稻苗期低溫相關(guān)性狀進(jìn)行遺傳分析，鑒定到與不同低溫脅迫相關(guān)聯(lián)的位點，這些位點以及篩選出的抗冷品種將為提高水稻低溫的適應(yīng)性并進(jìn)行遺傳改良提供有利的遺傳資源。同時，OsMYB30是水稻中一個新的低溫抗性負(fù)調(diào)控因子，通過與OsJAZ9互作從而抑制BMY基因的表達(dá)，負(fù)調(diào)控低溫抗性。水稻中這一低溫應(yīng)答新機