OsGA3ox通过合成不同活性GA调控水稻育性及株高

赤霉素(gibberellin,GA)是一种重要的激素,参与调控植物多种生长发育过程。GA生物合成通路已基本阐明,其中赤霉素3β羟化酶(gibberellin 3β-hydroxylase,GA3ox)是多种活性GA合成的关键酶。水稻中有2个GA3ox基因(OsGA3ox1和OsGA3ox2),其生理功能虽有初步研究,但它们在合成活性GA调控水稻发育过程中是如何分工协作尚不清楚。本研究通过CRISPR/Cas9技术获得基因编辑突变体ga3ox1和ga3ox2,发现ga3ox1花粉育性显著下降,而ga3ox2株高显著变矮,表明OsGA3ox1是花粉正常发育必需的,而OsGA3ox2是茎叶伸长必需的。组织表达分析表明,OsGA3ox1主要在未开的花中表达,OsGA3ox2主要在未伸长的叶中表达。进一步对野生型(WT)和两个ga3ox突变体未开的花、未伸长的叶及根中的GA进行检测分析,发现OsGA3ox1在花中催化GA9形成GA7与花粉育性密切相关;OsGA3ox2在未伸长的叶中催化GA20形成GA1调控株高;OsGA3ox1在根中催化GA19形成GA20,调控GA3的生成。总之,OsGA3...     

2012年第1期《遗传》封面说明

株高是水稻重要的株型组成因子,水稻矮秆基因是株型改良的重要遗传基础,其大多参与植物内源激素赤霉素和油菜素内酯的合成或信号传导途径,一般具有"一因多效"的遗传性状表现,造成植株矮化的同时也会改变其他性状。通过对所构建的水稻突变体库进行大规模筛选,我们获得一个稳定遗传的矮秆突变体dtl1。与野生型相比,dtl1表现为     

蒺藜苜蓿株高控制基因COSTIN的克隆及功能研究

株高是影响植物株型建成的重要农艺性状之一,直接决定作物的倒伏性和生物产量,但目前关于苜蓿等豆科牧草株高性状形成的分子调控机制尚不清楚。通过定向筛选豆科模式植物蒺藜苜蓿Tnt1逆转座子插入突变体库,分离鉴定了一个蒺藜苜蓿矮化突变体compact stalk internodes(costin),该突变体的矮化表型是由于茎节伸长受到抑制所致。通过基因表型连锁分析成功克隆了COSTIN基因,该基因编码一个钙离子交换蛋白,与拟南芥的CALCIUM EXCHANGER 7(CAX7) 基因高度同源。qRT-PCR检测发现COSTIN基因在茎、叶和果荚等组织中有较高的表达。进一步研究发现在costin突变体中赤霉素合成途径关键基因MtCPS、MtKAO1、MtGA20ox4、MtGA20ox7和MtGA3ox1表达下调;外施赤霉素GA3可以恢复costin突变体的矮化表型。上述研究表明COSTIN基因通过影响植物激素赤霉素的生物合成来调控蒺藜苜蓿的茎节伸长。     

贵州地方粳稻‘黎平杂边禾’矮秆小粒突变体dss1鉴定与基因定位

本研究从贵州地方粳稻(Oryza sativa ssp.japonica)品种‘黎平杂边禾’甲基磺酸乙酯(EMS)突变体库中筛选获得一份能稳定遗传的矮秆小粒突变体,暂命名为dss1(dwarf and small seed 1)。与野生型相比,dss1表现为植株矮化、株型直立、叶色深绿、籽粒变小、第二节间严重缩短、穗长增加等典型油菜素内酯(BR)缺陷突变体的性状。显微观察结果表明dss1叶鞘表皮细胞的长度变短,可能是突变体第二叶鞘长度比野生型短的原因。对突变体的暗形态建成与BR敏感性研究表明,黑暗条件下突变体表现为去黄化表型,对外源BR敏感。遗传特性分析证明dss1突变体由一个隐性单基因位点控制。利用Mut Map技术将dss1基因定位于3号染色体上,筛选获得一个候选基因,测序结果表明,dss1候选基因为BR合成途径关键酶基因Os DWARF,dss1是由于该基因第5个外显子上第335位的氨基酸由苏氨酸(ACT)突变为异亮氨酸(ATT)所引起的。定位得到的矮化小粒基因DSS1为一个新的Os DWARF等位基因。     

植物赤霉素矮化突变体研究进展

赤霉素(GAs)在植物种子萌发、茎的伸长和花的发育等方面起着非常重要的作用。近年来,随着研究手段和技术不断进步,对赤霉素(GA)生物合成和信号传导过程中相关基因的研究取得了惊人的进展。与GA有关的矮化突变体主要有GA缺陷型和不敏感型两类,本文对与GA生物合成和信号传导过程中有关的这两类矮突变体的研究进展进行综述。对这些这些突变体的研究促进了对赤霉素生物合成和信号传导途径的认识,同时为赤霉素更好地利用提供了科学依据。     

水稻幼苗条纹突变体yss1的转录组分析

利用60Co辐射诱变籼稻品种"Ⅱ-32B",筛选得到一个水稻幼苗条纹突变体yss1,该突变体在水稻五叶期前表现出明显的条纹叶表型;色素分析表明yss1叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量明显低于野生型,五叶期后突变体和野生型无显著差异。利用转录组分析水稻三叶期野生型和突变体yss1中的基因表达,表明与野生型相比,yss1中表达差异显著的基因432个,其中274个表达上调,158个表达下调。GO分析显示叶绿素合成途径中多数基因表达上调,类胡萝卜素合成过程中的相关基因受到不同程度地调控。因此,推测YSS1基因通过调节叶绿素和类胡萝卜素合成过程中的基因表达,进而调控光合色素的合成。     

毛竹茎秆伸长过程中赤霉素生物合成、降解和信号转导关键基因的鉴定及表达分析

赤霉素(Gibberellin)是一类非常重要的植物激素,在高等植物生命活动的整个周期都起着重要的调控作用。从毛竹Phyllostachys edulis基因组中共鉴定出23个赤霉素途径基因,包括赤霉素生物合成相关的8个GA20ox和1个GA3ox基因、降解相关的8个GA2ox基因、参与赤霉素感知的2个GID1基因以及信号转导的2个GID2基因和2个DELLA基因。拟南芥、水稻和毛竹的系统进化树和保守基序分析显示赤霉素的合成代谢与信号转导在这些物种中是高度保守的。利用外源赤霉素处理毛竹种子和幼苗,发现赤霉素能显著提高种子的萌发率和幼苗的茎秆伸长,并且有着最佳的作用浓度。在GA3处理后,毛竹体内赤霉素生物合成基因GA20ox和GA3ox表达量均下调而降解活性赤霉素的GA2ox基因表达量上调;赤霉素受体GID1和正调控基因GID2的转录水平显著提高而负调控基因DELLA的表达受到抑制。这些基因在竹笋茎秆的不同形态学位置表达差异明显,大部分赤霉素生物合成与降解的相关基因GA20ox、GA3ox和GA2ox以及赤霉素受体GID1和正调控基因GID2都在竹笋的形态学上端大量表达,而赤霉素信号转导的阻遏基因DELLA在笋体形态学底端大量积累而顶端基本不表达。     

Activation of gibberellin 2-oxidase 6 decreases active gibberellin levels and creates a dominant semi-dwarf phenotype in rice （Oryza sativa L.）

Gibberellin (GA) 2-oxidase plays a key role in the GA catabolic pathway through 2β-hydroxylation.In the present study,we isolated a CaMV 35S-enhancer activation tagged mutant,H032.This mutant exhibited a dominant dwarf and GA-deficient phenotype,with a final stature that was less than half of its wild-type counterpart.The endogenous bioactive GAs are markedly decreased in the H032 mutant,and application of bioactive GAs (GA3 or GA4) can reverse the dwarf phenotype.The integrated T-DNA was detected 12.8 kb upstream of the OsGA2ox6 in the H032 genome by TAIL-PCR.An increased level of OsGA2ox6 mRNA was detected at a high level in the H032 mutant,which might be due to the enhancer role of the CaMV 35S promoter.RNAi and ectopic expression analysis of OsGA2ox6 indicated that the dwarf trait and the decreased levels of bioactive GAs in the H032 mutant were a result of the up-regulation of the OsGA2ox6 gene.BLASTP analysis revealed that OsGA2ox6 belongs to the class III of GA 2-oxidases,which is a novel type of GA2ox that uses C20-GAs (GA12 and/or GA53) as the substrates.Interestingly,we found that a GA biosynthesis inhibitor,paclobutrazol,positively regulated the OsGA2ox6 gene.Unlike the over-expression of OsGA2ox1,which led to a high rate of seed abortion,the H032 mutant retained normal flowering and seed production.These results indicate that OsGA2ox6 mainly affects plant stature,and the dominant dwarf trait of the H032 mutant can be used as an efficient dwarf resource in rice breeding.     

陆地棉矮化突变体Ari1327茎尖的转录组分析

为了从分子水平上研究陆地棉矮秆突变体Ari1327的矮化机理,本研究以矮秆突变体Ari1327、野生型Ari971和高秆突变体Ari3697的茎尖为材料,建立3个cDNA文库,用Illumina HiSeqTM2000系统对3个材料的茎尖cDNA进行转录组测序。3个文库测序共得4.9 G数据量,拼接得到Unigene 70877个。通过矮化突变体Ari1327与野生型Ari971和高秆突变体Ari3697两个文库的差异筛选,得到13919个与矮化相关的差异表达基因,其中5406个表现上调,8513个表现下调。GO功能和KEGG通路富集发现,差异基因在植物激素信号转导途径显著富集。通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证,推测Ari1327的矮化可能与赤霉素和生长素2种激素的信号转导及互作有关。转录组测序得到的大量差异基因,为深入研究棉花的矮化机理具有重要参考价值,同时为棉花的矮化育种工作奠定了基础。     

水稻矮杆突变体D814基因图位克隆与功能分析

水稻株高对作物产量有着重要的影响,在水稻整个生长发育过程中,株高受到多因素的调控,而植物激素乙烯就是重要的影响因素之一。用10 mg/m3乙烯处理水稻幼苗,对水稻突变体库进行筛选,获得了3个根伸长生长对乙烯敏感性降低的突变体,其中1个突变体D814表现出植株矮化、分蘖数减少、千粒重下降等特征。图位克隆将其定位在1号染色体上1 c M的区间内,该区间有6个已报道的矮杆突变基因,通过对这6个基因测序,发现其中1个基因Os BRI1(LOC_Os01g52050)发生了点突变(编码区第1 837位G突变为T)。并在D814中分别对Os BRI1的2个同源基因(Os BRL1和Os BRL3)进行测序,发现这2个基因均无突变。利用已报道的Os BRI1等位突变体gsor300084进行乙烯处理,发现gsor300084与D814一样,表现出根对乙烯敏感性降低。Os BRI1是植物激素油菜素内酯(brassinosteroid,BR)的信号受体,经检测,BR信号途径响应基因在D814突变体中的表达也有变化,说明D814是Os BRI1的1个等位突变体。功能分析发现,D814参与乙烯信号转导调控途径和植物盐胁迫应答途径。研究结果为探究乙烯调控水稻生长发育及耐逆性的分子机理提供了研究材料,也为进一步探讨油菜素内酯与乙烯协同调控水稻生长发育机制奠定了理论基础。     

矮化香蕉及其野生型GA3ox基因的结构特点和表达分析

香蕉的矮化突变是香蕉无性繁殖后代最常见的表型变异之一,但其变异的分子调控机理目前尚未研究清楚; 而内源赤霉素是影响植物株高的重要激素之一,GA3-氧化酶是赤霉素生物合成后期的关键酶。为探究GA3-氧化酶编码基因对香蕉矮化的分子调控机理,该研究以威廉斯B6矮化突变体及其野生型亲本为材料,通过RT-PCR技术克隆得到矮化香蕉及其野生型亲本GA3ox基因的全长cDNA序列,并对其推测的氨基酸序列进行比对分析,同时利用qRT-PCR技术对GA3ox基因在不同组织中的表达水平差异进行分析。结果表明:(1)矮化香蕉GA3ox-A和野生型香蕉GA3ox-G的ORF长度均为864 bp,均编码287个氨基酸,经序列比对分析发现两条氨基酸序列之间存在5个位点的差异,从而产生具有不同性质的蛋白质。(2)氨基酸序列同源性分析表明,矮化香蕉GA3ox的氨基酸序列与油棕、海枣、椰子的同源性最高。(3)qRT-PCR显示,GA3ox基因在矮化香蕉叶片和茎秆中的表达水平整体上低于野生型,其中GA3ox在野生型茎秆中的表达水平是矮化植株的2.2～32倍。综上推测,GA3ox基因可能对香蕉茎杆的矮化变异具有重要的调控作用。该研究结果为揭示香蕉矮化突变的分子机制与筛选优良矮化香蕉株系奠定了基础。     

拟南芥突变体cka3-2的筛选及其功能初步研究

CKA3-2基因属于拟南芥CK基因家族成员,该基因编码一条691个氨基酸残基的多肽.利用三引物法和实时定量PCR法鉴定获得CKA3-2基因对应的T-DNA插入纯合突变体cka3-2,并对其表T型变化进行了观察.实时定量PCR分析表明:CKA3-2基因在茎生叶中表达最高,花和茎中次之,在根、莲座叶和果荚中表达量较低.赤霉素使CKA3-2基因的表达升高,6 h时表达量明显增加,8 h时表达量下降.用50μmol/L GA3处理Col-0和cka3-2幼苗6 h,结果发现赤霉素信号转导通路相关基因如KS、KAO1、KAO2、GA2ox1、GA3OX1和GA20OX1等在两种幼苗中的相对表达量发生明显变化.此外,突变体cka3-2相对野生型Col-0来说,具有较明显的早花现象.     

PTC下游翻译重启导致NMD途径的逃逸

无义突变介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay,NMD)途径是真核生物体内一种重要的mRNA监督质控机制,它降解含有由无义突变、错误剪接、移码突变等产生的提前终止翻译密码子(premature translation termination codon,PTC)的mRNA,从而防止这种mRNA翻译产生的截短型蛋白质对机体造成的伤害.研究发现,一些含有PTC的mRNA发生了NMD途径逃逸,但具体机制仍不清楚.本研究将成视网膜细胞瘤基因1(retinoblastoma gene 1,RB1)作为NMD途径的靶基因,构建mini-RB1基因,包括外显子1~14(c DNA)、内含子14-外显子15-内含子15和外显子16~27(c DNA)的三部分序列,将其构建到真核表达载体pc DNA 3.1(-)中.根据人类基因组突变数据库选择3个突变位点W99X、G310X和R467X,构建相应无义突变体.分别将mini-RB1基因野生型和无义突变体转入He La细胞进行表达.用qRT-PCR检测发现,W99X无义突变体与野生型相比mRNA的水平无显著差异.为了进一步证实mini-RB1(W99X)发生了NMD逃逸,利用NMD途径抑制剂放线菌酮和转录抑制剂放线菌素D,分别处理转入野生型的mini-RB1基因及其无义突变体mini-RB1(W99X)的哺乳动物细胞,发现mini-RB1基因无义突变体的mRNA水平与野生型无明显差异,说明含有W99X无义突变的mini-RB1基因的mRNA发生了NMD逃逸.Western印迹检测mini-RB1基因的蛋白质表达发现,在无义突变位点W99X下游重新起始了蛋白质的翻译,因此,PTC下游蛋白质翻译的重新起始可能是导致无义mRNA逃逸NMD途径监控的主要原因.     

果树赤霉素代谢与信号途径研究进展

赤霉素作为5大植物激素之一,在果树的花芽分化、花序发育、开花坐果、果实的生长发育及植株的形态建成等方面扮演着重要的角色,但对果树赤霉素的分子生物学研究与其他大田作物相比差距较大。为了在果树生产中能更加合理有效地利用赤霉素调控果树花果发育,研究果树赤霉素的合成及其信号转导途径的分子调控机制十分必要。研究发现GA合成的关键酶KO、GA2ox及GA20ox的表达均与果树矮化呈负相关,而KS的含量则与植株高矮呈正相关,板栗雄性不育现象也与KO、KAO的表达量密切相关。GAMYB基因及LFY基因则在果树的成花诱导和雄蕊发育等生殖生长过程中发挥重要作用。DELLA蛋白在果树的GA信号途径中作为负调控因子可致使矮化植株形成,在果树的细胞周期循环过程、转录调控、花的形成、细胞的信号转导及许多生理过程中,DELLA蛋白泛素化降解均扮演着至关重要的角色。主要从果树赤霉素的合成及赤霉素的信号途径两大方面,着重对果树赤霉素合成过程中的关键酶基因及其定位、果树赤霉素信号途径的重要元件如赤霉素受体GID1、DELLA蛋白等进行了综述,以期为高效利用赤霉素调控果树生长发育提供重要的理论参考。     

PTC下游翻译的重新起始导致NMD途径的逃逸

无义突变介导的mRNA降解（nonsense mediated mRNA decay, NMD）途径是真核生物体内一种重要的mRNA监督质控机制, 它降解含有由无义突变、错误剪接、移码突变等产生的提前终止翻译密码子（premature translation termination codon, PTC）的mRNA, 从而防止这种mRNA翻译产生的截短型蛋白质对机体造成的伤害. 研究发现, 一些含有PTC的mRNA发生了NMD途径逃逸, 但具体机制仍不清楚.本研究将成视网膜细胞瘤基因1 (retinoblastoma gene 1, RB1)作为NMD途径的靶基因, 构建mini-RB1基因,包括外显子1～14(cDNA)、内含子14 外显子15 内含子15和外显子16～27(cDNA) 的三部分序列, 将其构建到真核表达载体pcDNA 3.1(-)中.根据人类基因组突变数据库选择3个突变位点W99X、G310X和R467X, 构建相应无义突变体.分别将mini RB1基因野生型和无义突变体转入HeLa细胞进行表达.用qRT-PCR检测发现, W99X无义突变体与野生型相比mRNA的水平无显著差异.为了进一步证实mini- RB1（W99X）发生了NMD逃逸, 利用NMD途径抑制剂放线菌酮和转录抑制剂放线菌素D, 分别处理转入野生型的mini RB1基因及其无义突变体mini-RB1（W99X）的哺乳动物细胞, 发现mini-RB1基因无义突变体的mRNA水平与野生型无明显差异, 说明含有W99X无义突变的mini-RB1基因的mRNA发生了NMD逃逸.Western印迹检测mini-RB1基因的蛋白质表达发现, 在无义突变位点W99X下游重新起始了蛋白质的翻译, 因此,PTC下游蛋白质翻译的重新起始可能是导致无义mRNA逃逸NMD途径监控的主要原因.     

GA2ox8基因过量表达诱导蓝光下拟南芥光形态建成

检测不同光照强度蓝光下,过量表达GA2ox8基因的转基因植株光形态建成表型的结果表明,突变体比各自的母本的下胚轴短,茎尖角度和子叶张开度较大,花青素和叶绿素的含量较高,并且其差异与GA2ox8基因的表达量呈正相关.RT-PCR检测光调节基因表达水平的结果显示,暗培养条件下其突变体幼苗中的水平比各自的母本高,蓝光下35S::GFP-GA2ox8-1.35S::GFP-GA2ox8-8与母本co1-4之间差异不明显,但scc7-D中的水平比母本crylcry2高.这似乎说明,GA2ox8基因过量表达可诱导蓝光下拟南芥幼苗光形态建成.     

小麦矮秆圆粒突变体的鉴定与分析

小麦的子粒形态性状和株高与小麦的产量密切相关,是育种的重要选择目标性状。本研究通过对小麦品种偃展1号(YZ1)EMS突变体W98的农艺性状的调查与分析,发现W98的株高只有24 cm,而野生型YZ1的株高是73 cm。突变体株高的变异是由每个节间长度变短造成的,而非节间数目减少所致。相关分析表明矮秆与圆粒性状呈显著相关。利用高秆长粒的墨西哥品种10th12与突变体W98配制杂交组合,获得1544个F2∶3单株(株系),通过对分离群体的遗传分析,发现圆粒性状是由1对不完全显性基因控制的。赤霉素(GA)与油菜素内酯(BR)激素敏感性试验表明:野生型和突变体都对GA处理不敏感;不同浓度BR的展叶试验表明野生型对BR不敏感,而突变体W98对BR敏感。     

水稻矮秆突变体dtl1的分离鉴定及其突变基因的精细定位

文章通过对所构建的水稻突变体库进行大规模筛选,获得一个稳定遗传的矮秆突变体,与野生型日本晴相比,该突变体表现为植株矮化、叶片卷曲、分蘖减少和不育等性状,命名为dtl1(dwarf and twist leaf 1)。dtl1属于nl型矮秆,激素检测表明,矮秆性状与赤霉素和油菜素内酯无关。遗传分析显示,突变性状受单一隐性核基因控制。利用dtl1与籼稻品种Taichung Native 1杂交构建F2群体,将该突变基因DTL1定位于水稻第10染色体长臂2个SSR标记RM25923和RM6673之间约70.4 kb区域内,并与InDel标记Z10-29共分离,在该区域预测有13个候选基因,但未见调控水稻株高相关基因的报道,因此,认为DTL1基因是一个新的控制水稻株高的基因。     

赤霉素的矮化作用及在草坪草育种中应用展望

赤霉素(GA)在植物的种子萌发、茎的伸长和花的发育等许多方面起着非常重要的作用。GA矮化突变体可分为两类,合成型突变体和非应答型突变体。合成型突变体在于抑制、阻碍了激素的生物合成和代谢步骤,使得内源GA缺乏或痕量存在。在GA的非应答突变体中,其突变体表现出GA合成缺陷型矮化,但体内含有大量有生物活性的GAs。在草坪草育种中,利用GA的矮化作用,通过基因克隆和转基因技术育成矮化的草坪草品种,以降低修剪费用。     

水稻锌指蛋白基因O_sBBX22响应热胁迫的功能分析

利用RNA干涉技术研究水稻锌指蛋白基因O_sBBX22的生物学功能,为探讨O_sBBX22响应热胁迫的机制、培育抗逆水稻、减轻高温对水稻的损害奠定基础。通过观察转基因突变体植株和野生型植株在热胁迫下的表型差异,分析O_sBBX22生物学功能;采用半定量PCR和荧光定量PCR检测O_sBBX22以及相关的热激转录因子(HSF)、热激蛋白(HSP)基因在转基因突变体株系中的表达水平;通过原位组织化学检测过氧化氢在野生型、转基因突变体株系叶片中的定位和积累情况。结果表明,在0~5 h热胁迫条件下,与野生型株系相比,O_sBBX22的表达在转基因突变体植株中明显下调;而野生型O_sBBX22受热信号诱导,随着热激时间的增加,O_sBBX22的表达量呈先上升后下降的趋势,且在热激1 h时表达量最高。相关的HSF和HSP也受热信号诱导,野生型株系中的HSFA2a、HSFA7、HSP16.9和HSP100表达量均比转基因突变体株系高,且在热激1 h时,HSFA2a、HSP16.9和HSP100表达量最高,而HSFA7在热激3 h时表达最高。热胁迫3 h,经DAB染色,转基因突变体株系叶片上出现的红褐色斑点主要集中于叶脉和受损伤部位,且明显多于野生型。锌指蛋白基因O_sBBX22在水稻苗期热胁迫应答中具有重要的作用,野生型株系抗热能力明显高于O_sBBX22抑制表达转基因株系;HSFA2a、HSFA7、HSP16.9和HSP100可能参与了O_sBBX22介导的水稻耐热调控。