TaGASR7-A1分子变异及其对小麦粒长和产量性状影响的研究

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小麦是世界和我国最重要的粮食作物之一,直接影响粮食安全。提高粮食产量是维持粮食安全的重要保障,而通过生物技术挖掘和利用重要产量基因对于培育优良品种和提高粮食产量具有重要理论意义和实用价值。  农作物产量性状是由多基因控制的数量性状,随着分子生物学以及基因组学的发展,对数量性状位点(QTL)的定位、分离以及利用成为农作物遗传改良研究的一个重要的环节。构成产量三要素包括千粒重、有效分蘖和穗粒数,其中籽粒长度、宽度和厚度是构成千粒重的重要因素。正向遗传学、反向遗传学、关联分析等技术是分离和研究产量性状控制基因的有效方法。前人通过全基因组关联分析发现OsGASR7是影响水稻籽粒长度的一个重要基因。另外,单倍型分析发现乌拉尔图小麦TuGASR7以及普通小麦(Triticum aestivum,AABBDD,2n=42=6x)TaGASR7-A1的分子变异影响小麦粒长(GL)。本研究的主要目的是1)克隆普通小麦TaGASR7基因,2)研究普通小麦TaGASR7基因的分子变异对GL和其他产量性状的影响,3)创制合适的转基因材料,促进普通小麦Ta GA SR7基因功能的深入研究。  通过同源基因克隆方法,从普通小麦基因中克隆了GASR7基因的三个直系同源拷贝,命名为TaGASR7-A1、B1、D1,它们分别位于小麦第七同源群染色体7A、7B和7D。通过对中国春染色体缺失系材料的研究,将TaGASR7-A1定位于7A染色体长臂上,利用鲁麦14和旱选10号遗传群体最终将该基因定位于Xwmc301和Xwmc9标记之间,与Xwmc9的遗传距离为10.6 cM。分析TaGASR7氨基酸序列,发现其一级结构含有典型的Snakin/GASA蛋白家族序列特征。  通过分析94份我国黄淮和北方冬麦区大面积推广主栽小麦品种和骨干育种亲本,发现Ta GASR7-B1、D1没有发生单倍型变异,而TaGASR7-A1发生了单倍型变异。根据变异将94份材料分为H1c和H1g两种单倍型。在9种不同水肥条件下,H1c相对于H1g在GL方面具有优越性,进一步分析发现TaGASR7-A1对籽粒重量和产量具有多效性。荧光定量实验结果揭示开花后5天,TaGASR7-A1在籽粒中的表达处于相对较高水平,并且H1c单倍型表达水平明显低于单倍型H1g,因此推测TaGASR7-A1可能是籽粒长度性状的一个负调控因子。  根据91份小麦品种TaGASR7-A1基因启动子的多态性,将其分为Phap1-5共5种单倍型,其中Phap3和Phap4是品种数目最多的单倍型。进一步分析结果显示Phap3在多种环境条件分蘖能力和小区产量均显著优于Phap4。因此TaGASR7-A1的分子变异不仅影响GL,也可能影响小麦的有效分蘖。  以科农9204中TaGASR7-A1基因自身的启动子(NP)和编码区序列以及Ubiquitin基因启动子(UP)序列为材料,构建了4种不同的转基因载体:pUP-RNAi、pNP-OE、pUP-OE和pDRB-NP-OE。pUP-RNAi用于抑制TaGASR7-A1的表达。pNP-OE和pUP-OE分别用自身和外源启动子过量表达Ta GASR7-A1。pDRB-NP-OE是利用双右边界T-DNA载体(DRB)和自身启动子过量表达TaGASR7-A1。通过基因枪或农杆菌介导的遗传转化,获得了4种不同类型的转基因材料。经PCR检测后,总计获得65个T0转基因植株,其中pUP-RNAi转基因植株31个,pNP-OE转基因植株6个,pUP-OE转基因植株13个,pDRB-NP-OE转基因植株15个。这些转基因材料为进一步详细研究TaGASR7-A1的生物学功能奠定了扎实基础。
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