论文部分内容阅读
玉米是重要的饲料、粮食和工业原料。虽然我国玉米种植面积和总产都高居主要粮食作物榜首,但仍难满足日益增长的需求。因此,在耕地面积有限的情况下,提高单位面积产量就越发显得重要。作为产量重要构成因素的籽粒性状,对于玉米的最终产量有着很大的影响。玉米籽粒的形成涉及多个组织的发育,受一个由多基因和多途径形成的复杂基因网络调控。虽然许多研究揭示了该调控网络的一些基因,但对整个网络的认知仍处于起步阶段。因此开展玉米籽粒发育相关基因研究并揭示其作用机制,具有重要的理论和生产实践意义。植物激素ABA在玉米籽粒发育过程中发挥重要作用,并通过顺式元件G-box调控基因表达。本实验室前期通过酵母单杂交在玉米17DAP幼胚cDNA文库中筛选到一个能特异结合G-box的bHLH转录因子ABP7,其在拟南芥中过表达能促进植株发育和种子增大、粒重增加。本研究在此基础上,重点对ABP7在玉米籽粒发育中的功能和调控分子机制开展分析,获得如下实验结果:前期工作证明ABP7能够特异的结合G-box,而本研究通过原生质体瞬时表达以及酵母转录激活实验证实:ABP7具有转录激活活性。进一步通过对ABP7进行片段缺失分析,发现ABP7在C端最少具有两个激活结构域(255-287 aa,321-353 aa),在N端最少具有一个激活结构域(1-33 aa)。为了探索ABP7的互作因子以揭示ABP7可能参与的调控途径,利用酵母双杂交筛选到了 17个ABP7的互作蛋白基因。通过对ABP7的表达分析发现ABP7在整个发育过程的各种组织中都有表达,但在种子萌发初期以及籽粒发育过程中有较高表达,推测ABP7可能在籽粒发育过程中发挥了重要作用。为了探究ABP7在玉米中的生物学功能,创制了ABP7OE、ABP7RNAi、ABP7VP64、ABP7SRDX、ABP7FLAG等一系列转基因株系,并通过对穗部以及籽粒表型分析发现,过表达ABP7能显著增加穗粗、籽粒大小与粒重,ABP7RNAi则导致穗粗降低、籽粒变小并且粒重减少。而ABP7VP64与ABP7SRDX的转基因植株分别表现出了与ABP7OE和ABP7RNAi类似的表型,这进一步证实ABP7是一个转录激活子,且对于籽粒的发育具有正调控作用。对转基因果穗上分离的转基因与非转基因的籽粒的表型分析发现,ABP7对籽粒性状的调控可能是通过其在母体组织而不是子代合子组织中的作用实现的。OE以及RNAi转基因株系在灌浆速率上虽然同非转基因对照比表现出了差异,但与对照一样呈现出了干物质的线性积累;同时电镜观察结果显示转基因籽粒的种皮细胞大小相对于对照发生了改变,这进一步证明ABP7通过母体组织发挥调控籽粒发育的功能。本研究还使用了ABP7OE、ABP7RNAi、ABP7VP64、ABP7SRDX四个转基因株系进行了转录组测序以及利用ABP7FLAG株系进行了 ChIP-Seq分析。综合RNA-Seq与ChIP-Seq结果发现ABP7可能直接或者间接调控了如expA1、RD22、LRX3、BXL4等与细胞壁代谢相关的基因,以及ZmTCRR-1、ZmMRP-1、Mn1、ZmSWEET4c、BAP2/BETL2等与BETL形成和糖分转运相关的基因。上述实验结果表明,ABP7是一个能够结合G-box的bHLH类转录激活子,可能通过激活母体组织中参与细胞壁代谢、糖代谢、营养物质向籽粒转运等过程的基因的表达,促进玉米籽粒的发育。