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植物的生长发育是一个非常复杂的过程,受遗传信息的调控。前期研究表明拟南芥PH-START1在拟南芥各个器官极性建成和籽粒发育方面具有非常重要的作用。玉米株型和籽粒发育是决定玉米产量的重要农艺性状,因此玉米中PH-START1同源基因ZmPH-START1的功能分析不仅具有重要的理论意义,还能够为玉米分子育种提供重要的基因资源。
ZmPH-START1有PH、START和DUF1336三个结构域,由766个氨基酸组成。相对分子质量为86209.67Da,等电点为7.26,不稳定系数为44.54,容易解离,属于亲水蛋白。ZmPH-START1在玉米的幼苗、叶、花等组织中都有明显表达,幼苗期在幼叶和根中表达量较高,成苗时在雄蕊的花药中表达量最高。
为明确ZmPH-START1的生物学功能,本研究一方面在拟南芥中过表达ZmPH-START1,通过转基因拟南芥的表型分析,确定ZmPH-START1对拟南芥生长发育的影响,进而推测其在玉米中的生物学功能。另一方面,通过ZmPH-START1在START结构域内GAA和CCG两个位点发生突变的玉来突变体表型分析,确定ZmPH-START1在调控玉米生长发育中作用,结果如下:
1.ZmPH-START1影响极性建成
(1)ZmPH-START对株型的调控作用:拟南芥过表达ZmPH-START1后,与野生型相比较。生长受抑制,野生型长出4片真叶时,过表达ZmPH-START1拟南芥真叶还未形成或仅形成1片真叶。进步的生长发育后,表现为分枝增多。玉米ZmPH-START1点突变后,与对照B73相比,均表现为发芽较快,幼苗时株型比对照大,开始抽穗后,株型无明显差异,根系也比B73根系发达。
(2)ZmPH-START对叶片生长发有的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,叶片不似野生型拟南芥对称成对生长,而表现为新叶发有慢,仅1片发育,且直立生长;叶片上表皮毛数量和形态发生变化,过表达ZmPH-START1后,拟南芥叶片表皮毛变多且多为4个分枝,野生型叶片表皮毛多为3个分枝。玉米ZmPH-START1点突变后,与对照B73相比,新叶发育较快,日叶片弯曲生长,叶夹角变大。
(3)ZmPH-START对时片超微结构的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,叶片对称性发生改变。细胞排列疏松散乱,表皮细胞较大,维管束木顺部发自受则,分化少日排列不规则。玉米ZmPH-START1点突变后,与B73相比,时片维管束数量显著减少,本质化程度增强,且排列不规则。
2.ZmPH-START1影响生殖器官发有
(1)ZmPH-START1对花发育的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,过表达株系花器官两对花瓣的形态发生变化,花絮花蕾数明显减少,花结构对称性降低。玉米ZmPH-START1点灾变后,与对照B73相比,玉米灾变体雄穗较披散,花药更加细长知小,花丝明显稀疏下重。
(2)ZmPH-START1对花粉活力的影响;玉米ZmPH-START1点突变后,与对照B73相比花粉呼吸强度和淀粉含量明显下降。
(3)ZmPH-START1对籽粒发育的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,种子干瘪、畸形,百粒重显著降低,为野生型拟南芥种子百粒重的56%。玉米ZmPH-START1突变体育性降低,大部分不能正常形成籽粒,穗粒数为对照B73的8.7%,玉米籽粒发育正常,仅表现为重量降低,百粒重为对照B73籽粒的73%。
上述结果表明ZmPH-START1在调控玉米侧生器官极性建成、花粉活力及籽粒发育中具有重要的作用。
ZmPH-START1有PH、START和DUF1336三个结构域,由766个氨基酸组成。相对分子质量为86209.67Da,等电点为7.26,不稳定系数为44.54,容易解离,属于亲水蛋白。ZmPH-START1在玉米的幼苗、叶、花等组织中都有明显表达,幼苗期在幼叶和根中表达量较高,成苗时在雄蕊的花药中表达量最高。
为明确ZmPH-START1的生物学功能,本研究一方面在拟南芥中过表达ZmPH-START1,通过转基因拟南芥的表型分析,确定ZmPH-START1对拟南芥生长发育的影响,进而推测其在玉米中的生物学功能。另一方面,通过ZmPH-START1在START结构域内GAA和CCG两个位点发生突变的玉来突变体表型分析,确定ZmPH-START1在调控玉米生长发育中作用,结果如下:
1.ZmPH-START1影响极性建成
(1)ZmPH-START对株型的调控作用:拟南芥过表达ZmPH-START1后,与野生型相比较。生长受抑制,野生型长出4片真叶时,过表达ZmPH-START1拟南芥真叶还未形成或仅形成1片真叶。进步的生长发育后,表现为分枝增多。玉米ZmPH-START1点突变后,与对照B73相比,均表现为发芽较快,幼苗时株型比对照大,开始抽穗后,株型无明显差异,根系也比B73根系发达。
(2)ZmPH-START对叶片生长发有的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,叶片不似野生型拟南芥对称成对生长,而表现为新叶发有慢,仅1片发育,且直立生长;叶片上表皮毛数量和形态发生变化,过表达ZmPH-START1后,拟南芥叶片表皮毛变多且多为4个分枝,野生型叶片表皮毛多为3个分枝。玉米ZmPH-START1点突变后,与对照B73相比,新叶发育较快,日叶片弯曲生长,叶夹角变大。
(3)ZmPH-START对时片超微结构的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,叶片对称性发生改变。细胞排列疏松散乱,表皮细胞较大,维管束木顺部发自受则,分化少日排列不规则。玉米ZmPH-START1点突变后,与B73相比,时片维管束数量显著减少,本质化程度增强,且排列不规则。
2.ZmPH-START1影响生殖器官发有
(1)ZmPH-START1对花发育的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,过表达株系花器官两对花瓣的形态发生变化,花絮花蕾数明显减少,花结构对称性降低。玉米ZmPH-START1点灾变后,与对照B73相比,玉米灾变体雄穗较披散,花药更加细长知小,花丝明显稀疏下重。
(2)ZmPH-START1对花粉活力的影响;玉米ZmPH-START1点突变后,与对照B73相比花粉呼吸强度和淀粉含量明显下降。
(3)ZmPH-START1对籽粒发育的影响:拟南芥过表达ZmPH-START1后,种子干瘪、畸形,百粒重显著降低,为野生型拟南芥种子百粒重的56%。玉米ZmPH-START1突变体育性降低,大部分不能正常形成籽粒,穗粒数为对照B73的8.7%,玉米籽粒发育正常,仅表现为重量降低,百粒重为对照B73籽粒的73%。
上述结果表明ZmPH-START1在调控玉米侧生器官极性建成、花粉活力及籽粒发育中具有重要的作用。