利用OsHOX7基因改良水稻农艺性状的研究

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水稻(Oryza sativa L.)为主要粮食作物,稻米产量的提高是满足人类未来需求的迫切要求。水稻农艺性状是影响稻米产量的重要因素,其中包括植株高度、分蘖角、分蘖数及籽粒形态等。株高对水稻的抗倒伏能力和产量有一定的影响。利用基因改良水稻株高,研究水稻矮化的分子作用,为利用基因工程等分子育种技术改良水稻农艺性状提供理论指导,对培育高产、高抗性、高品质的理想水稻具有重大意义。株型的调节往往是植物激素和转录因子的复杂调控网络互作的结果。HD-Zip类转录因子广泛参与植物细胞分化、生长发育和激素响应等过程。目前HD-Zip四个亚家族中,对Ⅱ亚家族的研究报道相对较少,且该亚家族OsHOX7基因在水稻中的功能目前还未见报道。本文在克隆OsHOX7后,对OsHOX7进行生物信息学、表达模式、亚细胞定位以及互作蛋白分析。通过构建OsHOX7过表达和干扰载体转化水稻,对OsHOX7转基因材料进行表型观察、赤霉素(GA)代谢与信号传导相关基因的转录水平分析以及稻米品质评估,研究OsHOX7基因对水稻农艺性状的影响。主要工作如下:(1)OsHOX7基因的克隆、生物信息学与表达模式分析从水稻中花11(ZH11)中克隆OsHOX7基因,该基因全长1050 bp。其生物信息学分析表明,OsHOX7编码的蛋白由349个氨基酸组成,并预测其可能定位在细胞核中。OsHOX7上游启动子区域发现有与分生组织表达相关的元件CAT_box和参与种子特定调控的RY-element,还发现有参与GA响应的CARE_motif和涉及GA反应的顺式作用元件TATC-box。系统进化树表明,OsHOX7与Ta HDZ3亲缘较近。氨基酸同源比对结果表明,OsHOX7具有保守的HD和Zip结构域。时空表达模式分析表明,OsHOX7基因在灌浆期和成熟期的叶中表达量最高。(2)OsHOX7亚细胞定位及互作蛋白分析构建35S::OsHOX7-GFP融合表达载体,于烟草(Nicotiana tabacum L.)表皮细胞中瞬时表达,发现OsHOX7蛋白定位于细胞核。酵母双杂交实验结果表明,OsHOX7无自激活活性,并与水稻DELLA蛋白SLR1存在相互作用。(3)过表达OsHOX7基因对水稻株高的影响构建35S::OsHOX7过表达和OsHOX7-RNAi干扰载体转化水稻,获得OsHOX7基因上调和下调的转基因植株。对OsHOX7过表达植株表型分析发现,其株高降低,表现为半矮化。在成熟期,OsHOX7过表达植株的节间明显缩短,其第二节间细胞长度明显变短、宽度变窄,但木质素及大小维管束没有明显变化。(4)OsHOX7基因参与GA通路的调节在赤霉酸(GA3)的诱导下,OsHOX7基因的转录可能受到抑制。对OsHOX7过表达幼苗施加GA3后,发现其伸长速率较野生型增加,并可部分恢复其株高。此外在OsHOX7基因的上调和下调植株中,GA代谢和信号传导相关基因的转录水平发生变化。在OsHOX7过表达植株中,GA降解酶基因Os GA2ox1、Os GA2ox3、Os GA2ox5以及GA核心抑制子SLR1的转录水平明显上调,在OsHOX7干扰植株中这些基因的表达则出现相反的情况。(5)OsHOX7过表达稻米品质的评估OsHOX7过表达水稻籽粒较野生型籽粒表现出长度增加和厚度减少的现象,但千粒重没有明显差异。分析OsHOX7过表达和野生型水稻籽粒的淀粉发现,OsHOX7过表达水稻籽粒中淀粉的粒径、溶解度、膨胀度及总含量等与野生型相比均无明显差异。稻米蛋白质分析表明,与野生型相比,OsHOX7过表达稻米中总蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和清蛋白含量均无显著性差异,但球蛋白含量增加。
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