Mutator转座子介导的玉米脆秆突变体的形态学、生物化学及遗传学分析

论文摘要

茎秆脆性突变体是研究茎秆形成机制、进行秸秆改良的重要资源。茎秆强度是重要的玉米农艺性状,茎秆机械强度降低,容易导致植株倒伏,影响玉米的产量和品质；茎秆机械强度变化伴随有植株生化成分以及植株脆性的改变。我国每年产生多达2亿吨的玉米秸秆,改良玉米秸秆,使其适用于饲料、生物能源等用途,有利于提高资源的综合利用效率。因脆性突变体较为缺乏,有关玉米细胞壁合成机理的研究进展缓慢,获得更多脆性突变体将加快其研究步伐。在玉米中主要利用Mutator转座子构建突变体库,Mutator转座子具有较高的突变频率、较低的插入专一性、在基因组中自身拷贝数多等特点,容易在较少的群体内产生覆盖全基因组的大量突变体。从玉米自交系Zong31和携带活性（?）4uDR转座子的自交系W22杂交构建的突变体库中,筛选得到了茎秆和叶片都表现明显脆性的突变植株,经多代自交和表型鉴定,获得性状稳定的纯合突变体。本研究应用形态学、细胞学、生物化学和遗传学等方法分析了此突变体与正常玉米叶片机械强度、茎秆显微结构、植株生化成分的差异；并对杂交后代进行遗传分析,明确了此性状的遗传方式,为今后深入开展脆性基因的克隆、功能分析以及生物质能源利用研究等提供了基础材料。主要结果如下：1、田间表型考察表明：在种子萌发和幼苗阶段,突变体与正常玉米的生长状况一致,无明显差别。脆性表型从4叶1心期开始出现,突变型植株的所有组织都表现出脆性,且在此后的各生育期持续存在。2、突变体的茎叶同正常玉米相比,组织韧性和张力减弱,极易折断。叶片抗张力结果表明：西双版纳、武汉两地群体中脆性植株叶片断裂所需最大拉力分别为正常玉米的77.9%和61.7%,差异极显著。3、石蜡切片结果显示：脆性植株茎秆组织在维管束数目、分布以及皮层纤维细胞层数上与正常植株差异不大。扫描电镜观察图显示：两者在组成维管束鞘的厚壁组织细胞上有差异,正常玉米植株的细胞壁厚,细胞腔小,结构紧密,而突变植株细胞壁薄,细胞腔大,排列松散。脆性突变体的细胞壁厚度为正常玉米的42.3%。4、植株生化成分测定的结果表明：脆性植株与正常植株纤维素和可溶性糖的含量差异达到极显著水平,木质素含量差异达到显著水平。脆秆突变体中,纤维素含量占干物质总量的12.3%,显著低于正常玉米（26.7%）；可溶性糖含量占干物质总量的36.1%,显著高于正常玉米（12.4%）；木质素含量占干物质总量的16.9%,低于正常玉米（19.2%）；半纤维素略有降低,果胶质和脂类差异不明显。5、2010年春在武汉种植的F1单株,田间表型正常；2010年秋在武汉及2010年冬在西双版纳分别种植的406个单株和214个单株的F2群体中正常和脆性植株的分离比分别为164：50和311：95,卡方测验表明符合3：1分离；2011年春武汉种植F2：3家系,其中纯合正常型家系83个,性状分离家系159个,脆性家系60个,卡方检测表明符合1：2：1分离比。遗传分析结果说明该脆性突变为单基因控制的隐性性状。6、分别运用MuAIL-PCR、SAIFF以及Mu-Illumina等方法对此脆性材料进行了Mu侧翼序列的扩增,为后续实验积累了重要经验与数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 1 前言
• 1.1 植物细胞壁的结构、组成与功能
• 1.1.1 植物细胞壁的结构与组成
• 1.1.2 植物细胞壁的功能
• 1.2 纤维素的研究进展
• 1.2.1 纤维素的生物合成
• 1.2.2 纤维素合成的场所
• 1.2.3 植物纤维素合酶基因
• 1.2.4 纤维素合酶基因结构特征
• 1.2.5 类纤维素合酶基因家族及其特征
• 1.3 植物脆性性状研究进展
• 1.3.1 拟南芥脆性突变体
• 1.3.2 大麦脆性突变体
• 1.3.3 水稻脆性突变体
• 1.3.4 玉米脆性突变体
• 1.4 Mu因子
• 1.4.1 玉米Mutator种质的发现
• 1.4.2 Mu因子的插入特点及遗传特征
• 1.4.3 Mu因子的表观遗传调控
• 1.5 Mu因子的应用-转座子标签法
• 1.6 获取Mu插入侧翼序列的方法
• 1.7 本研究的目的和意义
• 2. 材料与方法
• 2.1 材料来源
• 2.2 遗传群体的构建、田间性状的考察及群体的遗传分析
• 2.3 植株叶片DNA的提取
• 2.4 叶片抗张性的测定
• 2.5 茎秆组织的显微学观察
• 2.6 植株生化成分的测定
• 2.7 检测Bk-x在bk-2区域是否有片段插入
• 2.8 Mu插入位点侧翼序列的分离
• 2.8.1 运用MuTAIL-PCR方法分离Mu侧翼序列
• 2.8.2 运用SAIFF方法分离Mu侧翼序列
• 2.8.3 运用Mu-Illumina方法分离Mu侧翼序列
• 2.9 共分离分析
• 3. 结果与分析
• 3.1 脆秆突变体的形态观察
• 3.2 脆秆突变体叶片组织机械强度的测量
• 3.3 茎秆的光学显微镜和扫描电镜观察
• 3.4 植株生化成分的测定
• 3.5 Zong31、Bk-x在bk-2区域的扩增结果
• 3.6 脆秆性状的遗传分析
• 3.7 Mu插入位点侧翼序列的分离及共分离分析
• 4 讨论
• 4.1 利用Mu突变体库有助于加快玉米细胞壁合成机理的研究
• 4.2 脆性突变体的表型鉴定及遗传分析
• 4.3 植物脆性性状的研究及其重要意义
• 4.4 TAIL-PCR、SAIFF、Mu-Illumina等侧翼序列扩增方法的比较
• 4.5 下一步工作计划
• 参考文献
• 附录
• 附录1 CTAB法提取叶片DNA
• 附录2 MuTAIL-PCR反应所用的引物序列
• 附录3 MuTAIL-PCR反应体系与程序
• 附录4 Cspure Gel Extraction Kit
• 附录5 载体连接
• 附录6 蓝白斑筛选及菌液PCR
• 附录7 SAIFF中所用到的接头及引物序列
• 附录8 SAIFF反应体系及条件
• 致谢