水稻FIS类多梳蛋白生物信息学分析及相关突变体研究

论文摘要

水稻是世界主要的粮食作物之一,也是单子叶模式植物,其主要食用部分胚乳在胚胎发育过程中起着至关重要的作用。拟南芥FIS（FIE、FIS2、MEA）基因编码一类与胚乳发育密切相关的PcG蛋白,玉米中的PcG类基因（FIE1、FIE2、Mez1、Mez2）也参与胚乳发育的调控。对水稻中PcG类基因的研究,将有助于认识禾谷类作物胚乳发育的机制,并有潜在的育种价值。本试验用生物信息学的方法,检索拟南芥FIS类基因在水稻中的同源序列,通过分析水稻FIS类基因的序列信息、编码蛋白的结构及与其他植物同源蛋白的相似性和进化树,推测它们的起源,并预测其功能。本研究还采用反向遗传学方法,观察了水稻PcG类基因OsEz1、OsEz3和OsEMF2B突变体的表型,利用RT-PCR技术结合芯片数据,分析水稻PcG类基因的表达,为进一步研究这些基因的功能奠定基础。主要研究结果如下:1.在水稻核酸数据库中进行TBLASTN检索,分别得到两个与拟南芥MEA、FIS2、FIE匹配的同源的基因OsEz1（E值为3e-100）与OsEz3（E值为1e-91）、OsEMF2A（E值为5e-36）与OsEMF2B（E值为2e-30）、OsFIE2A（E值为7e-157）与OsFIE2B（E值为3e-148）。拟南芥FIS类基因在水稻中均有两个同源基因,但是这两个同源基因的起源都不相同。2.用Clustalw2软件进行序列比对,用MEGA 4.0构建系统进化树,结果表明,水稻中的OsEz1和OsEz3蛋白分别与玉米Mez1和Mez3进化关系比它们之间更近:OsEMF2B与玉米ZmEMF2蛋白的进化关系最近,隶属于第Ⅰ类的单子叶植物分支,但是OsEMF2A蛋白却属于第Ⅱ类,表明两个EMF基因在水稻中可能具有不同的功能。3.OsFIE2A与OsFIE2B、OsEMF2A与OsEMF2B、OsEz1与OsEz3的内含子及上游序列没有明显的相似性,意味着它们的表达模式可能不同。芯片数据及RT-PCR结果证实这些基因在水稻中的表达模式有所不同。其中OsFIE2B只在种子中表达,在散粉后7天（7 DAP）达到最大值。其他几个基因存水稻发育的各个阶段都有表达。OsEz1、OsFIE2B和OsEMF的表达在3-7 DAP的胚乳中逐渐增强,在7 DAP表达量达到最大值。OsEz3和OsFIE2A在胚乳中的表达在4-5 DAP达到最大值。芯片数据还显示,OsFIE2A和OsEMF2A在花药中的表达最强。4.Newcpgreport和cpgplot程序分析显示,OsEz1和OsFIE2A基因及其上游有3个CpG岛,暗示它们可能属于印记基因。5.Osemf2b突变体表型:经基因型鉴定,Osemf2b杂合突变体植株小穗枝梗分支少、小花数量少,部分花序的顶端小花萎缩发白;小花形态异常,雌蕊含有多个心皮,散粉前子房膨大。Osemf2b纯合突变体植株不孕穗,不结实。因此,OsEMF2B基因可能影响水稻花器官的发育,导致突变体不结实或结实率下降。6.Osez1突变体表型:经基因型鉴定,Osez1杂合突变体的小花表现出多稃片、多心皮等异常形态;不同稻穗出现开花前子房膨大的比例从3%到47%不等,且膨大的子房内有胚乳游离核的发育;花药形态变异且花粉囊发育不完善,花粉碘染率低于野生型;突变体田间平均结实率为53%。白花授粉后,突变体的胚乳过度增殖,胚发育不良、停滞在梨形胚时期,最后种子败育。由此推测OsEz1基因可能参与水稻生殖的多个过程,影响小花的发育、调控水稻胚和胚乳的发育,可能还参与维持水稻花药的正常发育。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 1 文献综述
• 1.1 植物胚乳研究概述
• 1.1.1 被子植物胚乳的发育与功能
• 1.1.2 胚乳的起源与进化
• 1.1.3 亲本基因组对胚乳发育的影响
• 1.2 多梳蛋白研究概述
• 1.3 拟南芥PcG蛋白对种子发育的调控
• 1.3.1 拟南芥PcG蛋白组成
• 1.3.2 FIS类基因突变致拟南芥胚乳自主发育
• 1.3.3 胚乳的基因组印记
• 1.3.4 印记基因的调控机制
• 1.4 水稻PcG蛋白研究现状
• 1.5 研究的目的和意义
• 2 材料和方法
• 2.1 材料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 水稻PcG同源序列检索
• 2.2.2 PcG基因核酸和氨基酸序列分析
• 2.2.3 进化树分析
• 2.2.4 CpG岛分析
• 2.2.5 突变体的基因型检测
• 2.2.6 RT-PCR检测
• 2.2.7 突变体植株表型和细胞学观察
• 3 结果与分析
• 3.1 水稻中E（z）同源序列生物信息学分析
• 3.1.1 水稻中E（z）同源基因序列分析
• 3.1.2 OsEzl与OsEz3结构域及进化树分析
• 3.1.3 OsEzl和OsEz3的CpG岛分析
• 3.2 水稻中ESC同源序列生物信息学分析
• 3.3 水稻中S（u）12同源序列生物信息学分析
• 3.4 水稻FIS类基因的表达分析
• 3.5 T-DNA插入突变体基因型检测
• 3.6 水稻Osemf26突变体的表型
• 3.7 水稻Osezl突变体的表型
• 3.7.1 Osezl突变对花发育形态的影响
• 3.7.2 OsEzl突变体的细胞学观察
• 4 讨论
• 4.1 水稻FIS类同源基因的起源
• 4.2 水稻FIS类基因的表达
• 4.3 水稻OsEMF基因的功能
• 4.4 Osezl突变对水稻发育的影响
• 参考文献
• 致谢
• 附录Ⅰ