水稻結(jié)實(shí)率控制基因PTB1的自然變異和馴化分析.pdf

1、水稻是全世界最重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量水平直接關(guān)系糧食安全，因此對(duì)于水稻產(chǎn)量性狀的深入研究具有重要的意義。目前，水稻產(chǎn)量性狀的控制機(jī)制取得了長足的進(jìn)展，特別是有關(guān)千粒重、有效穗數(shù)等方面研究的比較深入。相比之下，另一個(gè)控制水稻產(chǎn)量的重要因素——結(jié)實(shí)率的研究還不夠深入。提高結(jié)實(shí)率可以有效的增加穗粒數(shù)從而提高糧食產(chǎn)量，因此加深對(duì)水稻結(jié)實(shí)率的研究對(duì)于研究其本身的遺傳機(jī)制以及提高糧食產(chǎn)量都具有重要的意義。
　　本實(shí)驗(yàn)室近期通過一個(gè)水稻低結(jié)

2、實(shí)率突變體，成功克隆了一個(gè)直接控制水稻結(jié)實(shí)率的主效基因PTB1。精細(xì)定位結(jié)果表明，PTB1基因內(nèi)部發(fā)生了一個(gè)470 bp左右的序列缺失，該基因編碼了一個(gè)環(huán)型的E3泛素連接酶，能夠促進(jìn)花粉管在花柱道中的生長，從而直接調(diào)控水稻結(jié)實(shí)率的高低。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在異常環(huán)境溫度條件下，PTB1基因的表達(dá)量水平明顯下調(diào)，這可能是造成水稻在高溫、低溫等異常條件下結(jié)實(shí)率降低的直接原因。體外生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PTB1蛋白具有E3泛素連接酶的生化功能，我們因此

3、推測，PTB1基因的作用靶標(biāo)可能對(duì)花粉管的生長具有抑制作用，在正常的水稻中PTB1可能特異的降解了該負(fù)調(diào)控因子，從而在一定程度上促進(jìn)了花粉管的生長，最終促進(jìn)水稻的正常結(jié)實(shí)。
　　大量的基因克隆工作顯示，很多水稻產(chǎn)量相關(guān)基因均具有豐富的群體變異，并一定程度上體現(xiàn)栽培稻的馴化特征。PTB1是水稻上第一個(gè)報(bào)道的控制結(jié)實(shí)率的關(guān)鍵基因，該基因的克隆是水稻產(chǎn)量性狀解析的重要進(jìn)展，但該基因群體自然變異特征以及是否關(guān)系馴化還不得而知。因此，本實(shí)驗(yàn)

4、是在前期研究的基礎(chǔ)上，選取有代表性的野生稻、栽培稻（包括粳稻亞種和秈稻亞種）等實(shí)驗(yàn)材料，分子克隆PTB1基因及其調(diào)控序列，以期系統(tǒng)研究不同水稻種質(zhì)中PTB1基因的等位變異特征，探討這些變異與水稻結(jié)實(shí)率自然變異的關(guān)聯(lián)，同時(shí)揭示了該基因在水稻馴化過程中的變化規(guī)律。主要結(jié)果如下:
　　1、107份水稻材料PTB1基因的PCR分段克隆及測序表明，PTB1基因存在豐富的自然變異，共發(fā)現(xiàn)了32個(gè)SNP位點(diǎn)和5個(gè)InDel位點(diǎn)。其中在PTB1啟

5、動(dòng)子中存在19個(gè)SNP變異位點(diǎn)以及4個(gè)InDel位點(diǎn)，在PTB1基因的10個(gè)外顯子中存在13個(gè)SNP位點(diǎn)以及1個(gè)InDel位點(diǎn)。
　　2、對(duì)所有水稻材料的PTB1基因的測序結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)PTB1基因的自然變異情況共存在16種單倍型分類。其中在野生稻群體（21份）中存在16種不同的單倍型類型，而在栽培稻（86份）中僅存在3種不同的單倍型，從野生稻到栽培稻PTB1基因的單倍型的種類顯著減少，表明PTB1基因在水稻的馴化歷史中受

6、到了選擇，是一個(gè)馴化相關(guān)的基因，有關(guān)群體遺傳參數(shù)計(jì)算結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論。
　　3、分別對(duì)粳稻品種以及秈稻品種的PTB1基因的單倍型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，秈稻品種的PTB1基因單倍型主要集中在兩個(gè)類型中（H12以及H14），粳稻品種的PTB1基因單倍型主要集中在H1中，由此顯示PTB1基因存在明顯的秈粳分化，可能與水稻的秈粳分化相關(guān)。
　　4、前期的研究表明，PTB1基因的表達(dá)量與轉(zhuǎn)基因植株的結(jié)實(shí)率相關(guān)。我們對(duì)部分材料分別進(jìn)行

7、了結(jié)實(shí)率和PTB1基因表達(dá)量的調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PTB1基因在不同水稻材料中的相對(duì)表達(dá)量水平與水稻的結(jié)實(shí)率密切相關(guān)(r=0.74，P＜0.01)。該結(jié)果表明，與轉(zhuǎn)基因植株群體的結(jié)果相似，水稻結(jié)實(shí)率的自然變異與PTB1表達(dá)量的自然變異直接相關(guān)。
　　5、利用獲得的自然變異和對(duì)應(yīng)的表達(dá)量數(shù)據(jù)，我們接下來研究PTB1的等位變異是否與基因的表達(dá)量直接相關(guān)。關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，PTB1基因啟動(dòng)子區(qū)域的4個(gè)等位變異(-1156，-1069，-93

8、1和-621位)組成的2種單倍型(CACC和TCGT)與基因的表達(dá)量密切相關(guān)(P＜0.05，t-test)，同時(shí)也直接與水稻的結(jié)實(shí)率關(guān)聯(lián)(P＜0.05，t-test)。該結(jié)果顯示，PTB1基因啟動(dòng)子區(qū)域的自然變異決定了PTB1基因的表達(dá)量，后者直接決定了結(jié)實(shí)率的高低，提示這些啟動(dòng)子區(qū)域的自然變異是水稻材料間結(jié)實(shí)率變異的根本原因。
　　綜上所述，本研究表明，PTB1基因存在豐富的自然變異，這些變異可能與水稻的秈粳分化和栽培稻的馴化相