玉米籽粒突变基因Mn219和Dek39的图位克隆与基因功能分析

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玉米是目前世界上分布最广的作物之一,其对环境具有高度的适应性,并且其产量也高,所以其在保障世界粮食安全中发挥着举足轻重的作用。玉米产量直接体现于玉米的籽粒,而胚和胚乳是玉米籽粒的重要组成部分,所以研究胚和胚乳发育的相关基因,有助于我们对玉米籽粒发育机理的研究,也可以为提高玉米产量提供理论基础。在本课题中,我们通过EMS诱变的方式获得了两种籽粒突变体mn219和dek39,利用图位克隆技术分离出相应的基因,而后对这两个基因进行了比较详细的功能分析。mn219突变体与野生型相比,表型表现为籽粒变小,变薄,胚乳中粉质胚乳比例降低,硬质胚乳变多,发芽率偏低,苗期存在部分致死现象。植株生长缓慢,花期偏迟,并且花期不集中,该突变体是一种单基因隐性突变体。Mn219定位在玉米二号染色体上的短臂端48.19 Mb到48.91 Mb的区间范围内,通过对候选基因的分析验证,我们发现在GRMZM2G018223这个基因上存在着G到A的突变,导致该基因翻译提前终止。该基因编码Elongator复合体的一个亚基ELP1,影响基因的转录延伸。Mn219的突变降低了 H3K14位点的乙酰化水平,从而影响了下游基因的表达。通过转录组测序发现在mn219中,两个与Bak1功能相关的基因(GRMZM2G176922和AC21 7401.3F003)的表达水平发生了下调,Bak1与油菜素内酯信号传导途径相关。通过油菜素内酯处理实验,我们发现mn219对油菜素内酯的敏感程度降低。我们的结果显示Mn219在籽粒发育的过程中起着重要的作用,影响着籽粒发育。dek39突变体与野生型相比,表型表现为籽粒变薄,存在皱缩现象,胚和胚乳发育均不正常,发芽率很低,苗期致死;植株不能存活,无法得到纯合突变体果穗。该突变体是一种单基因隐性突变体。Dek39定位在玉米九号染色体上的长臂端111.3 Mb到112.5 Mb的区间范围内,通过对候选基因的分析验证,我们发现在GRMZM2G345128这个基因上存在着G到A的突变,导致了该基因翻译提前终止。DEK39是一个P-L-S亚家族的PPR蛋白,并且含有E结构域,在线粒体和叶绿体中均有表达。在线粒体中,我们发现nadd3-247和nad3-275两个位点的编辑效率下降,nad3-275位点甚至丧失了编辑功能。但是在叶绿体中,没有发现有位点在编辑效率上发生变化。nad3-247和nad3-275两个位点的编辑效率的降低导致了线粒体复合体I的活性的下降。我们的研究结果显示Dek39参与RNA编辑,在籽粒发育过程中扮演着十分重要的角色。
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