水稻低温条件下叶绿体发育必需基因TCM8的克隆与功能分析

论文摘要

植物的叶绿素合成是由一系列相关基因共同参与的,如果其中某个基因发生突变而导致其功能丧失就会阻断叶绿素的正常合成进而影响叶绿体的正常发育,产生植物叶色突变,影响光合作用甚至导致植株死亡。本研究通过对粳稻品种嘉花1号经60Coγ诱变处理获得的低温敏感突变体tcm8进行性状特征、图位克隆及相关功能分析,得出以下结论:1.对突变体tcm8的表型进行分析,在20℃的环境中时,突变体tcm8无论在任何时期都表现出白化表型,并且最终死亡。而当环境温度为32℃时,tcm8的表型和野生型相比,几乎没有区别。此外通过透射电镜分析观察发现,32℃条件下,tcm8与野生型相差无明显差异,都有完整的叶绿体以及类囊体垛叠结构;20℃条件下,tcm8叶绿体遭到破坏,没有完整的叶绿体并且含有很多泡状结构。2.通过分析20℃和32℃条件下tcm8三叶期的光合色素含量,发现tcm8的突变表型与光合色素的积累有关。当环境温度为20℃时,tcm8的光合色素含量与野生型相比下降明显,而当温度变为32℃时,其含量却与野生型无明显差异。3.对培矮64S与tcm8杂交获得的F2代群体进行遗传分析,发现该性状受单个隐性核基因控制。4.使用图位克隆技术定位突变基因,将其定位在第8号染色体上的InDel分子标记ID00607和ID00785之间155Kb的范围内,最终确定为一个编码PPR蛋白的基因LOCOs08g01870（TCM8）发生三个碱基的突变,导致蛋白序列的变化最终影响叶色表型。5.利用互补实验以及CRISPR/Cas9基因组编辑实验对此基因进行验证,成功证明是由此基因的突变导致突变体的白化性状。6.对TCM8所编码的氨基酸序列进行保守性分析,发现其序列在不同高等植物中都具有较高的保守性;进一步分析其与更多物种的进化关系,发现TCM8与单子叶植物的亲缘关系较近,而离双子叶植物较远。同时通过亚细胞定位发现TCM8主要作用于叶绿体。7.对tcm8突变体高低温条件下与叶绿素合成、光合作用、叶绿体发育相关基因转录水平进行分析,结果显示基因TCM8可能影响了叶绿体早期发育,主要作用于叶绿体发育的第一阶段,因此导致叶绿体发育缓慢,影响叶绿素积累和光合作用,从而导致突变体呈现白化表型。本研究报道了一个水稻低温条件下叶绿体发育必需基因TCM8,其编码一个PPR蛋白,这为今后研究植物中PPR蛋白的功能、光合作用代谢调控以及叶绿体发育机制提供了一个新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
•   引言
•   1.1 水稻叶色突变的分子机制
•     1.1.1 叶绿素生物合成和降解途经相关基因的突变
•     1.1.2 血红素代谢途径基因的突变
•     1.1.3 叶绿体发育和分化受阻
•     1.1.4 核质信号传导途径受阻
•   1.2 低温引起的突变机制
•     1.2.1 低温影响叶绿体发育
•     1.2.2 低温影响叶绿体发育的作用机制
•     1.2.3 低温胁迫研究进展
•   1.3 PPR基因家族的研究进展
•     1.3.1 PPR家族的结构特征
•     1.3.2 PPR蛋白的分布和表达
•     1.3.3 PPR蛋白的功能
•   1.4 展望
• 第2章 材料与方法
•   2.1 实验材料
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 苗期叶色表型调查
•     2.2.2 野生型和tcm8 光合色素的测量
•     2.2.3 叶绿体亚显微结构观察
•     2.2.4 建立遗传分析库
•     2.2.5 DNA的提取
•     2.2.6 TCM8 的基因定位与图位克隆
•     2.2.7 候选区域的分析和突变基因TCM8 的确定
•     2.2.8 突变体tcm8 的互补验证
•     2.2.9 CRISPR/Cas9 基因组编辑
•     2.2.10 TCM8 的组织特异性表达分析
•     2.2.11 目的基因的亚细胞定位分析
•     2.2.12 编码蛋白的生物信息学分析
•     2.2.13 突变体tcm8 叶绿体发育和叶绿素合成相关基因的qPCR分析
• 第3章 结果与分析
•   3.1 苗期性状特征分析
•     3.1.1 突变体tcm8 苗期叶色表型观察
•     3.1.2 光合色素含量变化分析
•   3.2 叶绿体亚显微结构
•   3.3 遗传分析
•   3.4 图位克隆
•   3.5 TCM8 互补验证
•   3.6 基因TCM8的CRISPR/Cas9 基因组编辑
•   3.7 TCM8 的组织特异性表达
•   3.8 温度对TCM8 表达影响
•   3.9 基因TCM8 的亚细胞定位分析
•   3.10 基因TCM8 编码蛋白的特征分析
•   3.11 突变型tcm8 和野生型相关基因的qPCR分析
• 第4章 讨论与结论
•   4.1 TCM8 在低温条件下是叶绿体发育必需基因
•   4.2 TCM8 影响叶绿体早期发育的第一阶段
•   4.3 TCM8 编码的PPR蛋白在水稻叶绿体生长发育中发挥重要作用
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈璐

导师: 董彦君

关键词: 水稻,温敏感叶色突变,叶绿体发育,图位克隆,蛋白

来源: 上海师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,生物学,农作物

单位: 上海师范大学

分类号: S511;Q943.2

总页数: 58

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