gmbri1和gmcpd基因的克隆及在大豆开花过程中的功能研究

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1、—————————————————————GmBRI1和GmCPD基因的克隆及在大豆开花过程中的功能研究—————————————————————FunctionalAnalysisofGmBRI1andGmCPDandInvestigationofTheirRolesinSoybeanFlowering————————————作者姓名：王妙专业名称：植物学研究方向：植物种质资源与利用指导教师：王庆钰教授学位类别：理学博士培养单位：吉林大学论文答辩日期：2015年6月3日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员

2、会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位专家1教授单位1主席王丕武教授吉林农业大学专家2教授单位2委员宋慧教授吉林农业大学专家3教授单位3王树才教授东北师范大学专家4教授单位4梁正伟研究员中国科学院东北地理所专家5教授单位5冯献忠研究员中国科学院东北地理所潘洪玉教授吉林大学原亚萍教授吉林大学中文摘要GmBRI1和GmCPD基因的克隆及在大豆开花过程中的功能研究随着人口的快速增长，全世界的粮食安全面临严峻挑战。要使作物产量大幅度提高，必须对产量赖以形成的植物总体的生长发育状况进行重大调控。因此，更多研究开始关注控

3、制或影响植物生长发育和产量形成的物质——植物激素。油菜素内酯是第六大植物激素，参与调控植物生长发育的多个方面，其对株型、产量和花期的调控尤其被世人关注。对油菜素内酯信号转导途径和生物合成途径的关键基因进行遗传操作，是改造植物株型和生育期，挖掘作物高产潜能的有力途径。大豆作为世界上最为重要的油料作物和高蛋白粮食作物，一直被倒伏和生育期复杂所困扰。以往育种者通过常规育种手段改良株型及生育期性状，但随着近年来生物技术的迅猛发展，尤其是一系列油菜素内酯相关基因的发现，使通过分子手段设计和改造作物株型与生育期成为可能。虽

4、然油菜素内酯相关基因在多种物种中的研究取得了突破性进展，但大豆中的研究却非常有限。本研究是首次在大豆中克隆获得油菜素内酯相关基因GmBRI1和GmCPD，其在株型构建和开花时间调节方面的重要功能为通过分子操作调控株型和花期性状，培育高产大豆品种创造了条件。本实验对油菜素内酯相关基因GmBRI1和GmCPD进行了克隆及功能验证，并对其与拟南芥和大豆开花的关系和在GmFT2a转基因植株中的表达进行了探讨，主要实验结果如下：1.在大豆中克隆得到油菜素内酯受体蛋白基因GmBRI1并进行了生物信息学分析，发现其与其他物种

5、来源的BRIs有较高的序列同源性和较近的亲缘关系。GmBRI1与AtBRI1在序列和结构域上都有很强的保守性，且蛋白三级结构极端相似，预示二者可能具有相似的功能。将GmBRI1基因转入油菜素内酯不敏感突变体bri1-5中，突变体的极端矮化、叶片小而圆、根长缩短、果荚瘦小的表型被GmBRI1基因的表达恢复至野生型状态。且通过光暗下胚轴伸长实验、BR根长抑制试验和BR标签基因的表达检测实验确认了GmBRI1基因对bri1-5突变体表型的恢复是因为修复了突变体内部受损的BR信号转导通路。从而确认我们克隆得到的GmBR

6、I1基因是有功能的，且与AtBRI1基因功能相似。I2.在大豆中克隆得到了4个油菜素内酯P450单加氧合成酶基因GmCPD1、GmCPD2、GmCPD3和GmCPD4。同源序列比对和进化树分析显示，4个GmCPD与其他CPD基因在序列上同源性较高且具有同一起源。4个GmCPD与AtCPD在序列上有较高的同源性，尤其四个特征结构域的序列非常保守，表明二者在结构和功能上具有高度保守的特性。将4个GmCPD基因分别转入油菜素内酯合成突变体cpd-91中都能恢复后者的表型：叶片变为长圆形、株高显著增加、果荚变大、根系更

7、加发达，与野生型的表型接近。在光暗下胚轴伸长实验、BR根长抑制实验和对根发育与开花时间的分析中发现，4个GmCPD基因的表达都能够修复突变体BR合成路径，恢复内源BR的水平。且在植株形态建成，根发育和叶片形态的调控中发挥重要作用。3.对GmBRI1和4个GmCPD基因在大豆不同组织中的表达情况进行了分析，发现GmBRI1基因主要在下胚轴和子叶这些细胞生长和分裂旺盛的部位表达；GmCPD1、GmCPD3和GmCPD4基因主要在大豆子叶和叶片中表达；GmCPD2基因在各组织表达量都较低，主要在幼嫩果荚中表达。对大豆

8、外源施加BR后，GmBRI1和4个GmCPD基因都有快速而强烈的响应；处理后GmBRI1基因表达上调而4个GmCPD基因都表达下调。4.对油菜素内酯相关基因与植物开花的关系进行了探索。CPD缺失突变体开花延迟的现象在本实验中也得到了证实，而GmCPD基因在cpd突变体中的表达能够恢复后者的晚花表型，表明CPD基因在开花过程中必不可少。在大豆开花逆转系统中，大豆自贡冬豆品种短日诱导13天