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叶片衰老是影响水稻生长发育和产量形成的重要因素,是水稻改良的重要目标。叶片衰老对植物的生长、发育、适应、存活和繁殖均具有重要意义。本文报道了一个新的水稻早衰突变体es5(early leaf senescence5),它由甲基磺酸乙酯(EMS)处理的粳稻品种嘉禾212衍生而来。我们对其进行了表型特征和农艺性状的测定,生理生化特性、细胞死亡发生和ROS积累的检测,ES5基因的遗传定位、功能互补和脂质代谢产物谱分析。通过定位克隆方法,成功克隆了编码磷脂酰丝氨酸合成酶的ES5基因。研究结果表明,ES5的突变引起水稻磷脂酰丝氨酸的积累,并导致水稻的早衰。研究结果如下:
1.es5突变体在4叶期后表现叶片黄化。活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)的高积累、叶绿体的解体、叶绿素含量和光合速率的降低证实了这一表型变化。受早衰影响,es5突变体的株高、单株有效穗、结实率及千粒重较野生型均显著降低。此外,衰老相关基因(SAGs)和叶绿素降解相关基因在es5中上调表达,光合作用相关基因下调表达。
2.ES5的候选区域被精细定位在第5染色体长臂37.57kb的物理区间内。该区间包含6个开放阅读框(ORFs)。DNA测序结果表明,es5突变体在ORF2中存在G/A’单碱基置换突变,cDNA测序结果亦证实了该单碱基突变。遗传互补实验结果显示,ES5基因能成功恢复突变体早衰表型,这证明突变体早衰表型由ES5基因的G/A碱基置换突变引起。
3.ES5编码一种膜结合的磷脂酰丝氨酸合成酶(PSS),它参与膜磷脂酰丝氨酸(PS)的生物合成。尽管膜脂中PS含量较低,但它在植物细胞代谢如细胞死亡信号、囊泡运输、脂蛋白相互作用和膜脂代谢中起着非常重要的作用。野生型、es5及互补转基因植株中的PSS活力和PS含量测定结果显示,es5中PSS活力和PS含量均明显高于野生型和互补植株,表明PS水平的改变可能在细胞死亡信号中起重要作用并影响水稻的早期衰老。
4.脂质代谢产物组分析共鉴定到1514种差异表达代谢产物,其中1220种上调,294种下调。KEGG分析显示差异表达的甘油磷脂在KEGG通路中有明显富集,表明es5突变体的叶片早衰表型可能与改变的甘油磷脂代谢相关。
1.es5突变体在4叶期后表现叶片黄化。活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)的高积累、叶绿体的解体、叶绿素含量和光合速率的降低证实了这一表型变化。受早衰影响,es5突变体的株高、单株有效穗、结实率及千粒重较野生型均显著降低。此外,衰老相关基因(SAGs)和叶绿素降解相关基因在es5中上调表达,光合作用相关基因下调表达。
2.ES5的候选区域被精细定位在第5染色体长臂37.57kb的物理区间内。该区间包含6个开放阅读框(ORFs)。DNA测序结果表明,es5突变体在ORF2中存在G/A’单碱基置换突变,cDNA测序结果亦证实了该单碱基突变。遗传互补实验结果显示,ES5基因能成功恢复突变体早衰表型,这证明突变体早衰表型由ES5基因的G/A碱基置换突变引起。
3.ES5编码一种膜结合的磷脂酰丝氨酸合成酶(PSS),它参与膜磷脂酰丝氨酸(PS)的生物合成。尽管膜脂中PS含量较低,但它在植物细胞代谢如细胞死亡信号、囊泡运输、脂蛋白相互作用和膜脂代谢中起着非常重要的作用。野生型、es5及互补转基因植株中的PSS活力和PS含量测定结果显示,es5中PSS活力和PS含量均明显高于野生型和互补植株,表明PS水平的改变可能在细胞死亡信号中起重要作用并影响水稻的早期衰老。
4.脂质代谢产物组分析共鉴定到1514种差异表达代谢产物,其中1220种上调,294种下调。KEGG分析显示差异表达的甘油磷脂在KEGG通路中有明显富集,表明es5突变体的叶片早衰表型可能与改变的甘油磷脂代谢相关。