水稻Osmads1+Osmads6-5小穗的形态特征及相关基因的表达分析

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水稻花器官发育的结果与其产量和品质直接相关。因此,开展水稻花器官发育的研究具有重要的意义。本课题组从水稻中找到两种花器官发育异常的突变体Osmads1和Osmads6-5。其中,Osmads1的四轮花器官均有不同程度的改变,表现为内外稃明显伸长、变薄而发育成叶片状器官;浆片转变成类稃片状器官且数目增多,雄蕊数目减少,雌蕊偶见增多;Osmads6-5的外稃发育基本正常但内稃明显增大,其内三轮的浆片、雄蕊和雌蕊完全转变为类稃片状器官,同时失去了花分生组织决定。为了进一步了解这两个基因在调节水稻花器官发育中的功能及其相互关系,我们构建了Osmads1 +Osmads6-5双突变体。本文对其表型及表达调控进行了分析,所得结果如下:1.Osmads1+Osmads6-小穗的表型特征Osmads1+Osmads6-5成熟小穗的表型明显变异,其内外稃明显伸长呈叶片状,与Osmads1极为相似;第二轮的浆片完全退化,在该部位长出多个细长稃片状器官;第三、四轮的雄、雌蕊完全消失,取而代之的是由多个小穗和明显延长的花梗组成的“花中穗”结构,所有这些小穗均由多轮稃片状器官包裹而成,与Osmads6-5相似。此外,与Osmads6-5相同,该双突变体小穗完全失去花分生组织确定性。石蜡切片分析表明,双突变体内外稃中的维管束数量明显增多而与Osmads1相似。扫描电镜观察显示,Osmads1+Osmads6-5小穗的内、外稃原基的起始与野生型没有明显差异,但其随后的发育速度明显加快,最终发育为叶片状器官;第二轮的浆片原基的起始时期与野生型也基本一致,但其原基数目增多且发育速度加快,最终发育为稃片状器官;双突变体中雄蕊和雌蕊原基并未分化,但其中央的花分生组织分化出多个枝梗原基并继续向上发育成明显延长的枝梗。随后,这些枝梗原基不断分化出多个小穗原基,最终这些小穗原基发育成与Osmads6-5相似、完全由类稃片状器官包裹而成的结构。2.OsMADS1、OsMADS 与其它花器官特征基因之间的调节关系利用qRT-PCR分析几个花发育相关基因在野生型、Osmads1、Osmads6-5和Osmads1 +Osmads6-5中的表达情况。结果发现OsMADS16/3/7在两个单突变体中的表达下调,但在双突变体中的下调更加明显。DL和OsJAG在Osmads1中表达下调,在Osmads6-5中的表达则上调;而在Osmads1+Osmads6-5中,DL的表达水平没有明显变化,但OsJAG的表达下调。这些结果表明,OsMADS1和OsMADS6可能调节这些基因的表达,从而决定水稻花器官的发育。有趣的是,OsMADS/在Osmads6-5中的表达明显上调,而OsMADS6在Osmads1中的表达水平没有明显变化。这表明OsMADS6抑制了 OsMADS1的表达,但OSMADS1并未直接影响OsMADS6的表达。该结果进一步得到原位杂交结果的验证。原位杂交结果显示,与野生型相比OsMADS1表达范围明显扩大到Osmads6-5中的多轮稃片状器官,致使其表达上调;但OsMADS6基因在野生型和Osmas1中的表达量和表达部位基本不变。综上所述,OsMADS1和OsMADS6在水稻花器官发育的不同时期和阶段,通过调节花器官特征基因的表达,从而控制水稻花器官发育和花分生组织决定。推测在双突变体花器官发育期间,OsMADS1和OsMADS6单独或共同控制了四轮花器官发育的过程,但其作用呈现先后顺序。其中,OsMADS1基因首先起作用,单独控制内、外稃的发育,OsMADS1和OsMADS6共同调控浆片的发育,OsMADS6单独作用使雄蕊和雌蕊退化,并且决定着花分生组织的命运。
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