摘要: 水稻作为全球一半以上人口的主食，是单子叶植物生物学研究的重要模式植物。水稻小穗的发育情况直接影响了水稻的产量，因此关于水稻小穗发育分子机制的研究具有重要的理论价值和农学意义。近些年来对水稻小穗发育的研究已经取得了一定进展，然而其具... 展开 水稻作为全球一半以上人口的主食，是单子叶植物生物学研究的重要模式植物。水稻小穗的发育情况直接影响了水稻的产量，因此关于水稻小穗发育分子机制的研究具有重要的理论价值和农学意义。近些年来对水稻小穗发育的研究已经取得了一定进展，然而其具体的调控机制还未完全解析，所以仍需进一步的探索。 本研究以水稻畸形颖壳突变体malformed spikelet(mls)为研究对象，首先进行了突变体的表型分析，然后用图位克隆的方法分离了OsMLS，它编码一个含有C2H2的锌指结构域的转录因子。进一步利用转录组分析和染色质免疫沉淀技术，筛选出了OsMLS转录调控的候选下游基因。 OsMLS突变会使小穗在发育过程中表现出不同程度的畸形形态，包括长护颖、护颖变大为颖壳状结构、副护颖退化消失并转化成类似长护颖的结构、内颖缺失、雄蕊数目变化，以及种子变小和花粉粒活性降低等多效表型。这暗示在突变体中，小穗分生组织(SM)的身份和决定性发生异常，小花分生组织(FM)的活性与命运也受到了影响。在扫描电镜下对野生型和突变体的小穗进行观察，发现这两者的内颖外表皮细胞形态差异并不明显，而突变体小穗中护颖的外表皮细胞结构转化为类似野生型中内颖和护颖外表皮嵌合的一种畸形结构，并且突变体小穗的副护颖结构退化消失转化为类似野生型中内颖和护颖外表皮嵌合的一种畸形细胞结构。 通过图位克隆，鉴定到了OsMLS基因，DNA序列比对结果显示在mls突变体中，OsMLS基因发生了两个碱基的替换，并最终导致OsMLS蛋白翻译的提前终止。接下来，又用CRISPR-Cas9技术对野生型ZH11中的OsMLS基因进行了敲除，发现敲除植株和mls突变体具有相似的表型。OsMLS编码一个含有保守C2H2型锌指结构域的蛋白，亚细胞定位实验显示过表达植株中的OsMLS蛋白具有细胞核定位，因此推测OsMLS可以编码一个新型的含有C2H2型锌指结构域的转录因子。对OsMLS基因的表达模式分析显示，OsMLS在各个器官中均有表达，且在幼穗中表达量最高，这与OsMLS在小穗发育过程中所行使的重要功能是一致的。 为了探究突变体中小穗发育畸形的原因，利用转录组学测序技术，分析比较了野生型ZH11和敲除植株的幼穗中各基因表达的变化情况。GO富集分析显示在生物进程中和脂代谢相关的多条代谢途径可以得到富集;同时KEGG通路分析显示和脂代谢相关的α-亚麻酸代谢通路被富集，而α-亚麻酸是合成茉莉酸激素的前体。然后通过比较茉莉酸合成途径中44个基因的表达情况，筛选出了OsMLS转录调控的候选下游基因OsAOC。qRT-PCR结果表明OsAOC在突变体中表达下调，且植株内源茉莉酸含量测定实验也显示突变体中的茉莉酸含量降低。以上结果提示OsMLS参与了茉莉酸的合成过程。进一步的染色质免疫沉淀ChIP-seq技术以及ChIP-PCR实验结果表明，茉莉酸合成途径中的关键酶基因OsAOC是OsMLS的直接下游靶基因，且OsAOC和OsMLS在调控水稻护颖以及副护颖的发育上处于同一遗传通路。 综上所述，本研究鉴定到一个畸形颖壳突变基因OsMLS，并发现OsMLS可编码一个新的含有C2H2型锌指结构域的转录因子，OsMLS参与了水稻中茉莉酸的合成，同时可通过调控茉莉酸合成途径中的关键酶基因OsAOC的表达，来决定水稻小穗的发育。 收起