AGL9型E类基因ZmSEP3-a和ZmSEP3-b在玉米花器官发育过程中的功能研究
批准号:
32101731
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
罗海山
依托单位:
学科分类:
作物基因组及遗传学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
罗海山
中文摘要
玉米花器官的形态特征和数目是影响其产量和品质的关键因素,开展玉米花器官发育机制的研究,对玉米分子育种具有重要意义。申请人采用反向遗传学的研究方法,鉴定到一对潜在参与玉米花器官发育的AGL9型E类的重复基因ZmSEP3-a和ZmSEP3-b。前期研究发现,ZmSEP3-a单基因突变会导致部分雄穗小花的花器官身份异常,小花中的雄蕊会转化为花丝状结构。表达分析发现ZmSEP3-a基因主要在玉米花序的各类分生组织中表达,如小穗分生组织和小花分生组织等。本项目将在此基础上,继续创制ZmSEP3-b基因的突变体,并与ZmSEP3-a构建双突变体进行深入的花器官形态学分析。同时,结合分子生物学和生物信息学等研究方法,对ZmSEP3-a和ZmSEP3-b基因功能进行系统性解析。该研究将揭示AGL9亚家族的E类基因在玉米花器官发育中的作用机制,完善玉米花发育调控网络,也为玉米品种的进一步改良提供理论支持。
英文摘要
The morphological characteristics and number of floral organs are the key factors affecting the yield and quality in maize. Studying on the mechanism of floral organ development is of great significance to maize molecular breeding. Through reverse genetics strategy, the applicant identified a pair of AGL9-like E class duplicated genes ZmSEP3-a and ZmSEP3-b that potentially involved in the development of maize floral organs. Previous studies have found that single gene mutation of ZmSEP3-a could lead to abnormal identity of floral organs in some of the tassel florets, in which the stamen would transform into silk-like structure. Expression analysis showed that ZmSEP3-a gene was mainly expressed in various types of meristem on maize inflorescence, such as spikelet meristem and floral meristem. Based on the previous research, this project will further create the ZmSEP3-b mutant, and construct double mutant with ZmSEP3-a for in-depth morphological analysis of floral organs. Furthermore, we will combine the research methods of molecular biology and bioinformatics to systematically analyze the functions of ZmSEP3-a and ZmSEP3-b genes. This study will reveal the regulatory mechanism of E class gene of AGL9 subfamily in maize floral organ development, improve the regulatory network of maize flower development, and provide theoretical support for further improvement of maize varieties.
玉米作为重要的粮食作物,其花器官的形态特征与产量和品质密切相关。深入挖掘并解析控制玉米花器官发育的相关基因,对玉米分子育种具有重要意义。目前,在玉米花发器官育相关的MADS-box同源异型基因中,E类基因的功能仍未得到充分表征。.本项目采用反向遗传学的研究策略,前期通过对团队已有玉米花序转录组数据进行分析,鉴定到一对可能影响玉米花器官发育的重复基因:ZmSEP3-a和ZmSEP3-b。同源性分析表明,ZmSEP3-a和ZmSEP3-b均为拟南芥E类花器官基因SEP3在玉米中的直系同源基因,属于AGL9亚家族。为了解析这对基因在玉米花器官发育过程中的功能,我们首先通过EMS诱变和CRISPR/Cas9基因编辑技术,创制了ZmSEP3-a和ZmSEP3-b基因的功能缺失突变体。对突变体表型分析发现,ZmSEP3-a和ZmSEP3-b基因冗余调控了玉米雌雄穗小花分生组织的确定性形成、胚珠的身份确立以及雄小花的性别决定。基因表达模式的研究表明,ZmSEP3-a和ZmSEP3-b基因在玉米花序的小穗分生组织和小花分生组织中特异表达。亚细胞定位和BiFC实验结果显示,ZmSEP3-a和ZmSEP3-b蛋白均定位于细胞核中,并且能够与B类和C类花器官发育相关的同源异型蛋白互作,表明这2个ZmSEP3蛋白在玉米中的功能具有较高的保守性。进一步的转录组分析显示,zmsep3-a zmsep3-b双突变体雌穗幼穗中的多个花器官发育和分生组织发育相关的分子通路受到严重影响,这些相关基因的表达变化可能与突变表型的形成存在密切联系。.本项目的研究成果不仅丰富了E类基因在玉米花器官发育过程中的功能研究,完善了玉米花发育的分子调控网络,而且有助于深入理解花器官发育的ABCDE模型在单子叶植物中的作用机制。同时,本研究结果也将为玉米分子设计育种提供更多的理论支持,有助于进一步改良和培育高产优质的玉米新品种。
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