小麦“绿色革命”基因Rht-B1b降低株高的遗传调控机制解析
批准号:
32101733
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:
徐登安
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:
徐登安
中文摘要
小麦矮秆基因Rht-B1b(Rht1)和Rht-D1b(Rht2)的广泛应用是“绿色革命”的重要标志,该基因在降低株高上的作用已经明确,但是其调控的下游基因还不清楚。为解决该问题,我们前期创制了Rht-B1b过表达(Rht-B1b-OE)和敲除(Rht-B1b-KO)材料,并用Rht-B1b-OE材料确认了Rht-B1b的一因多效性,完成了茎秆、种子、叶片关键时期的RNA-Seq 分析,为本项目奠定了良好工作基础。为深入解析Rht-B1b降低株高的遗传调控机制,本项目拟用Rht-B1b-OE、Rht-B1b-KO和阴性植株进行如下研究:(1)穗下节间基部的居间分生组织RNA-Seq分析和酵母双杂交筛选DELLA(Rht-B1b编码)互作蛋白,揭示基因的调控网络;(2)Rht-B1b下游关键基因功能验证;(3)在自然品种中挖掘、验证下游“关键基因”优异等位变异,开发方便育种应用的分子标记。
英文摘要
The extensively utilization of semi-dwarf genes Rht-B1b (Rht1) and Rht-D1b (Rht2) is an important symbol of the "Green Revolution" in wheat. Although the function of semi-dwarf genes Rht-B1b and Rht-D1b in reducing plant height has been well studied, their related genes and genetic network remain unclear. In order to solve these problems, we have created Rht-B1b gene over-expression (Rht-B1b-OE) and CRISPR/Cas9 knockout (Rht-B1b-KO) materials. The pleiotropic effects of Rht-B1b was confirmed using the Rht-B1b-OE materials by RNA sequencing (RNA-Seq) analysis of stems, seeds and leaves in key time-points, this work laid a good foundation for this on-going project. To further dissect the genetic regulation mechanism of Rht-B1b in reducing plant height, this project plans to use Rht-B1b-OE, Rht-B1b-KO and corresponding negative plants to carry out the following studies: (1) RNA-Seq analysis of basal meristem of uppermost internode and identification of DELLA (encoded by Rht-B1) interacting proteins by yeast two-hybrid system to disclose the gene regulatory network, (2) functional verification of Rht-B1b downstream genes, and (3) mining and verifying allelic variations of "key genes" in natural varieties, and developing molecular markers for marker-assisted breeding.
项目的背景:20 世纪60~70年代,小麦“绿色革命”以矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b广泛利用为标志,与增施化肥相结合,极大促进了小麦产量提高。然而,GR基因在产量决定中的具体功能和潜在的调控机制尚不清楚。.研究内容:1.对不同发育时期的茎秆、种子、叶片、幼穗等不同组织进行RNA-Seq分析,绘制DELLA蛋白调控小麦发育的基因动态表达谱;2)选取Rht-B1b下游关键基因进行CRISPR敲除验证其对株高的影响;3)在自然品种中挖掘、验证“关键基因”优异等位变异,开发分子标记用于分子育种;4)综述小麦株高研究进展;5)研究Rht-B1b对胚芽鞘的影响。.重要结果:1)明确Rht-B1b主要通过促进分蘖的形成来增加穗数,并通过增强小花的育性来提升穗粒数。此外,Rht-B1b通过减小节间细胞的大小来降低植株高度,通过降低籽粒种皮细胞的数量来减小籽粒的大小和重量;2)转录组分析进一步揭示了Rht-B1b调控株高的多个下游基因,并已进行基因编辑验证;3)通过酵母双杂交方法筛选出17个与DELLA蛋白的互作的蛋白;4)系统性总结了2003至2022年间发表的151篇关于小麦数量性状(QTL)连锁分析和全基因组关联研究(GWAS)以及已克隆的株高基因的文章,共整理出了332个QTL、270个GWAS位点和83个株高基因,并鉴定出65个QTL簇(QRC);5)明确Rht-B1基因就是QCL.qau-4BS QTL的目标基因,并通过转录组分析揭示了Rht-B1b在胚芽鞘发育中涉及的一些关键途径。.科学意义:1)初步解析了Rht-B1b在降低株高方面的遗传机制和增产方面的多重功能,也为理解植物形态建成和产量形成的调控机制提供了新的方向;2)明确Rht-B1b调控株高和粒重的机制不同,为培育半矮秆、高粒重小麦奠定基础;3)首次开展DELLA蛋白酵母双杂交筛库,为解析其功能奠定了良好基础;4)从65个株高QTL簇中,我们共鉴定出38个候选基因,为培育半矮秆小麦提供了多种选择;5)明确含有Rht-B1b基因的半矮秆小麦胚芽鞘普遍较短。这些发现不仅明确了Rht-B1b在增产方面的多重功能,也为理解植物形态建成和产量形成的调控机制提供了新的方向。.
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