小麦DELAYED GERMINATION 1 基因调控种子萌发和穗发芽的分子机理
批准号:
32071922
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李海峰
依托单位:
学科分类:
作物生理学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李海峰
中文摘要
收获前穗发芽影响小麦产量和质量。鉴定调控种子萌发的关键基因,有助于揭示穗发芽的分子机理,为运用基因编辑技术创制耐穗发芽材料奠定分子基础。基于申请人在水稻中鉴定的正向调控种子萌发的新基因DEG1,在小麦中克隆了功能可能冗余的三个DEG1同源异源基因,运用基因编辑技术创制了三突变体。萌发实验初步表明小麦DEG1基因可能同样调控种子萌发和穗发芽。在获得了突变体等材料和相关实验结果的基础上,项目计划:1)通过萌发和穗发芽等实验,进一步确定基因功能,分析三个基因功能的冗余或差异;2) 通过转录组测序、染色质免疫共沉淀、酵母双杂交等实验鉴定下游基因和相互作用蛋白,解析机理;3) 在分子育种方面开展基础性工作,包括考察突变体产量性状、分析基因多态性。项目围绕穗发芽科学问题,预期在小麦种子萌发和穗发芽的分子机理方面取得突破,为分子遗传改良穗发芽抗性提供具有自主知识产权的候选基因。
英文摘要
Pre-harvest sprouting (PHS) affects the yield and the quanlity of wheat. Identify key genes which regulate seed germination is helpful to reveal the molecular mechanism of PHS, and could lay a molecular foundation for creating materials to resist PHS. Based on our identified new rice DEG1 (DELAYED GERMINATION 1) gene, which regulates seed germination positively, three wheat Homoeologous DEG1 genes were cloned, and triple mutant lines were generated with CRISPR-Cas9 system. Seed germination of triple mutant was delayed compared to the control, implying that wheat DEG1 genes also function in regulating seed germination and PHS, and can be used in genetic improvement of PHS resistance. Based on the generated triple mutant lines, HA tag fused over-expression trangenic wheat lines, expressed and purified GST fused protein, and other materials and gained results, we mke a plan for this porgram: 1) characterize the functions in regulation of seed germination and PHS further, and analyze the functional redundancy or differences between three Homoeologous genes by performing seed germination assay, PHS test and other experiments ; 2) identify downstream genes and interacting proteins of DEG1 transcription factors at genome level to elucidate the molecular mechanism, by performing RNA-Seq, Chromatin Immunoprecipitation Assay (ChIP), Yast two hybrid (Y2H) and CO-IP; 3) do some basic works on molecular breeding: investigate yield traits of triple mutant lines; analyze the polymorphism of wheat DEG1genes in different wheat germplasm resources . This program is focused on PHS, and it is predicted to make significant progress in revealing the molecular mechanism to regulate seed germination and PHS, and provide new candidate genes for genetic improvement of resistance to PHS.
小麦和水稻是重要的粮食作物。揭示籽粒和种子发育遗传基础和分子机理,具有理论意义和应用价值。项目基于小麦和水稻DEG1基因,围绕它们调控种子萌发以及种子发育的功能,开展了系统的研究工作。主要结果如下:.小麦方面.1、创制了研究材料.利用CRISPR-Cas9技术,创制获得了小麦TaDEG1三突变体材料,TaDEG1A/D和TaDEG1B过表达转基因小麦和水稻材料,以及TaDEG1-A启动子驱动报告基因GUS的转基因小麦;.2、鉴定了TaDEG1调控种子萌发和种子发育的功能.萌发实验表明,TaDEG1三突变体W1、W2萌发变慢,种子大小正常;一个特殊三突变体W1T1种子变窄,过表达转基因小麦种子变宽。这些结果表明TaDEG1调节种子萌发,还可能调节种子大小。.3、鉴定到了TaEM1等下游基因.基于水稻中的研究结果进行的EMSA实验结果表明,TaDEG1通过直接抑制TaEM1的表达促进种子萌发。另外,转录组测序结果表明,W1突变体种子中水通道蛋白基因表达水平显著降低;W1T1种子中淀粉酶基因表达水平显著降低;编码脱水素的基因表达水平也显著降低。TaDEG1通过调节这些基因的表达,调控种子萌发。.4、通过筛选酵母文库和进行一对一验证,鉴定到了雌性不育同源异型蛋白、SnRK2、E3泛素连接酶等TaDEG1潜在的互作蛋白。.水稻方面.1、创制了研究材料.在Dongjin、中花11等遗传背景下创制获得了多个OsDEG1突变体,创制了其下游基因OsEM1、OsGA2ox9等单突变体和双突变体,其互作蛋白基因SAPK9单、双突变体;.2、明确了OsDEG1正向调控种子萌发的功能,鉴定到了关键下游基因.萌发实验显示OsDEG1和TaDEG1一样,正向调控种子萌发。转录组测序、EMSA等实验表明OsDEG1通过在转录水平调节EM1、OsGA2ox9等基因的表达负向调控ABA信号,正向调控GA信号。遗传相互作用分析结果表明OsEM、OsGA2ox9是OsDEG1调控种子萌发的关键下游基因。.3.鉴定到了和OsDEG1互作的关键激酶SAPK9.SAPK9和DEG1互作,通过磷酸化介导其通过26S蛋白酶复合体系统降解,负向调控其稳定性,拮抗其促进种子萌发的功能。.总之,项目揭示了小麦和水稻DEG1的生物学功能和作用机理。两者在功能和作用机理方面存在相同点,也存在差异。
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