磷素调控小麦籽粒淀粉粒分化过程中质体分裂基因的作用机理研究

The wheat yield and quality are determined by the development of amyloplast in endosperm cells. Phosphorus is one of the most important factors affecting their development. In our earlier work the effect of phosphorus on starch biosynthesis and degradation were studied. However, the development difference of amyloplast and their response mechanism to phosphorus fertilizers are still unknown. In the present study, two common wheat will be cultivated under three different phosphorus conditions. At the important developmental stages of A and B starch granule differentiation, the following content will be done by the means of embedding caryopsis, observing endosperm amyloplast under electronic microscope, in situ hybridization and immune colloidal gold technique. .(1) Analyze the differentially expressed genes related to amyloplast division； (2) Analyze ftsZ gene function by VIGS recombined vectors and transfer to wheat spikes. In addition, the expression of the target genes /proteins and the distributions of A and B granules in the endosperm of transgenic wheat were analyzed; (3) Analyze the relationship among the amyloplast division, the distribution of phosphorus, and the distribution of A, B starch granules.. The objective of this study is to supply more information for further explore the mechanism of A and B type starch granule differentiation regulated by phosphorus.

小麦胚乳淀粉质体的发育状况与淀粉粒的形态、大小和数量密切相关，决定最终籽粒的产量与品质。磷素是影响胚乳淀粉质体发育最重要的营养因子之一。前期工作中研究了磷素对小麦淀粉合成和降解的影响，然而，小麦胚乳细胞中淀粉质体发育的差异及对磷素的响应机制还不清楚。本项目拟以两个小麦品种为材料，在三种磷肥供应水平下，从胚乳A、B型淀粉粒分化及发育的关键时期入手，通过采用颖果包埋、电镜观察、原位杂交、免疫杂交等方法，着重研究：1、淀粉质体分裂相关基因和蛋白的时空表达模式；2、质体分裂关键基因ftsZ在淀粉粒分化过程中的功能；3、胚乳中磷素的微区分布、淀粉质体分裂和淀粉粒度分布之间的关系。这些结果将有助于揭示磷素调控小麦胚乳A、B型淀粉粒分化的机理，并为磷素的高效利用和通过遗传改良方法生产小麦优质淀粉提供理论基础。

小麦胚乳淀粉质体的发育状况与淀粉粒的形态、大小和数量密切相关。磷素是影响淀粉质体发育最重要的营养因子之一。本研究从小麦A、B型淀粉粒分化及发育的关键时期入手，通过分析淀粉质体分裂相关基因的表达模式和TaftsZ的基因功能，以及籽粒中磷素转运的规律，取得了以下重要结果：.（1）施磷处理明显改变淀粉粒的粒径分布。施磷显著提高了两个小麦品种淀粉粒分化关键时期果皮和胚乳FtsZ1基因的表达；FtsZ2的表达强于FtsZ1，胚乳中的表达均显著高于果皮；.（2）果皮和胚乳淀粉粒结合蛋白分析表明，XD20碳水化合物代谢注释到更多的差异显著蛋白（DEPs），果皮中上调DEPs多于下调；.（3）TaFtsZ1和TaFtsZ2蛋白结构域相似，均包含２个微管蛋白结构域。与野生型相比，ftsz1突变体株高、籽粒长宽、淀粉粒平均粒径和A型淀粉粒含量极显著降低，B淀粉粒含量极显著增加；FtsZ1过表达植株旗叶叶面积、粒径、B淀粉粒含量极显著增加；千粒重、籽粒长宽厚均极显著降低；ftsz2突变体株高、B淀粉粒含量显著降低，叶面积、千粒重、粒径和A淀粉粒含量显著增加；FtsZ2过表达显著降低千粒重、籽粒长宽厚和B淀粉粒含量；粒径和A淀粉粒含量极显著增加。同时其他质体分裂相关基因也呈现不同的表达模式。.综上所述，小麦籽粒中Ftsz基因表达受磷素调控。施磷条件下胚乳和种皮中涉及细胞骨架和磷酸盐转运上调和下调的差异蛋白数量均呈显著正相关，且ADP葡萄糖转运蛋白Bt1均显著上调。细胞骨架对籽粒中磷酸盐和ADP葡萄糖转运有正向调节作用，表现为灌浆后期，籽粒淀粉含量及胚乳中B型淀粉粒含量显著高于对照。FtsZ1和FtsZ2基因之间可能存在遗传补偿机制，结合其他质体分裂相关基因共同对淀粉粒分化起双向调节作用。.上述结果有助于我们理解小麦胚乳A、B型淀粉粒分化的调控网络，并为磷素的高效利用和小麦优质淀粉的生产提供理论基础和新种质。