谷子穗发育突变体silp1的突变基因克隆及作用机理研究

Chifeng district in Inner Mongolia is one of the original and major foxtail millet producing regions. It also been regarded as the cradle of rainfed agriculture and list by UNFAO. Foxtail millet is becoming a model plant of functional genomic research in Gramineae, based on its small genome and self pollination characteristics. Panicle characteristic is a determine factor of crop production, which also is a hot topic in functional genomic research. However, few reports were found on genes regulated panicle development in foxtail millet. In this study, we use EMS chemical mutagen to screen for mutations affecting foxtail millet panicles. The panicle development of the mutant can be revealed through Immunohistochemical staining and microscopic examination. Genetic analysis, map-based cloning and candidate gene complementation can be used to validate the mutated gene. Then, we employ subcellular localization, GUS staining, RT- and qRT-PCR, and RNA-seq to analyze the molecular mechanisms of genes regulating on panicle development in foxtail millet. Organizing core germplasm and varieties collected from Chifeng district, identify mutant alleles of the candidate gene and their effects on panicle characteristics. Our research will provide theoretical gist for molecular mechanisms on panicle development, and also provide theoretical direction on high yield breeding of foxtail millet and other crops.

内蒙古赤峰是我国谷子的主产区，是目前已知最早驯化栽培谷子的发掘地，被联合国命名为干旱农业起源的世界文化遗产。谷子基因组小和自花授粉等特性使其正发展成为禾本科功能基因组研究新的模式植物。穗部性状是决定作物产量的主要因素，是功能基因组研究的热点，但对谷子穗发育相关基因的研究鲜见报道。本项目以谷子穗发育异常突变体silp1为研究对象，通过表型/显微结构观察、免疫组化染色等探讨穗发育异常的生物学机制，利用BSA、MutMap法克隆突变基因，通过敲除、回补、超表达等转基因验证功能，利用亚细胞定位、GUS染色、RT-PCR、qRT-PCR等分析表达特征，通过RNA-seq探讨调控网络，解析突变基因影响谷子穗发育的作用机理；并结合谷子核心种质和赤峰当地品种，挖掘突变基因的等位变异，探讨不同等位变异对谷子穗部性状的影响。研究结果对解析谷子及禾本科作物穗发育的分子机制、指导谷子等作物高产育种等具有重要意义。

内蒙古赤峰是我国谷子的主产区。谷子基因组小和自花授粉等特性使其正发展成为禾本科功能基因组研究新的模式植物。穗部性状是决定作物产量的主要因素。本项目以谷子穗发育异常突变体为研究对象，探讨穗发育异常的生物学机制，解析突变基因影响谷子穗发育的作用机理。结果发现：（1）siaux1的穗码变稀、单穗产量极显著降低，突变性状由位于5号染色体编码IAA输入载体（AUX1）的基因SiAUX1（Seita.5G387200）控制。（2）敲除水稻OsAUX1（LOC_Os01g63770）基因突变株的穗密度、侧根密度显著减小；异源超表达SiAUX1基因水稻突变株的穗密度、侧根密度显著增大。50个代表性谷子品种中，7个品种的SiAUX1基因3’UTR区存在38bp的大片段缺失，这些品种的穗码密度显著大于其它品种。（3）SiAUX1基因在生长旺盛的胚芽、心叶、幼穗等幼嫩组织和主根的髓、颖壳的脊等维管组织中高表达，与生长素的分布与运输模式吻合。（4）谷子AUX/LAX家族有5个基因，只有SiAUX1在穗中高表达，其它4个基因在不同发育时期的根中高表达。（5）lp1的穗码变稀、单穗产量显著降低，但籽粒变长变宽、千粒重极显著增大；突变性状由位于2号染色体属于WRKY转录因子家族Ⅰ亚族的基因LP1（Seita.2G369500）控制。（6）LP1基因分别在拔节期的茎节、孕穗期的穗、灌浆期的籽粒中高表达，这与其调控株高、穗型和种子大小的功能吻合。（7）亚细胞定位显示LP1基因在细胞核中表达，符合转录因子基因的表达特征。主要结论：谷子的穗发育是受多个基因控制的复杂过程，生长素输入载体编码基因SiAUX1和WRKY家族转录因子LP1突变均会导致谷子穗发育异常，表现出明显的稀码特征，且单穗产量显著下降。这些研究结果对解析谷子及禾本科作物穗发育的分子机制、指导谷子等作物高产育种等具有重要意义。