高粱叶龄调控叶片衰老关键基因的挖掘

Leaf senescence occurs at the final phase of leaf development and can profoundly influence grain filling and the yield potential in crop. Leaf age or the developmental stage, is one of the key factors regulating leaf senescence. Little is known about the age/developmental control of leaf senescence in crops, albeit intensive studies have been carried out in the model plant Arabidopsis. In this project, using sorghum as a model, we will establish an experimental system to examine the onset and progression of leaf senescence in developing sorghum leaves, analyse the genetic variation in the genetic control of leaf senescence of sorghum using a panel of inbred lines and segregation populations. Association mapping and QTL analysis will be employed to discover genes controlling developmental leaf senescence in sorghum. The research is expected to define the underpinning components of the regulatory network of leaf senescence in sorghum.

叶片衰老发生在叶片发育的后期，对作物籽粒形成和产量有着重要的影响。叶龄是调控叶片衰老的关键因子之一。目前叶龄调控叶片衰老研究主要集中在模式植物拟南芥中，作物中并没有系统研究，而模式作物和大田作物在叶片衰老模式方面可能存在不同，因此拟南芥叶龄调控的衰老理论并不一定适合作物。因此在作物中研究叶龄调控叶片衰老具有重要的科学意义。本研究拟利用高粱自交系、核心种质资源和已构建的杂交群体，系统建立叶片衰老研究生理生化和遗传学实验体系，结合对叶龄调控的不同发育期叶片衰老精细的生理生化表型分析和养分转运动态变化追踪，通过关联分析和QTL定位，探索高粱叶龄调控的叶片衰老启动与进程速率的遗传基础，鉴定影响叶片功能期和营养转运的衰老调控关键基因，为下一步利用分子设计育种技术整合不同的衰老调控节点，定向改良高粱品种，实现增产稳产目标打下基础。

衰老是植物生命周期中必须经历的阶段，是细胞、组织、器官以及整株植株成熟后功能逐渐衰退直到终止生命活动的程序性细胞死亡过程。叶片衰老是一种器官水平上的衰老，而且与细胞、组织上的衰老过程密切相关。研究表明，叶片衰老的延迟或加速能够影响作物的产量和品质，同时可以影响作物对于干旱胁迫的耐受性。黑暗方法诱导离体叶片衰老可衡量高粱叶片器官水平上衰老，此方法不仅能够一定程度上模拟田间叶片的衰老过程，还具有实验周期短、条件可控、重复性好等明显优势。目前在C4作物中，采用黑暗处理研究离体叶片衰老的报道不多，体系尚不完善，限制了衰老调控基因的鉴定和分子机理的深入研究。 .高粱是一种重要的C4植物研究模式。本研究选取高粱为对象，采用离体叶片黑暗诱导处理、以持绿面积量化分析为指标、分析不同培养条件对叶片衰老的影响，建立了暗诱导叶片衰老的研究体系。比较分析了207个高粱自然品种在黑暗培养条件下离体叶片衰老表型，并根据不同品种间叶片衰老起始和衰老速率的差异确定离体叶片的四种衰老模式。挖掘出育种所需的衰老起始晚，衰老速率快的优良实验材料28份，这些材料能保证较长时间的叶片功能期，同时衰老速率快，保证了营养物质的快速转移，提高和保证了高粱生物产量和质量，这类材料可以很好的应用于高粱的遗传改良育种工作中。利用207份重测序品种的基因型数据，通过关联分析手段鉴定了调控高粱衰老起始和衰老进程的关键遗传位点，共计53个，候选基因240个。通过已知QTL数据和叶片衰老转录组数据，筛选出14个参与高粱离体叶片衰老过程的关键候选基因。同时对其中调控叶片衰老的启动基因OLS1进行功能分析，发现该基因通过调节叶片衰老启动过程，调节植物开花，进而参与植株衰老过程。深入解析该基因的功能和调控机理，对于作物持绿表型的遗传改良具有重要意义，希望可以继续经费支持开展后续研究。