甘蓝型油菜矮秆基因DS-5的克隆及功能研究

Plant height is one of the important factors affect lodging. The research of dwarfism would be of very importance in plant architecture improvement, yield increase and mechanized harvesting in B.napus. However, the study about plant height was very less and dwarfing breeding was aimless in B. napus because of the lack of dwarf mutants. In previous study, a dwarf mutant ds-5 was identified from the EMS mutant library of B. napus. Crossing experiments indicated that the dwarf mutant ds-5 might be a valuable dwarf germplasm in semi-dwarf hybrid breeding in B. napus. Genetic analysis indicated that a dwarfism was controlled by one semi-dominant gene in dwarf mutant ds-5. The target gene DS-5 was predicted to encode an AUX/IAA protein, which had been identified successfully by map-based cloning. This is the firstly found auxin-related gene affecting plant height in B. napus at present. In this study, the DS-5 gene whether leading to plant height reduction would be validated. Moreover, the molecular mechanism of DS-5 gene leading to dwarfism would be characterize comprehensively based on strategy of physiology, biochemistry and molecular biology. The application of DS-5 gene in semi-dwarf hybrid breeding would also be explored by multiple crossing experiment, which would provide fundamental basis for semi-dwarf breeding in B. napus.

株高是影响倒伏的重要因素，在油菜中开展矮秆性状的研究对于改良株型、提高产量和实现机械化收获具有重要意义。而在油菜中，由于缺乏矮化突变体，对株高形成的分子生物学机制研究有限，矮化育种也存在很大盲目性。前期研究中，我们从EMS突变体库中筛选到一个甘蓝型油菜矮化突变体ds-5。杂交试验表明ds-5可以为甘蓝型油菜半矮化杂交育种提供非常好的基因资源，矮秆性状受到一个不完全显性基因控制。随后通过图位克隆的办法鉴定到了导致矮化的目标基因DS-5，该基因编码一个AUX/IAA蛋白，是目前油菜中发现的第一个与生长素相关的株高控制基因。本研究中拟对DS-5基因导致矮化性状进行功能验证，并且通过生理生化以及细胞和分子生物学的手段深入探索DS-5基因导致株高降低的分子机理；进而通过多个杂交试验探索DS-5基因在半矮秆杂交育种中的应用，为油菜半矮化育种提供理论基础。

株型是与作物产量密切相关的重要农艺性状，解析株型形成的分子机制为作物株型的遗传改良提供了坚实的理论基础。近几年，育种家提出了甘蓝型油菜的理想株型，但控制株型相关的基因研究很少，株型调控的分子机理仍然不是很清楚。因此，发现对株型改良有利用价值的新基因具有非常重要的意义。. 前期研究中，我们通过EMS诱变得到一个甘蓝型油菜突变体sca，表现为半矮秆、分枝角度较小，但主花序长度没有发生改变，具有甘蓝型油菜理想株型的特征。本研究中，通过遗传分析表明该突变表型受到一对不完全显性基因控制。随后，通过图位克隆的办法成功鉴定到目标基因。本研究中，我们发现SCA编码生长素蛋白BnaA3.IAA7。sca突变体中BnaA3.IAA7基因的第二个外显子上发生了G-to-A的突变，导致了该蛋白domainⅡ中的高度保守氨基酸基序GWPPV突变成EWPPV（G84E）。等位基因特异性标记与表型共分离检测以及甘蓝型油菜的遗传转化实验表明，G84E突变是导致叶片形态、株高及分枝角度等地上株型改变的原因。基因表达分析表明，BnaA3.IAA7基因在所检测的油菜各个组织中都有不同程度的差异性表达。亚细胞定位实验表明，BnaA3.IAA7基因编码一个细胞核蛋白。酵母双杂交以及原生质体瞬时表达实验表明，G84E突变以依赖于生长素剂量的方式降低了BnaA3.IAA7蛋白与TIR1蛋白的亲和性，抑制了BnaA3.IAA7蛋白的降解，从而部分抑制了生长素的信号转导。G84E突变在低浓度生长素浓度的茎秆节间中抑制生长素信号，但在较高生长素浓度的茎顶端中并没有抑制生长素信号，最终使sca突变体节间变短但主花序长度不变。另外，G84E突变是通过增强植株的向重力性而减小分枝角度的。进一步研究发现，+/sca杂合基因型的植株为半矮秆（130-140 cm）且株型较紧凑，更符合油菜理想株型的特征；另外，+/sca杂合基因型植株的籽粒产量高于两个杂交亲本，该产量杂种优势是由sca位点的超显性效应产生的。总之，BnaA3.IAA7基因的G84E突变赋予了油菜理想株型的特征，同时产生了产量超亲优势，由此预期该突变体将来在油菜株型改良、密植、机械化收获和高产育种中有重要价值。