水稻聯乙烯還原酶基因OsDVR的圖位克隆與功能分析

《水稻聯乙烯還原酶基因OsDVR的圖位克隆與功能分析》是王平榮為項目負責人，四川農業大學為依託單位的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水稻聯乙烯還原酶基因OsDVR的圖位克隆與功能分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王平榮
• 依託單位：四川農業大學

項目摘要

聯乙烯還原酶(DVR)將四吡咯上的8-乙烯基還原為乙基，是合成正常葉綠素的一個關鍵酶。前期工作以824ys突變體為材料，圖位克隆了水稻聯乙烯還原酶基因OsDVR，並證實了一種新的DVR活性，論文已在國際學術刊物《Plant Physiology》發表。本項目在此基礎上，主要開展三方面研究：一是系統檢測水稻等植物體內葉綠素生物合成途徑中各種DV型和MV型中間物質的積累情況，並系統開展體外酶學實驗，深入探討DV→MV是由一個酶還是多個酶催化以及轉化的主要路徑這一關鍵問題；二是通過轉基因實驗，探明過量表達OsDVR轉基因植物的光合效率、抗逆性、主要農藝性狀等變化情況；三是通過化學誘變，篩選新的OsDVR突變體，探查其形態特徵、生理特性及主要農藝性狀表現，這對進一步闡明葉綠素生物合成途徑具有重要理論意義，並為套用OsDVR基因提高產量、增強適應性、作為標記基因套用於雜交稻育種等方面奠定基礎。

結題摘要

聯乙烯還原酶（DVR）將各種葉綠素中間物質的8-乙烯基還原為乙基，是合成正常葉綠素必不可少的關鍵酶。迄今已在高等植物中檢測到5種DVR活性，但這些研究大多沒有使用純化或重組酶蛋白，因而這些DVR活性還缺乏足夠的酶學實驗證據，並且尚不清楚這些還原活性是由一個基因編碼的一個DVR酶催化，還是由多個基因編碼的多個酶催化，因而這些問題已成為葉綠素生物合成研究的關注焦點之一。本項目前期工作以一份自然突變的黃化突變體824ys為材料，首次圖位克隆了水稻聯乙烯還原酶基因OsDVR，並證實了一種新的DVR酶活性。本項目在此基礎上，利用序列同源性克隆了玉米和黃瓜的DVR基因，以單子葉植物水稻和玉米以及雙子葉植物黃瓜和擬南芥的重組DVR蛋白為代表，套用5種聯乙烯底物進行了系統的酶學實驗，同時，調查了水稻、玉米和黃瓜體內葉綠素生物合成中間物質的積累情況，詳細檢測了OsDVR基因完全失活的水稻黃化突變體824ys在不同時期、不同組織器官的葉綠素組成成份，結果表明水稻和玉米的重組DVR蛋白能將聯乙烯葉綠素酸酯a、葉綠素a、原葉綠素酸酯a、鎂原卟啉Ⅸ單甲酯和鎂原卟啉Ⅸ等5種聯乙烯底物分別轉化為相應的單乙烯物質，從而首次證實了前述5種DVR活性，同時，探明在高等植物葉綠素生物合成途徑中，各種聯乙烯中間物質的8-乙烯基還原為乙基是由一個具有廣譜底物專化性的DVR蛋白所催化的，然而，來源於不同物種的同源DVR蛋白的催化活性可能具有極顯著的差異，並且即使是同一個DVR蛋白，對不同的聯乙烯底物也可能具有極顯著不同的催化活性。據此結果，首次提出了“由一個聯乙烯還原酶所催化的多分支途徑”假說，這對進一步闡明和完善葉綠素的生物合成途徑具有重要意義。另一方面，本項目通過EMS化學誘變秈稻品種岡46B和粳稻品種日本晴獲得53份黃綠葉突變體，從這些突變體中篩選到2個新的DVR突變體590ys和525ys，系統分析與觀察結果表明，由於OsDVR基因的鹼基突變位點和數目不同，造成590ys、525ys和824ys這3個突變體在葉綠素含量、葉綠素組成、植株表型以及主要農藝性狀和單株產量的極顯著差異，其中525ys突變體所受影響相對較小，故認為OsDVR基因作為標記基因在提高雜交水稻特別是兩系雜交水稻的種子純度、防範可能給生產造成的風險等方面可能具有較大的套用潛力。