玉米籽粒發育關鍵基因的生物學功能分析

《玉米籽粒發育關鍵基因的生物學功能分析》是依託上海大學，由宋任濤擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：玉米籽粒發育關鍵基因的生物學功能分析
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：宋任濤
• 依託單位：上海大學

中文摘要

玉米是最主要的糧食作物。玉米作為C4植物，具有優異的光合效率，也是生產上廣泛利用雜種優勢的作物，具備優異的“源”。玉米籽粒是玉米主要的儲藏器官，其中胚乳組織是最主要的儲藏器官，是玉米產量相關的主要“庫”。已有研究表明，正常條件下玉米產量是“庫”限定的。因此，通過研究玉米胚乳發育和儲藏物代謝的機制，提高“庫”的能力和效率，是提高玉米產量的新途徑。玉米籽粒的發育過程中，胚乳的早期發育階段，決定了後期籽粒的大小；胚乳中期的儲藏物積累階段，決定了後期籽粒的重量，這兩個階段和籽粒的“庫容”和“庫效”有密切關係。針對這兩個時期的關鍵籽粒突變體，開展基因克隆和功能分析，將有助於解析玉米籽粒產量決定的關鍵因素。我們前期的研究中，通過收集和分析玉米籽粒突變體，已初步克隆了多個重要胚乳突變體的基因。本研究將開展這些基因的生物學功能分析，揭示玉米籽粒發育和代謝物積累等分子機理，為提高玉米產量性狀提供理論指導。

結題摘要

籽粒是玉米的主要儲藏器官和收穫形式。玉米籽粒的發育和儲藏物代謝，直接影響了籽粒的粒重，是產量形成的重要決定因素。開展玉米籽粒突變體的研究，可以揭示玉米粒重形成的相關分子機制，為解析產量性狀的調控網路奠定基礎。本項目執行期間，開展了6個粒重突變體的基因克隆和功能分析；其中Opaque6（發表時命名為Pro1）是一個經典的籽粒突變體，編碼一個脯氨酸合成的關鍵酶（P5CS2），該基因突變造成細胞內脯氨酸缺乏，抑制細胞的蛋白翻譯和細胞分裂。該研究結果發表在《Plant Cell》上。Dek*（發表時命名為Reas1）是我們實驗室新鑑定的一個籽粒突變體，編碼一個60S核糖體成熟因子。突變造成胞質內60S核糖體減少，有趣的是，核糖體利用效率和蛋白翻譯效率反而提升，但細胞增殖和生長抑制，提示了細胞記憶體在複雜的反饋調控機制。研究結果發表在《Plant Physiology》上。Dek2是一個經典的玉米籽粒發育缺陷突變體，編碼一個定位線上粒體的P類型的PPR蛋白。Dek2參與了線粒體Nad1 Intron1的剪下，突變造成線粒體功能下降，影響了胚乳傳遞層的發育，產生籽粒發育缺陷表型。該研究結果發表在《Genetics》上。Dek35是我們實驗室新鑑定的籽粒發育缺陷突變體，基因克隆發現也編碼一個定位線上粒體的P類型的PPR蛋白。Dek35參與了線粒體Nad41 Intron1的剪下，突變同樣造成線粒體功能下降，影響了胚乳傳遞層的發育，產生籽粒發育缺陷表型。該研究結果已被《Molecular Plant》接收發表。Opaque11也是一個經典籽粒突變體，我們通過圖位克隆對基因進行了克隆，並通過轉基因確認了該基因。它編碼一個胚乳特異表達的轉錄因子。Opaque9（即Sh4）是一個經典籽粒突變體，我們用圖位克隆的方法進行了基因克隆，並通過轉基因確認了該基因。它編碼一個定位在細胞膜上的金屬轉運蛋白。Sh4和Opaque11的功能研究仍在進行中。本項目執行期間，共發表本項目標註的SCI論文7篇，申請專利3項，圓滿完成了各項任務指標。本項目所取得了多項創新性研究結果，顯著推進了對玉米粒重形成的分子機制的認識。