水稻LTR反转录转座子Retrofit2转录转座活性鉴定及EUI基因参与赤霉素代谢研究

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LTR反转录转座子是高等植物基因组最主要的组成成分。高等植物基因组越大,转座元件所占的比重也越大。LTR反转录转座子通过RNA中间体转座,它自身编码的反转录酶反转录自身的mRNA,产生的双链cDNA插入宿主基因组新的位点,从而完成一次转座过程。因此,LTR反转录转座子的转座能够导致宿主基因组体积增大,其活跃转座是高等植物基因组“膨胀”的主要动力。非等位同源重组可以部分消减转座子转座导致的基因组扩增,但是还不足以维持基因组的相对稳定。高等植物主要依赖于不同途径的表观遗传学修饰,来沉默大量的转座元件。因此,高等植物基因组中的LTR反转录转座子绝大部分都是沉默的。  虽然经历了半个多世纪的研究,在植物基因组中发现的活跃的LTR反转录转座子仍然非常少。水稻作为模式植物已经研究了多年,迄今还没有报道在正常生长状态下可以转座的LTR反转录转座子,仅仅发现了两个LTR反转录转座子,Tos17和Lullaby,在愈伤状态下可以转座。  通过对水稻长穗颈突变体eui1的研究,我们发现正是一个LTR反转录转座子,Retrofit2,的插入导致Eui1基因突变。Retrofit2为一个Ty1-copia类型的LTR反转录转座子,全长4889bp,具有4365bp的ORF,拥有典型LTR反转录转座子的全部特征。Retrofit2在EUI1基因中的插入产生5bp的TSD。在籼稻珍汕97为背景的eui1突变体ZS97eui1中,Retrofit2能够活跃地转座,在不同的株系中产生不同的新拷贝。通过TAIL-PCR和基因组Southern blot杂交,我们确定了其中两个新的插入位点。通过real-time PCR发现Retrofit2的转录活性受到ABA、干旱、盐胁迫等逆境的诱导。愈伤组织培养能显著诱导Retrofit2的转录,转录水平是叶片组织的约19倍。利用Northern blot杂交,在ZS97eui1愈伤组织中检测到全长的转录本。愈伤组织再生苗中检测到多个拷贝,说明Retrofit2在愈伤组织中也可以转录和转座。  Retrofit2来源于美洲粳稻Terso,与来源于长雄野生稻的反转录转座子Retrofit有最高的序列相似性。粳稻日本晴基因组中有3个同源序列,籼稻93-11中没有。通过PCR检测,在不同基因组类型的野生稻中发现了Retrofit2的特征序列。在东乡野生稻中获得一个与Retrofit2相似度达99.8%的同源序列。这些结果说明Retrofit2在野生稻中是广泛存在的。通过Southern blot检测,在24种不同来源的栽培稻中,仅在三种籼稻,双科早、湘资3150和Kasalath,基因组中检测到Retrofit2的特征序列。说明Retrofit2在栽培稻中已经非常稀少了。  这些结果说明Retrofit2是野生稻中活跃而广泛存在的一类转座子,作为基因组的一种不稳定因素,为野生稻快速适应环境变化提供了基因组基础。在栽培稻自然选择和人工驯化过程中,这些不稳定因素受到排斥而丢失,从而保证栽培稻的有利性状得到稳定遗传。对Retrofit2进一步的研究有可能为人工驯化对作物或家畜基因组的深刻作用提供例证。  杂交水稻种子生产过程中不育系抽穗不完全的现象严重制约杂交种子的产量。人工剪去剑叶或喷施赤霉素可一定程度增加产量,但耗时耗力,提高了制种成本,降低了种子质量。长穗颈突变体eui1和eui2最上节间在抽穗期显著伸长,其在育种上的应用可以从遗传上改善不育系的株型,提高制种产量,降低制种成本。在成功克隆EUI1基因的基础上,我们研究了EUI1的生理生化功能,发现EUI1编码的细胞色素P450单加氧酶环氧化非13-羟基化赤霉素GA12、GA9、GA4,从而在抽穗期调控节间组织活性赤霉素的含量,控制水稻的抽穗性状。我们进一步研究了eui2与eui1的遗传关系,表明EUI2与EUI1处于同一条赤霉素代谢途径,共同控制着抽穗期水稻茎秆中赤霉素的含量。对EUI2进一步的研究有望全面解析植物中一条不同于GA2ox的赤霉素失活途径。另外,我们遗传定位了一个低温环境下控制水稻叶绿体发育的隐性突变基因lta1,将目标基因锁定在水稻第11号染色体40.3kb的范围内。
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