MSH1基因介导的番茄生长发育优势与机制研究
MutS Homolog(msh1)基因编码一个翻译后定位于叶绿体和线粒体的双向定位蛋白。该蛋白在叶绿体和线粒体分别行使不同的功能。在线粒体中，MSH1蛋白的主要作用是抑制线粒体DNA的非正常重组，维持线粒体基因组的稳定。而其在叶绿体中的具体作用及机理还不是十分清楚。迄今为止的研究发现，拟南芥中的msh1突变体的大部分变异表型都被认为与叶绿体的功能相关，这些变异表型包括生长速率、开花期、侧枝发生、童期向成熟期的转换、非生物逆境胁迫抗性等方面的改变，我们将这些性状统称为发育重编程(developmental reprogramming, DR)。前期研究发现，拟南芥的msh1发育重编程突变体基因组的近着丝粒区（pericentromeres）non-CG序列位点的DNA甲基化水平显著升高。与此同时，利用RNAi基因干涉技术，在除了拟南芥之外的多种物种，包括高粱、烟草、番茄、大豆、小米中获得了MSH1基因沉默植株，初步的观察发现，在以上物种的MSH1基因沉默群体中均存在与拟南芥颇为相似的发育重编程表型。这些由MSH1基因沉默介导的发育重编程群体表现出了十分特殊的性状，在拟南芥和高粱中，将发育重编程群体中的不再含有转基因突变的个体与野生型植株杂交，在杂交后代群体中出现了类似于杂种优势的生长发育优势。称之为MSH1基因介导的生长发育优势，考虑到在该生长发育优势群体的合成过程中没有引入任何的外源基因，将这些群体称为表观遗传（epi）生长发育优势群体。 本研究对番茄的MSH1基因RNA干涉沉默所产生的发育重编程群体的生长发育特征和遗传特性进行了深入细致的观察和系统分析。利用番茄中的发育重编程植株与相同基因背景的对照组进行杂交，产生了番茄生长发育优势群体，对这一群体在实际的田间环境下进行了选择育种的研究，并通过甲基化抑制剂处理，RNA-Seq高通量测序等手段对其形成的可能分子机制进行了初步探索。主要研究结果如下: 1、RNA干涉沉默MSH1基因能够导致番茄植株发育重编程。MSH1基因的沉默在番茄中产生了一系列的不同程度的变异，包括叶片形态结构改变，叶片白色花斑，植株株形改变，严重矮化现象，雄性不育，开花期和果实成熟期改变等，并且这些变异在丢失转基因的后代中仍然能够稳定存在。 2、通过选取不含有转基因的MSH1基因表达水平恢复正常的轻微发育重编程番茄植株与同源的对照组植株进行杂交，F1后代表现出正常的生长发育表型，然而从杂交后代的第二代F2群体开始，出现了生长发育优势。epiF2群体总体上表现出了相较对照组的整体生长发育优势，整个群体与对照组相比，在多个生长发育指标，例如株高，开花期，果实数等方面都产生较大的改变。在温室生长条件下，epi生长发育优势群体有着比对照组更快的早期生长速率，更早的由营养生长转向生殖生长，更快的果实成熟速度以及更高的果实产量。 3、田间试验表明，epi生长发育优势群体整体上表现出了与在温室条件下相似的生长发育优势表型。对该群体进行了针对产量性状的两个世代筛选，后代群体平均产量提高了35％之多。生长发育优势群体能够对性状选择有很好的响应，且能稳定遗传。但也观察到无法响应选择、遗传性不稳定的群体。 4、MSH1介导的发育重编程群体可以通过病毒介导的基因沉默技术(VIGS)获得。但在通过该技术获得的发育重编程群体的基础上合成生长发育优势群体的可能性尚需进一步验证。 5、通过以带有MSH1-RNAi转基因载体的发育重编程植株为砧木，正常野生型对照植株为接穗的嫁接植株后代中出现了生长发育优势表型。 6、使用DNA甲基化抑制剂能够消除epi群体的苗期生长发育优势，说明epi生长发育优势群体的形成可能与表观遗传因子有关。 7、RNA-seq数据显示，拟南芥和番茄的发育重编程群体具有十分相似的差异表达基因图谱。体现了MSH1介导的发育重编程机制的跨物种保守性。通过对拟南芥的发育重编程群体，番茄的发育重编程群体和生长发育优势群体各自的差异表达基因的分析，对这些群体内的各项性状的产生进行了基因表达层面的解释。同时还从以上差异表达基因图谱中鉴定出了一系列与表观遗传因子密切相关的基因。 8、提出了解释番茄发育重编程和生长发育优势群体产生的可能的分子机理模型。
番茄;叶绿体;表观遗传学;DNA甲基化;生长发育;基因介导
浙江大学
博士
蔬菜学
张明方;Sally Mackenzie
2014
中文
S641.2
93
2015-06-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）