小麦温光反应的分子生物学研究

小麦温光反应的分子生物学研究温度和光照是影响小麦开花的主要环境因子,决定营养生长向生殖生长的转变。小麦温光发育本质上是小麦通过春化阶段和光周期阶段能够在特定时间开花结实的特性。小麦的温光发育特性决定了品种的适宜分布区域、引种驯化及栽培管理。本文以不同发育特性的小麦品种为实验材料,利用春化基因的分子标记研究不同发育特性小麦品种的分布频率,分析不同小麦品种Vrn1、Vrn2等位基因与发育表型的关系。我们利用数字表达谱分析了强春性和强冬性小麦品种在不同春化处理条件下的差异表达谱,初步分析了小麦春化作用的调控网络。本文调查了光周期对小麦品种苗穗期的影响,鉴定了小麦光敏品种宁春36和光不敏感品种辽春10号的目标基因,研究了影响小麦开花的光周期途径关键基因24小时节律变化,讨论了小麦光周期反应的分子机理。主要研究结果如下：1.对国内200份小麦品种及材料的4个春化基因Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1和Vrn-B3进行等位分析及发育特性的鉴定。结果表明所有供试材料在Vrn-A1和Vrn-B3位点均为隐性。在Vrn-B1位点,200份材料中的显性比例为18%。在Vrn-D1位点,200份材料中有83份为显性基因,其余117份材料为隐性基因,在这83份材料中有54份为Vrn-D1a类型,29份为Vrn-D1b类型。黄淮冬麦区的品种中有38份材料为显性基因(41.8%),53份为隐性基因(58.2%)；在117份隐性材料中,我们首次发现了4份材料在Vrn-D1启动子区存在174bp类转座子插入突变,命名为Vrn-D1c类型,其余113份为vrn-D1类型。Vrn-D1a可以作为鉴别黄淮冬麦区小麦品种冬春性的有效分子标记。2.以6份不同春化发育特性的普通小麦品种为试验材料,通过RT-PCR技术克隆了ZCCT-A1/A2.ZCCT-B1/B2和ZCCT-D1/D2六个基因的编码区,分析了CCT保守区中43个氨基酸序列在16位、35位和39位的氨基酸突变情况。结果表明不同品种间ZCCT-A1的CCT功能域的序列存在差异,肥麦有R35W突变,辽春10号、郑麦9023、周麦18、豫麦49-198和京841五个品种均有R39C突变；ZCCT-A2均存在R16C突变；B和D基因组均未发现突变。表明Vrn2基因编码区的等位变异主要体现在A染色体组上,而B、D染色体组上的Vrn2基因在参试品种中都为显性。克隆了6个品种Vrn2启动子部分区域,ZCCT-A1启动子存在3个SNP:ZCCT-D1启动子也存在3个SNP；除郑麦9023外的5个品种ZCCT-A1在启动子上游97bp处有三个连续的TCT重复序列,而6个品种ZCCT-B1启动子上游97bp处有2个连续的TCT序列。6个品种ZCCT-B1都缺失一个TCT,这一缺失可作为ZCCT-B1的分子标记。3.以不同春化特性的小麦品种辽春10号和京841为研究对象,分析其转录谱和表达谱。强冬性小麦品种京841对春化处理的反应远远高于相应的春性品种。在京841表达谱中共鉴定了14648个上调基因和15240个下调基因。对差异表达的基因进行了GO功能注释,主要包括细胞生理过程、代谢过程、应激反应、信号转导、离子结合活性、催化活性、转运蛋白等多种类型。利用半定量RT-PCR和荧光实时定量法验证了表达谱的结果。对差异表达谱的KEGG显著性富集分析表明,春化调节表达谱主要涉及到次生代谢的生物合成、植物激素的信号转导、植物病原物互作途径、淀粉和糖代谢等多条途径。4.对来自全国不同生态区的15个小麦品种进行了不同光照条件下苗穗期的变化研究。结果表明不同品种的苗穗期与光照时数之间存在线性回归关系。根据不同光照条件下的苗穗期的变异系数可以把小麦品种分为光敏和光不敏类型,全部光敏品种从抽穗到开花这段时间对于光周期的敏感性很强。春化作用和光周期反应在大多数的品种中存在互作。在15个未经过春化处理的品种中,12个品种在人工气候室培养条件下都不能开花结实。5.选取光周期敏感品种宁春36和光周期不敏感品种辽春10号,分析穗分化各个阶段对光周期的敏感性。研究结果表明,宁春36和辽春10号的光敏特性差异主要是由Ppd-D1位点决定的。在穗分化的前期,比如穗原基和单棱期,光周期敏感和不敏感品种对光周期的反应基