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1不定根和主根相關(guān)基因

OsIAA23第II結(jié)構(gòu)域發(fā)生突變后,純合突變體Osiaa23表現(xiàn)為無(wú)不定根、無(wú)側(cè)根和無(wú)根冠,并且該基因在發(fā)育過(guò)程中特異性在主根、不定根和側(cè)根根尖的靜止中心表達(dá),推測(cè)是生長(zhǎng)素信號(hào)在根尖靜止中心被中斷導(dǎo)致突變表型,說(shuō)明生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)于靜止中心細(xì)胞維持功能是必需的,且OsIAA23基因介導(dǎo)了靜止中心的生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo).與擬南芥GNOM1同源的水稻基因CRL4/OsGNOM1編碼鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子,它作用于二磷酸腺苷-核糖基化因子,該基因突變后影響水稻體內(nèi)的生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸,從而影響不定根原基的起始,導(dǎo)致突變體不定根缺失,并且側(cè)根的發(fā)生也受到嚴(yán)重的抑制,同時(shí)向地性缺失.水稻的主根在苗期對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育有所貢獻(xiàn),但根系的主干,成熟水稻的數(shù)目可以達(dá)到幾百條.水稻的構(gòu)造與主根幾乎完全相同,但其屬于胚后發(fā)育的器官,發(fā)生的位點(diǎn)一般在莖基部未伸長(zhǎng)的低節(jié)位上.原基起始于鄰近維管束的中柱鞘最內(nèi)層的分生細(xì)胞,通過(guò)1~2次的平周分裂形成不定根原基的原始細(xì)胞,其中,外層原始細(xì)胞發(fā)育成根冠的原始細(xì)胞,內(nèi)層細(xì)胞發(fā)育為表皮－內(nèi)皮層、中柱原始細(xì)胞,最終形成根冠、表皮、內(nèi)皮層、皮層和維管組織等.不定根的整個(gè)發(fā)生與發(fā)育過(guò)程可以分為原始細(xì)胞的建立、表皮－內(nèi)皮層、中柱和根冠原始細(xì)胞的建立、表皮和內(nèi)皮層的分化、皮層的形成、不定根基本組織的建立、細(xì)胞開(kāi)始伸長(zhǎng)及液泡化和不定根原基出現(xiàn)等7個(gè)連續(xù)的階段.目前克隆到的水稻不定根基因大多與生長(zhǎng)素信號(hào)傳遞通道相關(guān),主要調(diào)控不定根的起始和發(fā)生.第1個(gè)被克隆的控制不定根發(fā)育基因是ARL1/CRL1.不定根缺失突變體在不定根原基形成原始細(xì)胞的第1次平周分裂中受到抑制,從而不能形成不定根原基,導(dǎo)致不定根缺失.ARL1/CRL1基因編碼1個(gè)植物特異的結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子,CRL1啟動(dòng)子上的1個(gè)蛋白的直接靶子,其基因表達(dá)受AUX/IAA正調(diào)控,說(shuō)明CRL1通過(guò)生長(zhǎng)素信號(hào)途徑調(diào)控不定根原基的起始.OsPIN1是水稻的一個(gè)生長(zhǎng)素輸出載體,該基因的RNAi轉(zhuǎn)基因植株的不定根數(shù)量呈現(xiàn)大幅下降,說(shuō)明不定根的發(fā)生與發(fā)育受生長(zhǎng)素的影響和調(diào)控.突變體的不定根原基能正常形成,但不定根形態(tài)建成后不能突破表皮,且呈不定根缺失表型,外源生長(zhǎng)素能夠部分回復(fù)突變體不定根,推測(cè)OsCAND1可能通過(guò)影響生長(zhǎng)素信號(hào)調(diào)控不定根形態(tài)建成后的G2到M期細(xì)胞分裂過(guò)程有些與生長(zhǎng)素信號(hào)傳遞相關(guān)的根系基因的作用呈多效性,不但調(diào)控不定根起始和發(fā)生,同時(shí)也會(huì)影響到主根和側(cè)根等性狀.將水稻OsIAA3第II結(jié)構(gòu)域的Pro突變?yōu)長(zhǎng)eu后的Osiaa3突變體表現(xiàn)為主根變短,不定根與側(cè)根數(shù)目顯著減少,對(duì)生長(zhǎng)素不敏感和重力反應(yīng)遲鈍.超表達(dá)OsIAA1基因在外加生長(zhǎng)素處理時(shí),主根伸長(zhǎng)增加,側(cè)根數(shù)目增多,但不定根的數(shù)量減少.生長(zhǎng)素響應(yīng)因子OsARF16是調(diào)控生長(zhǎng)素響應(yīng)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子,基因被敲除后的突變體Osarf16對(duì)生長(zhǎng)素不敏感,削弱主根、側(cè)根和根毛對(duì)外源生長(zhǎng)素和缺磷的響應(yīng).不定根的起始與發(fā)生不但受生長(zhǎng)素調(diào)控,細(xì)胞分裂素和其它激素也共同參與這個(gè)調(diào)控過(guò)程基因發(fā)生突變后表現(xiàn)不定根缺失或稀少,而超表達(dá)該基因的轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)生大量的不定根,并在異位產(chǎn)生不定根.WOX11同時(shí)受到生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的誘導(dǎo),細(xì)胞分裂素雙元信號(hào)系統(tǒng)中A型的基因直接受WOX11負(fù)調(diào)控,表明該基因可能是生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素信號(hào)傳導(dǎo)的整合器,并通過(guò)RR2調(diào)節(jié)不定根發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞增殖.突變體因不定根原基起始的缺陷,呈不定根稀少的表型,CLR5基因編碼的蛋白屬于P2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族,雖然它與CRL1一樣均是ARF蛋白的直接靶子受生長(zhǎng)素的調(diào)控,但遺傳學(xué)證據(jù)證明它們對(duì)不定根起始的作用是屬于不同的信號(hào)途徑,CLR5基因受生長(zhǎng)素誘導(dǎo)后,通過(guò)正向調(diào)控OsRR1基因抑制細(xì)胞分裂素的信號(hào)通道,從而促進(jìn)不定根的發(fā)生,表明它參與了水稻體內(nèi)生長(zhǎng)素信號(hào)對(duì)細(xì)胞分裂素信號(hào)的作用.

2實(shí)驗(yàn)

Anti-OsCK1的轉(zhuǎn)基因植株的根系主根變短、不定根和側(cè)根數(shù)目減少,但外加IAA培養(yǎng)時(shí)根系呈正常的發(fā)育,推測(cè)OsCK1參與生長(zhǎng)素的代謝從而調(diào)控根系的生長(zhǎng)發(fā)育,此外,anti-OsCK1的轉(zhuǎn)基因植株對(duì)脫落酸和油菜素內(nèi)酯不敏感,說(shuō)明它有可能參與不同的激素信號(hào)途徑.基因編碼一種金屬硫蛋白,在水稻中表達(dá)被細(xì)胞分裂素下調(diào),該基因的RNAi植株根系中細(xì)胞分裂素濃度顯著上升,主根變短,不定根和側(cè)根數(shù)量減少,超表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株根系中細(xì)胞分裂素濃度略有下降,不定根數(shù)目增多,并且有很多粗側(cè)根產(chǎn)生.說(shuō)明在根系生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中存在OsMT2b基因?qū)?nèi)源細(xì)胞分裂素濃度的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制.相對(duì)來(lái)說(shuō),造成主根、不定根甚至側(cè)根變短的短根突變基因涉及機(jī)理比較廣泛,與離子通道型谷氨酸受體基因、糖基化、細(xì)胞壁多糖和纖維素合成、蔗糖代謝、金屬離子等相關(guān).水稻短根突變體glr在苗期主根和不定根變短,不定根、側(cè)根和根毛的發(fā)生不受到影響,GLR3.1基因編碼與植物離子通道型谷氨酸受體的基因,它與根系的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān),參與調(diào)控根尖分生組織細(xì)胞的分裂和凋亡,該基因突變后呈短根表型.OsGNA1基因參與糖基化供體UDP-GlcNAc合成途徑,OsGNA1基因突變后,內(nèi)源UDP-GlcNAc水平顯著降低,導(dǎo)致N或O連接的GlcNAc糖基化水平相應(yīng)降低,同時(shí)細(xì)胞代謝細(xì)胞形狀和微管穩(wěn)定性出現(xiàn)異常,產(chǎn)生短根表型.突變體Osdgl1因主根、不定根與側(cè)根生長(zhǎng)受阻呈短根表型,但不定根和側(cè)根的數(shù)量及根毛與野生型沒(méi)有顯著差異,細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是因?yàn)榧?xì)胞分裂與細(xì)胞伸長(zhǎng)二個(gè)方面的原因?qū)е露谈?并伴有細(xì)胞死亡和活性氧的改變.OsDGL1基因編碼多萜長(zhǎng)醇二磷酸寡糖蛋白環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶亞基前體,當(dāng)基因突變時(shí)導(dǎo)致根部組織的N-糖基化(N-glycosylation)缺陷,從而改變了根細(xì)胞壁的多糖合成.突變體Osglu3的主根和不定根長(zhǎng)度變短,OsGLU3基因編碼水解纖維素β-1,4-糖苷鍵的β-1,4-葡聚糖內(nèi)切酶,參與根細(xì)胞壁纖維素合成,通過(guò)影響根細(xì)胞的分裂及細(xì)胞的伸長(zhǎng)來(lái)調(diào)控根系的發(fā)育.OsCyt-inv1基因編碼堿性/中性蔗糖轉(zhuǎn)化酶,其突變體Oscyt-inv1的主根、不定根和側(cè)根變短成短根表型,細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞伸長(zhǎng)受阻是造成短根的主要原因,在提供外源葡萄糖培養(yǎng)時(shí),突變體的短根表型能恢復(fù)正常,說(shuō)明OsCyt-inv1基因在根系生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要的作用.突變體Osspr1的主根、不定根和側(cè)根的伸長(zhǎng)受到嚴(yán)重的抑制,呈短根系表型.OsSPR1基因編碼一個(gè)含有Armadillo重復(fù)域的線粒體蛋白,該基因突變?cè)斐芍仓陮?duì)二價(jià)金屬離子錳、鐵、鋅的吸收受到抑制,說(shuō)明OsSPR1基因參與根系的伸長(zhǎng)和金屬離子的平衡.

3側(cè)根相關(guān)基因

突變體蛋白結(jié)構(gòu)域II序列中的脯氨酸被亮氨酸所替代,且體內(nèi)的基因表達(dá)減弱,表現(xiàn)為無(wú)側(cè)根表型,與Osiaa13突變體一樣其不定根發(fā)生與發(fā)育正常,說(shuō)明OsIAA13和OsIAA11基因均特異調(diào)控側(cè)根原基的起始和發(fā)生.擬南芥等雙子葉植物側(cè)根起源于木質(zhì)部極的中柱鞘細(xì)胞,水稻等單子葉植物側(cè)根起源于韌皮部極的中柱鞘和內(nèi)皮層.除了上述與側(cè)根相關(guān)的水稻多效根系基因外,有2個(gè)特異調(diào)控側(cè)根原基起始發(fā)生的基因得到克隆,并且這2個(gè)基因編碼的蛋白都屬于Aux/IAA蛋白家族,且突變都發(fā)生在結(jié)構(gòu)域II核心序列,導(dǎo)致Aux/IAA蛋白不能被泛素化后降解,而與ARF長(zhǎng)久結(jié)合,阻斷生長(zhǎng)素的信號(hào)傳導(dǎo),進(jìn)而影響與側(cè)根原基起始發(fā)生相關(guān)基因的表達(dá).突變體Osiaa13的OsIAA13蛋白結(jié)構(gòu)域II核心序列中的甘氨酸被絲氨酸所替代,表型為側(cè)根數(shù)目顯著減少,但不定根數(shù)目沒(méi)有減少.根毛相關(guān)基植物根表皮細(xì)胞可分為根毛細(xì)胞和非根毛細(xì)胞,根毛是表皮細(xì)胞外伸形成的管狀突出物.根表皮細(xì)胞分化成根毛細(xì)胞有三種類型:隨機(jī)模式(如水稻)、位置依賴性模式(如擬南芥)和不對(duì)稱分裂模式(如卷柏).根毛發(fā)育可分為表皮細(xì)胞特異化、起始、伸長(zhǎng)和成熟四個(gè)階段[26].在根尖分生區(qū)根毛細(xì)胞與非根毛細(xì)胞開(kāi)始出現(xiàn)形態(tài)差異,到了伸長(zhǎng)區(qū)根毛開(kāi)始發(fā)生,在成熟區(qū)根毛細(xì)胞成熟并完全分化.至今已有4個(gè)水稻根毛相關(guān)基因被克隆,并都與根毛的伸長(zhǎng)相關(guān).OsCSLD1與擬南芥KOJAK/AtCSLD3同源,編碼為1個(gè)纖維素合成酶基因.突變體csld1根毛只有野生型長(zhǎng)度的30%左右,且形態(tài)異常,但密度與野生型沒(méi)有差異,因此OsCSLD1基因功能與根毛起始無(wú)關(guān),主要調(diào)控根毛伸長(zhǎng).并發(fā)現(xiàn)OsCSLD1基因只在根毛中特異表達(dá),超表達(dá)時(shí)會(huì)導(dǎo)致根毛比野生型更長(zhǎng).但隨后篩選到與csld1等位的突變體,呈無(wú)根毛表型,但根毛細(xì)胞有凸起,并發(fā)現(xiàn)OsCSLD1基因不只特異在根毛中表達(dá),而是可以在包括地上部的多個(gè)組織中表達(dá).OsAPY基因編碼了1個(gè)水解NTPs的三磷酸雙磷酸酶,該基因突變時(shí),突變體rth1呈無(wú)根毛表型,但根毛細(xì)胞仍有凸起,說(shuō)明OsAPY基因功能與OsCSLD1相似都參與根毛伸長(zhǎng),而與根毛起始無(wú)關(guān).此外,OsAPY基因具有多效性,還調(diào)控了根的伸長(zhǎng)和植株地上部的發(fā)育.是1個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子,當(dāng)OsRHL1突變后,2個(gè)等位Osrhl1和Osrhl2的根毛性狀與突變體csld1和rth1相似,根毛伸長(zhǎng)受到抑制后呈無(wú)根毛表型,但根毛起始正常.超表達(dá)OsRHL1能使根毛比野生型長(zhǎng)1倍多,而且根毛數(shù)量變多,說(shuō)明OsRHL1除調(diào)控根毛伸長(zhǎng)外,可能還與表皮細(xì)胞特異化相關(guān).OsEXPA17基因?qū)儆贓XPANSIN家族一員,發(fā)生突變后,水稻呈現(xiàn)短根毛,說(shuō)明OsEXPA17參與調(diào)控根毛的伸長(zhǎng).互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),EXPANSIN家族的OsEXPA30基因能回復(fù)OsexpA17突變體短根毛表型,擬南芥中同源的AtEXPA7基因能部分回復(fù)OsexpA17突變體短根毛表型.

作者:丁沃娜朱世華單位：寧波大學(xué)