玉米是世界第一大粮食作物, 也是重要的饲料和工业原料[1], 玉米产量对全球粮食安全具有举足轻重的作用。玉米籽粒发育状况决定着玉米的产量和品质, 因此籽粒遗传发育机制一直是玉米研究的热点[2-3]。玉米的籽粒由胚、胚乳和表皮3个部分组成。胚是籽粒的关键部分, 是精子与卵细胞融合形成的二倍体。胚乳占籽粒的绝大部分, 为籽粒的早期发育提供营养物质, 是精子与中央细胞极核融合形成的三倍体[4]。发掘调控胚和胚乳发育的关键基因并解析其分子机制, 对指导玉米高产优质育种具有重要意义[5]。

籽粒突变体是研究胚和胚乳发育机制的良好材料。早在1980年, Neuffer和Sheridan[6]利用EMS化学诱变玉米材料, 发现大约300个基因上的相关位点与玉米籽粒发育有关。随后, 学者们根据突变籽粒的表型将玉米籽粒突变体大致分为, 小籽粒(small kernel,smk)、籽粒严重缺陷(defective kernel,dek), 胚特异缺陷(embryo defective,emb), 粉质胚乳(opaque或floury)和空果皮(empty pericarp,emp)等类型[7]。

胚乳是玉米籽粒营养的主要储存部位, 包括淀粉胚乳、糊粉层、转移层及胚周层4个区域。粉质胚乳突变体具有不透明胚乳, 通常赖氨酸含量较高。赖氨酸具有促进生长发育及增强免疫的作用,因此这类突变体被广泛研究。目前已克隆opaque或floury突变体有14个, 如隐性突变o2、o5-7、o10、o11[8-10], 半显性突变fl1[11]等。其中研究最早的o2突变体赖氨酸含量较野生型增加约69%[12]。O2基因编码 Bzip转录因子调控醇溶蛋白基因表达, 突变后醇溶蛋白含量显著降低, 富含赖氨酸的非醇溶蛋白含量增加, 从而极大提高籽粒中赖氨酸含量[13-15]。而其余opaque或floury基因也均与醇溶蛋白的结构、分布和积累密切相关。近期克隆的fl3在淀粉胚乳细胞中特异表达, 通过与 RNA聚合酶III互作调控5S rRNA和tRNA的转录[16]。胚乳基部转移层(basal endosperm transfer layer, BETL)位于胚和胚乳之间, 是籽粒从母体获取营养的重要部位, 并且还具有细胞分裂素合成、能量代谢、防御反应以及母本和籽粒之间信号传导等多种功能。一旦受损会严重影响籽粒发育, 如mn1、dek37、dek41、dek44等突变体。Mn1编码细胞壁转化酶,mn1突变体胚乳基部转移层缺乏己糖的合成, 导致BETL细胞发育受到影响, 引起籽粒缺陷表型[17]。DEK37编码P亚家族的三角状五肽重复蛋白(PPR),该蛋白功能的丧失导致线粒体复合体 I亚基nad2的第一个内含子剪接效率降低[15]。DEK41编码 1个P型的PPR蛋白, 与玉米nad4内含子3的顺式剪切有关, 突变导致转移层细胞中线粒体结构和功能遭到破坏, 引起BETL层细胞发育受损[18]。糊粉层包裹着胚和胚乳细胞, 种子萌发时, 糊粉层产生水解酶, 分解胚乳中的营养物质。目前已知调控糊粉层发育的基因有DEK1、CR4、SAL1、THK1和NKD1。DEK1基因编码胚乳中糊粉层细胞的1个蛋白酶,CR4编码受体激酶,SAL1编码1个E类液泡蛋白, 在质膜的囊泡运输上起作用,CR4和DEK1参与糊粉层细胞特化的信号接收与传导,SAL1降解或者循环DEK1,CR4来维持质膜上二者的浓度, 起负调控作用[19]。

胚是玉米籽粒具有生命活性的部分。胚特异突变体通常表现为籽粒大小正常, 但是没有可见胚或胚发育畸形。已克隆的胚发育特异基因有EMB8156、EMB8522、LEM1、EMB12、EMB14、EMB16、EMB-7L[20]等。EMB8516、LEM1、EMB14和EMB16的功能均与质体核糖体形成相关,Emb12编码质体起始因子 3 (IF3), 质体基因的正确表达对玉米胚发生具有重要意义。PPR8522与EMB-7L均编码叶绿体靶向的 PPR蛋白, 突变后叶绿体受损, 代谢产物合成受抑制[21]。除了上述突变体外, 还有一类胚和胚乳都有缺陷的突变体, 如small kernel突变体的胚和胚乳发育都比较滞后。SMK6基因编码 1个PPR-E+型蛋白, 突变导致线粒体nad1-740、nad4L-110、nad7-739和mttB-138、139位置上 C-U的编辑受到影响, 损害了线粒体活性[22]。SMK4基因碱基的缺失突变导致线粒体复合物 IV细胞色素 C氧化酶1 (cox1)转录本的1489位C被U编辑[23]。总而言之, 在玉米籽粒突变中, 大部分的籽粒突变是由PPR蛋白的突变导致的。而PPR蛋白分为PLS、E、E+、DYW 几种类型, 直接或间接参与 RNA稳定、翻译、切割、剪切、编辑等[24]。

本研究以玉米自交系B73经EMS诱变产生的籽粒突变体smk7为研究材料, 对突变籽粒的表型和显微结构进行观察, 同时构建不同遗传背景的 F2分离群体, 开展性状的遗传解析和基因定位。结合对定位区间的基因注释, 为候选基因的克隆及功能研究奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

利用EMS诱变玉米B73自交系花粉构建突变体库, 经过筛选获得 1个表型可稳定遗传的小粒突变体smk7(small kernel 7)。由于smk7发芽率低, 且不能生长成正常植株, 我们将杂合植株(+/smk7)自交4代(M4)获得的分离果穗用于突变表型分析。2017年和2018年在北京昌平基地, 分别以昌7-2、Mo17和郑58为母本, 以M4代杂合植株(+/smk7)为父本, 杂交得到F1群体, 再自交获得不同遗传背景的F2分离群体。F2群体用于后续的遗传分析和基因定位。

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