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赤霉素GA4是水稻矮化特征的重要调节因子

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摘要

【目的】以水稻幼胚组培过程中获得的一株半矮化水稻突变体为研究对象,解析水稻半矮化突变体株高变矮及分蘖增多等表型异常的原因,为克服水稻过度矮化发育障碍因子及培育抗倒伏高产水稻品种提供科学理论依据。【方法】首先统计分析半矮化水稻突变体与野生型的表型差异,利用体式显微镜和光学显微镜观察突变体花的结构及其细胞特征;通过转录组测序及qRT-PCR分析差异基因的表达特征,并通过外源喷施赤霉素GA3处理检测突变体对外源赤霉素的敏感性;最后利用高效液相色谱和质谱联仪检测突变体内赤霉素的含量与富集特征。【结果】表型观测与统计结果表明,突变体水稻株高比野生型减少56.59%,有效分蘖数高出47.44%,差异均达到极显著水平。突变体的表皮毛消失且花发育迟缓,雄蕊变小。尽管突变体分蘖数较高但结实率明显降低,仅为野生型的12.62%,且种子长度和宽度均减小,差异极显著。通过显微镜观察茎的纵切切片,发现突变体细胞长度减少23%,差异极显著。外源喷施赤霉素后突变体的株高、有效分蘖、结实率、种子大小、表皮毛和茎秆细胞长度均有不同程度的恢复,说明植物体内赤霉素合成不足可能是引起水稻矮化的主要原因。转录组测序结果显示突变体中OsGA13ox显著上调,qRT-PCR验证结果与转录组测序结果一致。由于OsGA13ox控制GA12转化为GA53,而GA12和GA53分别转化为GA4和GA1,GA4的活性高于GA1,因此,突变体中GA4减少可能是导致半矮化的主要原因。赤霉素检测结果表明突变体中GA4含量减少94.9%,与预测结果一致。此外,D14作为SL(独脚金内酯)的特异性受体,参与调控植物SL信号转导,抑制枝条分枝或者分蘖。qRT-PCR结果显示,与野生型相比,突变体中D14显著下调,而经过GA3处理的野生型和突变体中D14均显著上调。D14上调可能导致有效分蘖数减少,而其下调可能致使有效分蘖数增加。统计结果表明突变体中有效分蘖显著增多,而经过GA处理之后,野生型和突变体有效分蘖数均显著低于未经GA3处理前,表明D14在水稻中的表达可能受到GA的调控从而影响水稻分蘖。【结论】OsGA13ox异常表达导致活性更高的GA4在水稻中的富集减少,形成水稻半矮化突变体;赤霉素可能通过影响D14的表达间接调控水稻的分蘖。

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