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杜云龙教授研究团队发现转座子和生长素相互作用提高水稻避旱性

杜云龙 | 2021-02-21  阅读:2412

近日,植物学领域重要国际期刊Plant, Cell and EnvironmentIF = 6.362在线发表了葡萄京官方网站杜云龙教授研究团队题为INDITTO2 transposon conveys auxin-mediated DRO1 transcription for rice drought avoidance的研究论文。在本研究中,首次发现插入月亮谷水稻DEEPER ROOTING 1 (DRO1)基因启动子中INDITTO2转座子可以传递生长素信号调节DRO1的转录从而增强水稻避旱性。

转座子是重要的可移动DNA元件,广泛存在于植物基因组中,在植物进化中发挥着重要作用。生长素是一种重要的调节因子,与根系发育和干旱胁迫适应有关。DRO1基因是水稻避旱的关键基因。籼稻月亮谷(Acuce)是云南省元阳哈尼梯田中的主栽特色农家稻,具有产量稳定、抗病性好等优良农艺性状,其种植地区海拔高达1600-2000米,已经有100多年的种植历史。开展月亮谷水稻优良农艺性状的遗传基础研究,特别是干旱胁迫下转座子DRO1基因在月亮谷水稻发育中的作用,对于揭示水稻对非生物胁迫和生物胁迫的适应性机制具有重要的应用价值和理论意义。

 

1 大田种植的水稻根系构型

对月亮谷、日本晴、日本晴/dro1-cc突变体分别在灌溉(A)和干旱(B)条件下生长3个月,观察根系构型(C-H)及测量根的生长角度(I(Acuce: nwater = 13, ndrought = 11; NPB: nwater = 9, ndrought = 6; NPB/dro1-cc: nwater = 9, ndrought = 5)。数据为平均值± SD; * P < 0.05, ** P < 0.01 (Student’s t-test) NPB = 日本晴,NPB/dro1-cc =日本晴/dro1-cc突变体,ND = 无差异, θ = 根角度,标尺= 10 cm.

研究团队结合基因编辑、生物信息学及分子生物学等技术手段,构建了月亮谷水稻及日本晴水稻的DRO1基因敲除突变体,发现月亮谷水稻具有较强的避旱性(图1),月亮谷水稻响应干旱胁迫与DRO1基因的表达量上调有关,其根系发育表现明显的避旱性特征并与DRO1调节生长素的运输有关。为了探明DRO1基因影响水稻避旱性的差异与生长素的关系,对DRO1基因的启动子进行分析。发现月亮谷水稻的DRO1基因启动子比日本晴水稻多了266个核苷酸,进一步分析并确定其为转座子,命名为INDITTO2,属于微型反向重复转座元件(MITE)家族的Tourist亚家族成员,是非自主型转座子。INDITTO2转座子含有生长素响应元件(ARE),参与生长素介导的DRO1基因表达,具有启动子活性,能够将生长素的转录调控传递到邻近基因。通过转基因的方法将INDITTO2转座子插入到日本晴水稻的DRO1启动子中,可以显著促进水稻对干旱的适应性。进一步的研究发现INDITTO2转座子及其同源基因广泛分布于水稻基因组中(图2),并参与了对生长素的响应及基因表达调节。该研究揭示INDITTO2转座子在基因组中的广泛分布增加了水稻的遗传多样性,并发现转座子在作为启动子时,可响应水稻内部的激素信号而调节基因表达,从而增强水稻对不同非生物胁迫的适应性。

 

2 PCR扩增不同水稻基因组中的INDITTO2转座子及其同源基因

INDITTO2转座子在月亮谷水稻DRO1基因启动子中的示意图(A)。凝胶电泳显示45个水稻品种用基因特异引物PDI-FPPDI-RP扩增INDITTO2转座子的PCR产物(B)。

葡萄京官方网站杜云龙课题组已毕业硕士研究生赵宜婷、武丽霞以及在读硕士研究生傅琪景为该论文的共同第一作者,杜云龙教授为唯一通讯作者。奥地利科学技术研究所Jiří Friml教授、西南林业大学何霞红教授、葡萄京官方网站李成云教授、黄惠川副教授、中国科学院西双版纳热带植物园刘长宁研究员、中国科学院昆明植物研究所王蕾副研究员、左之利研究员也参与了该工作。该研究获得国家自然科学基金项目 (Grant No. 31460453,31660501,3186006431470382)、云南省教育厅科学研究基金重大专项(Grant No. ZD2015005)、教育部留学回国人员科研启动基金”(Grant No. [2013] 1792);、云南省科技厅重大科技计划(Grant No. 2016ZF001)、云南省科技厅重点项目(Grant No. 2017FA018)等项目资助。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14029