一粒小麦脆性突变体的表型鉴定及重组体筛选
：一粒小麦是研究小麦基因组功能的理想材料。本研究采用EMS诱变的栽培一粒小麦的脆性突变体，对该脆性突变体进行了表型鉴定及重组体筛选。结果表明：该脆性突变体在田间的表型与野生型没有明显的区别，仅在机械强度上有区别。遗传分析表明，该脆性基因初步定位在一粒小麦5号染色体的标记Xgwm129和Xwgrb14之间1.5cM。利用标记Xbarc1和Xgwm129筛选了包括F3家系和F3家系杂合单株子代共4254株。一共筛选到18种重组类型，成功将Xwmc492到Xgwm415之间的标记分开，所以将突变基因定位到Xmag9725和Xgwm415之间。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言3
1材料与方法4
1.1材料 4
1.2方法 4
1.2.1小麦基因组DNA的提取4
1.2.2 PCR的扩增 4
1.2.3连锁图的构建5
1.2.4表型鉴定5
2结果与分析5
2.1脆性突变体基因及其同源基因比较5
2.2脆性突变体的表型鉴定 6
2.3脆性突变体的初步定位 7
2.4脆性突变体重组体筛选 7
3讨论 8
3.1研究存在的问题 8
3.2研究意义 8
致谢9
参考文献9
一粒小麦脆性突变体的表型鉴定及重组体筛选
引言
小麦(Triticum astivum L.)是三大谷物之一,小麦的高产量是世界粮食安全的重要保障。全世界有43个国家，有35%40%的人口以小麦为主要粮食。由于我国人口增长对小麦的用量增加以及种植面积的减少,这要求今后我国小麦生产必须以单产的提高来增加总产。持续提高单产是我国小麦生产发展的必然要求及保证我国粮食安全的重要途径,是小麦栽培和育种的重要研究方向。
倒伏是当前小麦单产提高的重要制约因素,是小麦连续高产、优质生产的主要威胁。
在小麦生产发展过程中,当生产条件达到一定水平而继续促进产量提高时,倒伏是经常发生的普遍现象[1,2]。倒伏发生的内
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在原因主要是小麦茎杆抗折力弱。木质素是植株茎杆木质部、维管束的主要成分,与茎杆的发育质量、机械强度、茎杆抗病虫侵害能力以及茎杆抗折力之间存在密切关系。
植物的机械强度是一种重要农艺性状，直接关系到作物倒伏因而导致产量损失与稻米品质[3,4]。植物的内在机械强度主要是由细胞壁控制,细胞壁中的任何结构或组成的更改都会影响植物的机械强度[5]。植物厚壁组织由初生细胞壁和增厚的次生细胞壁构成，为植物提供最大的机械强度[6]。纤维素构成了初生细胞壁20–30 %的干重以及次生细胞壁40–90 % 的干重[7]。
植物细胞壁是植物细胞区别于动物细胞的一重要组织，对植物起支持和保护作用。典型的细胞壁由初生壁、胞间层和次生壁三部分组成。细胞壁的主要成分是木质纤维素类物质，主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，此外还包括少量果胶、蛋白质、酚类和脂肪酸等生物大分子聚合而成的复杂网络结构[8]。
纤维素是一种细胞外多糖,是植物、藻类和菌类细胞壁的组成成分,但大多数纤维素是由维管植物产生的,在不同生物体内纤维素的作用不同。纤维素是植物细胞壁最主要也是最重要的组成成分,在植物的生命活动过程中起着重要作用,能够为植物细胞提供必要的抗压力来消除细胞体积的膨胀。
半纤维素是除纤维素以外,细胞壁中含量最多的一种非纤维素类的结构多糖。半纤维素泛指细胞壁中可被14N KOH提取出来的多糖物质的总称,由很多结构复杂的多糖分子复合而成,其精细结构尚完全清楚。它与纤维素晶体相互作用,使得细胞壁的韧性与机械强度得到大大增强。
木质素是陆地上含量仅次于纤维素的生物高聚物,植物体每年大约生产600亿吨的木质素,在植物体中具有十分重要的生理功能。木质素填充于细胞壁的纤维素骨架内,能够增强细胞壁的硬度,增加细胞的机械支持力和抗压强度,同时也对维持植物细胞的完整性具有十分重要的作用。
纤维素生物合成基因的突变或相关合成路径的突变导致了纤维素缺陷的突变体或在茎秆强度存在缺陷的突变体。这些突变体是用来了解涉及植物机械强度和植物细胞壁的合成机制的理想材料。几个茎秆强度存在缺陷的突变体已经被分离鉴定。几个脆性突变体在高等植物中已被确定，并且被认为是研究次生细胞壁形成过程的优良材料[9]。
植物脆性突变是一类常见突变，通常根、茎、叶、茎节等器官呈现脆性增加、易折的表型，拟南芥、玉米、番茄、水稻等植物中均有报道[10]。脆性突变体的发现和研究，可以让我们更好的了解作物机械强度的分子机制，揭开植物细胞壁的形成机制。Kokubo等发现大麦的脆性突变体明显降低了纤维素的含量和机械强度，说明纤维素对植株的机械强度有着巨大的贡献[11]。Turner,Somerville等在拟南芥的突变体irx1,irx2,irx3中克隆了相应的降低机械强度的基因，发现该基因在次生壁中的纤维素合成有缺陷[1215]。Hu等发现拟南芥fra4突变体中RHD3基因导致细胞壁厚度降低，茎杆机械强度降低。
水稻中发现的第一个脆性突变体bc1，编码COBRA类蛋白，BC1的突变不仅降低了纤维素的含量和细胞壁的厚度，还导致木质素含量的增加。目前发现的水稻脆性相关的基因主要有BC18、BC1012、BC1415等，大部分都已经精细定位，并且功能也得到明确解析，结果表明大多数水稻BC突变基因均影响到纤维素代谢酶类，进而影响纤维素的生物合成[14]。
脆性突变体在小麦中鲜有报导，小麦中控制机械强度的基因的机制还没有完整的报导。植株的机械强度与作物的产量息息相关，因此定位并克隆小麦机械强度相关的基因显得尤为重要。此外，与野生型相比，脆性突变体普遍具有纤维素含量降低、木质素含量增加、细胞壁结构组成改变等显著特点，有利于选育“粮 饲”兼用作物，正常收获粮食谷物的同时，还能开发秸杆作为新的饲料资源用于畜牧养殖[16]，并能减少秸杆焚烧造成的环境污染，以缓解“人畜争粮”带来的粮食安全问题和CO2排放造成的气候变化问题。
一粒系小麦是多倍体小麦染色体组的供体物种之一,是小麦的重要基础物种。早在一万多年前,人类就已经开始种植栽培一粒小麦并以其作为粮食。更为重要的是,在小麦属漫长的进化历程中,一粒系小麦作为A染色体组的供体参与小麦属多倍体物种的形成,因此是小麦属重要的基础物种和基因资源[17]。EMS作为一种有潜力的化学诱变剂，已成功应用于基于突变的小麦和水稻研究[1820]。栽培一粒小麦（2n?=?14）相比于六倍体小麦?(17,300?Mb)?有一个较小的基因组?(5,700?Mb)?，相比于它的祖先野生一粒小麦存在一个较高水平的多态性有利于基于 DNA?分子水平的标记[21]。栽培一粒小麦是发掘小麦基因的一种有吸引力的二倍体模型，可以保持与其他谷类作物的共线性，具有对?BAC?库的可用性和各种小麦病害的高抗性[22]。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言3
1材料与方法4
1.1材料 4
1.2方法 4
1.2.1小麦基因组DNA的提取4
1.2.2 PCR的扩增 4
1.2.3连锁图的构建5
1.2.4表型鉴定5
2结果与分析5
2.1脆性突变体基因及其同源基因比较5
2.2脆性突变体的表型鉴定 6
2.3脆性突变体的初步定位 7
2.4脆性突变体重组体筛选 7
3讨论 8
3.1研究存在的问题 8
3.2研究意义 8
致谢9
参考文献9
一粒小麦脆性突变体的表型鉴定及重组体筛选
引言
小麦(Triticum astivum L.)是三大谷物之一,小麦的高产量是世界粮食安全的重要保障。全世界有43个国家，有35%40%的人口以小麦为主要粮食。由于我国人口增长对小麦的用量增加以及种植面积的减少,这要求今后我国小麦生产必须以单产的提高来增加总产。持续提高单产是我国小麦生产发展的必然要求及保证我国粮食安全的重要途径,是小麦栽培和育种的重要研究方向。
倒伏是当前小麦单产提高的重要制约因素,是小麦连续高产、优质生产的主要威胁。
在小麦生产发展过程中,当生产条件达到一定水平而继续促进产量提高时,倒伏是经常发生的普遍现象[1,2]。倒伏发生的内
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在原因主要是小麦茎杆抗折力弱。木质素是植株茎杆木质部、维管束的主要成分,与茎杆的发育质量、机械强度、茎杆抗病虫侵害能力以及茎杆抗折力之间存在密切关系。
植物的机械强度是一种重要农艺性状，直接关系到作物倒伏因而导致产量损失与稻米品质[3,4]。植物的内在机械强度主要是由细胞壁控制,细胞壁中的任何结构或组成的更改都会影响植物的机械强度[5]。植物厚壁组织由初生细胞壁和增厚的次生细胞壁构成，为植物提供最大的机械强度[6]。纤维素构成了初生细胞壁20–30 %的干重以及次生细胞壁40–90 % 的干重[7]。
植物细胞壁是植物细胞区别于动物细胞的一重要组织，对植物起支持和保护作用。典型的细胞壁由初生壁、胞间层和次生壁三部分组成。细胞壁的主要成分是木质纤维素类物质，主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，此外还包括少量果胶、蛋白质、酚类和脂肪酸等生物大分子聚合而成的复杂网络结构[8]。
纤维素是一种细胞外多糖,是植物、藻类和菌类细胞壁的组成成分,但大多数纤维素是由维管植物产生的,在不同生物体内纤维素的作用不同。纤维素是植物细胞壁最主要也是最重要的组成成分,在植物的生命活动过程中起着重要作用,能够为植物细胞提供必要的抗压力来消除细胞体积的膨胀。
半纤维素是除纤维素以外,细胞壁中含量最多的一种非纤维素类的结构多糖。半纤维素泛指细胞壁中可被14N KOH提取出来的多糖物质的总称,由很多结构复杂的多糖分子复合而成,其精细结构尚完全清楚。它与纤维素晶体相互作用,使得细胞壁的韧性与机械强度得到大大增强。
木质素是陆地上含量仅次于纤维素的生物高聚物,植物体每年大约生产600亿吨的木质素,在植物体中具有十分重要的生理功能。木质素填充于细胞壁的纤维素骨架内,能够增强细胞壁的硬度,增加细胞的机械支持力和抗压强度,同时也对维持植物细胞的完整性具有十分重要的作用。
纤维素生物合成基因的突变或相关合成路径的突变导致了纤维素缺陷的突变体或在茎秆强度存在缺陷的突变体。这些突变体是用来了解涉及植物机械强度和植物细胞壁的合成机制的理想材料。几个茎秆强度存在缺陷的突变体已经被分离鉴定。几个脆性突变体在高等植物中已被确定，并且被认为是研究次生细胞壁形成过程的优良材料[9]。
植物脆性突变是一类常见突变，通常根、茎、叶、茎节等器官呈现脆性增加、易折的表型，拟南芥、玉米、番茄、水稻等植物中均有报道[10]。脆性突变体的发现和研究，可以让我们更好的了解作物机械强度的分子机制，揭开植物细胞壁的形成机制。Kokubo等发现大麦的脆性突变体明显降低了纤维素的含量和机械强度，说明纤维素对植株的机械强度有着巨大的贡献[11]。Turner,Somerville等在拟南芥的突变体irx1,irx2,irx3中克隆了相应的降低机械强度的基因，发现该基因在次生壁中的纤维素合成有缺陷[1215]。Hu等发现拟南芥fra4突变体中RHD3基因导致细胞壁厚度降低，茎杆机械强度降低。
水稻中发现的第一个脆性突变体bc1，编码COBRA类蛋白，BC1的突变不仅降低了纤维素的含量和细胞壁的厚度，还导致木质素含量的增加。目前发现的水稻脆性相关的基因主要有BC18、BC1012、BC1415等，大部分都已经精细定位，并且功能也得到明确解析，结果表明大多数水稻BC突变基因均影响到纤维素代谢酶类，进而影响纤维素的生物合成[14]。
脆性突变体在小麦中鲜有报导，小麦中控制机械强度的基因的机制还没有完整的报导。植株的机械强度与作物的产量息息相关，因此定位并克隆小麦机械强度相关的基因显得尤为重要。此外，与野生型相比，脆性突变体普遍具有纤维素含量降低、木质素含量增加、细胞壁结构组成改变等显著特点，有利于选育“粮 饲”兼用作物，正常收获粮食谷物的同时，还能开发秸杆作为新的饲料资源用于畜牧养殖[16]，并能减少秸杆焚烧造成的环境污染，以缓解“人畜争粮”带来的粮食安全问题和CO2排放造成的气候变化问题。
一粒系小麦是多倍体小麦染色体组的供体物种之一,是小麦的重要基础物种。早在一万多年前,人类就已经开始种植栽培一粒小麦并以其作为粮食。更为重要的是,在小麦属漫长的进化历程中,一粒系小麦作为A染色体组的供体参与小麦属多倍体物种的形成,因此是小麦属重要的基础物种和基因资源[17]。EMS作为一种有潜力的化学诱变剂，已成功应用于基于突变的小麦和水稻研究[1820]。栽培一粒小麦（2n?=?14）相比于六倍体小麦?(17,300?Mb)?有一个较小的基因组?(5,700?Mb)?，相比于它的祖先野生一粒小麦存在一个较高水平的多态性有利于基于 DNA?分子水平的标记[21]。栽培一粒小麦是发掘小麦基因的一种有吸引力的二倍体模型，可以保持与其他谷类作物的共线性，具有对?BAC?库的可用性和各种小麦病害的高抗性[22]。
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