玉米籽粒和叶片双白化突变基因克隆及功能分析

Mutant is an important material for studies both in classical genetics and functional genomics. In this study, a natural mutant was identified, which affects both seed and leaf color. Positional cloning will be carried out to identify the gene controlling seed and leaf color by using an F2 population derived from a single cross between B73 and the heterozygous mutant. Consequently, the function of candidate gene will be investigated by electronic microscopic observation for the kernel and leave structures, allelism test, transformation-mediated validation in maize, expression profiling, subcellular localization, etc. In addition, the endosperm and leaf of both the wild type and the mutant will be RNA sequenced, and the coexpression regulation network of the target gene will be built. Finally, the phylogenetic analysis of the candidate gene will be performed. All these studies will provide useful information for understanding the molecular mechanism of the candidate gene in regulating the formation of seed color and chloroplast, and the evolution process of chloroplast and kernel chromoplastid in maize.

突变体是经典遗传学和功能基因组学研究中重要的遗传材料。本研究以自然突变的玉米籽粒和叶片双白化突变体为材料，采用图位克隆的方法分离和克隆同时控制玉米籽粒和叶片白化基因。利用电子显微技术观察突变体籽粒和叶片的细胞结构；利用等位性测验、玉米转基因、时空表达模式、蛋白表达、亚细胞定位等方法验证突变基因的功能；开展突变体与野生型的胚乳和叶片的转录组测序，构建突变基因的共表达网络；分析突变基因在不同物种中的进化关系；阐明突变基因在玉米籽粒色素形成和叶片叶绿体建成过程中的作用机制，探讨玉米细胞器质体及叶绿体进化的分子机制。

萜类化合物，如类胡萝卜素、叶绿素、生育酚、多种激素等，是一类重要的天然次生代谢产物，在植物的生长发育过程中起到重要的作用。本研究克隆了scd突变体（seed carotenoid deficiency，籽粒类胡萝卜素缺陷突变体）基因。该基因SCD编码甲基赤藓糖-4-磷酸途径（methylerythritol-4-phosphatepathway，MEP）倒数第二步的关键酶，催化2-甲基赤藓糖-2,4环二磷酸（MEcPP）合成1-羟基-2-甲基-2.(E)-丁烯基4-二磷酸（HMBPP）。scd突变体的籽粒呈浅黄色，发芽后长成白化苗，并在三叶期致死。与野生型相比，scd突变体籽粒、叶片的类胡萝卜素和生育酚含量以及叶片的叶绿素含量均显著下降。这种SCD基因功能丧失导致的相关代谢物变化因组织和光的条件不同而不同。对scd突变体的籽粒和暗培养的叶片进行转录组分析发现，在MEP代谢途径当中只鉴定到少数差异表达基因，尽管它们显著地降低了多种萜类化合物的含量。与预期不同的是，对SCD进行超表达之后，只有少数类异戊二烯化合物含量发生变化。这一结果表明SCD可能通过翻译后调控方式调控类异戊二烯化合物的合成。这些结果加强了人们对MEP代谢途径中关键酶基因在影响类异戊二烯化合物合成的认识。本项目共发表了1篇SCI论文和1篇国内期刊，申请了1项发明专利，获科研奖励1项。培养博士后1名，博士研究生2名，本科生2名。