小麦TaGS2调控籽粒产量的机制研究

Wheat (Triticum aestivum l.) is a major crop in north China, improve the wheat yield potential is an important problem urgently to be solved in the agricultural development of our country. Previous work using the reverse genetic approaches, a series of glutamine synthetase (TaGS2) knockout mutants (gs2-a、gs2-b、gs2-d) and their derivative double mutants (gs2-a/gs2-b、gs2-b/gs2-d、gs2-a/gs2-d) were obtained for three TaGS2 homoeologous genes in hexaploid wheat. Under normal condition, TaGS2 double mutants developed a severe chlorotic phenotype, have fewer spikes, lower spike kernels than wild type and eventually led to reduced grain yield. In this project, we try to analyze the relationship between the TaGS2 genes expression with grain yield; photosynthesis and nitrogen metabolism. Moreover, our research will focus on the regulation of photorespiration-related genes expression, reactive oxygen species (ROS) accumulation and antioxidant enzyme activity through plant physiology and molecular biology approaches. Eventually, we will uncover the mechanism of TaGS2 affected grain yield from two aspects of nitrogen metabolism and photorespiration.

小麦(Triticum aestivum L.)是我国北方主要粮食作物，进一步提高小麦产量潜力是我国农业发展亟待解决的重要问题。前期工作利用反向遗传学方法，通过构建六倍体小麦突变群体，筛选获得不同染色体组谷氨酰胺合成酶基因(TaGS2)缺失突变体（gs2-a、gs2-b、gs2-d），通过不同染色体组单突变体间杂交获得了双重突变体（gs2-a/gs2-b、gs2-b/gs2-d、gs2-a/gs2-d）。分析结果表明，TaGS2基因缺失引起叶片黄化，穗数减少、穗粒数降低，籽粒产量下降。本课题将在此基础上开展：TaGS2表达量与籽粒产量的关系；TaGS2对光合作用、氮效率的影响；TaGS2参与光呼吸过程，调控相关基因表达、活性氧积累及抗氧化酶类的活性分析，最终从氮代谢与光呼吸两个方面揭示TaGS2基因调控小麦籽粒产量的作用机制。

小麦是异源六倍体，由A、B和D三个具有部分同源关系的染色体组组成。通过离子束诱变，创建了Kn9204 小麦突变体库。利用TaGS2不同染色体组的特异引物，成功筛选了gs2-a、gs2-b和gs2-d单突变体。通过杂交，获得了不同组合的双重突变体。蛋白水平鉴定结果显示，双重突变体中GS2的蛋白水平明显降低；GS酶活性测定显示，双重突变体中GS酶活性出现明显降低。DNA和蛋白水平的实验结果表明，上述突变造成了GS2的功能缺失。.表型观察显示，与野生型相比，单突变体并没有表现出明显的发育缺陷，但双重突变体发育缺陷非常明显。幼苗期，双重突变体表现出分蘖减少、叶片黄化的发育表型，统计结果与叶绿素含量测定结果和表型观察相一致；生理结果显示，双重突变体中多种氨基酸含量、可溶性蛋白含量均明显降低，而过氧化物明显积累。在成熟期，双重突变体表现出株高降低、穗数减少、不育小穗数增多、穗粒数减少、单株产量降低等发育缺陷。上述实验结果表明，TaGS2基因存在功能冗余，在小麦生长发育过程中发挥重要的生物学功能。为明确上述突变体的发育缺陷确实是由TaGS2的突变引起的，我们进行了转基因功能互补实验。双重突变体的发育表型和生理表型在转化后均恢复到野生型的水平，表明上述表型确实是由TaGS2的突变导致的。.通过对GS2-A、-B和-D的表达水平进行定量检测，我们发现，GS2-B的表达水平明显高于GS2-A和GS2-D，GS2-A的表达水平次之，GS2-D的表达水平最低。不同时期的表达水平检测结果显示，GS2在幼苗期表达量较高，在孕穗期表达水平较低。 .通过ChIP检测TaGS2的组蛋白修饰水平表明，幼苗期叶片中TaGS2-B的H3K4me3修饰水平最高，这与其高表达水平一致；与表达抑制相关的修饰H3K9me2没有明显变化，而H3K27me3没有富集。DNA甲基化结果显示，幼苗期叶片中TaGS2-B的DNA甲基化程度最低，与其高表达水平一致。核小体实验证实，GS2-B的核小体结构最为疏松，利于转录。综合上述实验结果表明，通过组蛋白修饰、DNA甲基化修饰和核小体占位等多种调控，表观遗传修饰协同促进TaGS2-B基因的转录，维持植物正常的生长发育。