玉米Edk1(Early delayed kernel 1)基因的克隆及其在胚乳早期发育中的功能研究

基本信息
批准号:31871625
项目类别:面上项目
资助金额:60.00
负责人:王海海
学科分类:
依托单位:中国科学院分子植物科学卓越创新中心
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张志平,王琼,周勇,黄永财,郭亮星,黄兴
关键词:
微管生物产量胚乳早期发育玉米粒重
结项摘要

Seed size is a critical agronomic trait related to the maize yield. Although regulatory mechanisms of maize filling were widely studied, researches on the early development stage of maize endosperm were less reported. Using EMS mutagenesis, we screened a small seed mutant edk1 showing delayed development at early stage and reduced endosperm cells. By MBS (Mapping-by-sequencing) and Map-based cloning, we cloned this gene and determined that the mutation in edk1 resulted in a CGA → TGA transition, leading to a premature stop codon in the coding sequence. Spatial and temporal expression analyses revealed that Edk1, coding a new microtubule binding protein, was most abundantly expressed in endosperm cells at 2-3 DAP (syncytium to cellularization). In addition, EDK1 was determined to be located on microtubule system. These results indicate that EDK1 plays an important role in nuclear divisions and cellularization at early stage probably by influencing the microtubule formation or stability. Therefore, the biological function and regulation network of EDK1 in the early development of endosperm will be clarified in this project by performing allelic test and CRISPR to verify the gene; applying subcellular localization and BiFC (Bimolecular Fluorescence Complementation) assay to identity the binding domain of EDK1; using TUB-CYP transgenic maize, tobacco suspension system and fluorescence immunohistochemistry to study the effect of EDK1 on microtubule system, and utilizing the transcriptome analysis and yeast single hybrid to exploring the upstream and downstream networks of EDK1. In conclusion, this project will not only reveal the molecular mechanism of early development of maize seeds, but also lay a foundation for the genetic improvement of maize seed size and yield.

籽粒大小是决定玉米产量的一个重要因素。玉米籽粒的研究大多集中在灌浆及其调控,而胚乳早期发育的研究很少。我们通过EMS诱变获得一个胚乳早期发育迟滞、胚乳细胞数目减少的小粒突变体edk1;通过MBS和图位克隆发现突变体中Edk1编码区由于一个C→T的突变产生一个终止密码子;Edk1编码一个微管结合蛋白,在授粉后2-3天的胚乳细胞中(合胞体-细胞化)高表达;该蛋白定位于微管系统中,这些结果表明EDK1可能通过影响微管的形态或稳定来影响胚乳早期发育。本项目将通过等位测试和CRISPR验证该基因;亚细胞定位和BiFC研究该蛋白的功能结构域;用TUB-CYP转基因玉米、烟草悬浮系统和荧光免疫组化研究EDK1对微管系统的影响;用转录组学和酵母单杂研究其调控网络,从而阐明EDK1在胚乳早期发育中的生物学功能。本项目不仅可以揭示玉米胚乳早期发育的分子机理,同时也为玉米种子大小和产量的遗传改良提供理论基础。

项目摘要

玉米胚乳早期发育影响胚乳的细胞数目进而影响种子的大小和产量。由于缺乏胚乳早期特异的突变体和相关细胞学实验技术,玉米胚乳早期发育的研究鲜有报道。我们通过EMS诱变获得一个胚乳早期发育迟滞、胚乳细胞数目减少的小粒突变体edk1(后命名为vks1,varied-kernel-size)。通过MBS和图位克隆发现突变体中Vks1编码区由于一个C→T的突变产生一个终止密码子;Vks1编码一个驱动蛋白ZmKIN11。通过RT-qPCR和原位杂交的方法发现Vks1在授粉后2-3天的胚乳细胞中(合胞体-细胞化)高表达;通过GFP融合蛋白的亚细胞定位及免疫组化的方法发现VKS1蛋白定位于细胞核和微管系统。同时经过一年多的摸索建立了玉米胚乳细胞的实时荧光免疫组化技术,发现VKS1蛋白动态定位于胚乳有丝分裂过程中的微管系统(纺锤体、成膜体)。Vks1突变体中由于ZmKIN11蛋白的缺失,导致胚乳有丝分裂过程中微观系统发生紊乱,使合胞体期游离核核质域发生改变,早期胚乳细胞快速分裂过程中纺锤体组装、姐妹染色单体分离和成膜体形成出现异常,从而影响了早期发育胚乳细胞的快速分裂,导致胚乳细胞数量减少,最终导致种子变小。这项研究首次通过正向遗传学、细胞学和分子生物学的方法揭示了玉米胚乳早期发育的新机制,为今后研究玉米胚乳早期发育打开一个突破口,也为玉米种子大小和产量的遗传改良提供理论基础。这项工作以封面文章于2019年发表在The Plant Cell上。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

玉米叶向值的全基因组关联分析

玉米叶向值的全基因组关联分析

DOI:
发表时间:
2

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
3

宁南山区植被恢复模式对土壤主要酶活性、微生物多样性及土壤养分的影响

宁南山区植被恢复模式对土壤主要酶活性、微生物多样性及土壤养分的影响

DOI:10.7606/j.issn.1000-7601.2022.03.25
发表时间:2022
4

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

DOI:10.5846/stxb201912262800
发表时间:2020
5

生物炭用量对东北黑土理化性质和溶解有机质特性的影响

生物炭用量对东北黑土理化性质和溶解有机质特性的影响

DOI:10.19336/j.cnki.trtb.2020112601
发表时间:2021

王海海的其他基金

批准号:31000288
批准年份:2010
资助金额:22.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

水稻印记基因SPK的表观遗传调控及其在胚乳发育中的功能研究

批准号:31771744
批准年份:2017
负责人:陈忱
学科分类:C1307
资助金额:64.00
项目类别:面上项目
2

玉米根系耐渍早期基因的克隆与功能研究

批准号:30370886
批准年份:2003
负责人:郑用琏
学科分类:C1307
资助金额:21.00
项目类别:面上项目
3

气孔发育关键基因STOMAGEN在玉米中的功能研究

批准号:31160287
批准年份:2011
负责人:樊宪伟
学科分类:C1307
资助金额:50.00
项目类别:地区科学基金项目
4

玉米ZmYGL-1基因在叶绿体发育中的功能研究

批准号:31701443
批准年份:2017
负责人:关海英
学科分类:C1307
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目