水稻特有光周期调控开花基因Ehd4的图位克隆与功能分析

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开花时间(在谷类作物中也叫做抽穗期)不仅是作物从营养生长向生殖生长阶段的重要发育转变,也是决定作物产量的重要决定因素之一,它决定了作物耕种的季节和地域适应性。植物通过感知日照长度并以此作为起始开花的指示信号来调节开花的能力叫做光周期调控开花。水稻(Oryza sativa L.)作为全球最重要的粮食作物之一是典型的短日照作物,即在短日照条件下抽穗更早而在长日照条件下抽穗延迟。然而,栽培稻(Oryza sativa)现在可以广泛的耕种于亚洲多个地区,最北可以种到亚洲北部北纬530的范围(在这个地区耕种季节的最长日照长度可以达到15小时),而野生稻(Oryza rufipogon)-与栽培稻亲缘关系最近的祖先,主要耕种在热带低纬度地区,最北仅可以耕种到北纬28°的范围内。为了保证寒冷天气到来之前能够完成收获,栽培稻的耕种范围向高纬度地区北扩一定伴随着水稻在驯化和育种过程中人们对抽穗期性状的选择。越来越多的证据表明,在水稻中光周期调控开花途径要比拟南芥中更为复杂。即使是保守的调控因子OsG1 (GI)-Hdl (CO)-Hd3a(FT)也在短日照下促进开花途径和长日照下抑制开花途径发挥着双重功能。此外,在水稻中还存在一条长日照促进途径,由OsMAD50, Ehd2/RID1/OsID, Ehd3,和Ehdl组成。但是对于长日照调控水稻抽穗的遗传组份和信号机制还研究的很少。在本研究中,我们鉴定了ehd4功能缺失突变体,ehd4突变体在自然长日照条件下显现出不抽穗表型。我们利用图位克隆的手段克隆了Ehd4,该基因编码一个新的CCCH类锌指蛋白。EHD4蛋白主要定位在细胞核中,能够在体外结合核酸分子并且在酵母中具有转录激活活性,说明它是一个转录调控因子。Ehd4在幼嫩的叶片中表达量最高并具有昼夜节律性,其表达量在黎明时最高,随后快速下降。我们通过进一步研究发现,Ehd4通过上调Ehdl的表达来促进Hd3a和RFTl,但是却独立于其他Ehdl调控基因。令人惊讶的是,Ehd4在稻属(包括野生稻和栽培稻)中高度保守,但是在其他物种中却没有同源基因,说明Ehd4可能起源于进化过程中水稻从草本科分化出来的过程中。通过对核心种质进行测序分析发现,Ehd4在栽培稻中主要有两种单倍型,一种单倍型(Hap2)主要分布于籼稻中,而另一种(Hap3)主要分布于粳稻中。Hap3比Hap2促进开花的能力更强,说明Ehd4有助于不同栽培稻亚种适应不同的地理环境并且在光周期调控开花途径中发挥着重要的作用。
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