水稻灌浆不同时期的谷氨酰胺合成酶基因表达特性与其启动子结构关系分析

【作者】 朱琳； 李丹； 张忠臣； 金正勋；

【机构】 东北农业大学；

【摘要】 【研究背景】氮素的同化是植物生长发育过程中一个十分重要的生理过程,无机氮必须同化为有机氮才能为植物体所吸收利用。谷氨酰胺合成酶(G1utamine synthetase,GS)是参与这一同化过程的关键酶。GS活性大小或基因表达量与植物蛋白质含量高低有密切关系。启动子作为基因转录水平上重要调控元件,控制着基因表达的时间和空间特性。因此,深入了解GS基因启动子的结构特点及其和变异机理及其与转录水平上的调控机理和阐明表观性状形成的分子调控机理等具有重要的理论及实践指导意义;【材料与方法】本试验选用四个粳稻品种系选1号、通769、东农1601、东农1624和一个籼稻品种马尾占共五个蛋白质含量有显著差异的水稻品种为供试材料,分别在其抽穗后10d、20d、30d取籽粒为样本。测定分析总淀粉含量、支链淀粉含量、蛋白质含量、RVA谱等多个生理指标及利用GS基因启动子克隆和GS同工型基因mRNA表达量测定等分子育种方法解决基因mRNA表达量及GS同工型基因启动子序列和结构变化及其与转录表达量间的关系;【结果与分析】蛋白质含量差异显著的品种间杂交后代通过定向选择可以获得超亲变异的后代。蛋白质含量高的基因型在灌浆各个时期积累的蛋白质含量始终高于蛋白质含量低的基因型,基因型控制籽粒蛋白质积累量的高低。灌浆不同时期籼稻品种在籽粒和功能叶片中谷氨酰胺合成酶活性均较超亲变异系子代及亲本高,并且籽粒蛋白质含量超亲子代及亲本均比蛋白质含量低的子代和亲本谷氨酰胺合成酶活性高。籽粒和叶片中GS酶活性与蛋白质含量在灌浆不同时期都呈正相关,籽粒GS1;1基因mRNA表达量与蛋白质含量间的灌浆前期和中期都呈正相关,在灌浆不同时期叶片GS1;1和GS2及籽粒GS1;3基因的mRNA表达量与蛋白质含量间都呈正相关,灌浆中期的叶片GS1;2基因mRNA表达量对籽粒蛋白质积累影响很大。籽粒蛋白质含量有显著差异的品种间GS同工型基因启动子序列的同源性高达99%以上;品种间有性杂交子代GS同工型基因的启动子序列可发生碱基的变化,但没有导致启动子核心元件发生变化。在调控元件数量和功能上GS同工型基因的启动子保守性很强,启动子在结构和功能上不易发生遗传变异,籽粒GS同工型基因mRNA表达量的变化受GS基因启动子的调控影响很小;【结论】GS同工型基因启动子结构并不完全一致,不同基因启动子在调控元件数量上有明显的差异,但不同品种间GS同工型基因启动子结构非常一致,GS同工型基因的表达与否和程度与多种环境因素有关。更多还原