摘要
CYP51家族是细胞色素P450超家族成员中最保守的一个基因家族，在真菌、植物和动物中高度保守，CYP51家族作为甾醇14α-去甲基化酶，功能是催化甾醇前体14α-甲基羟基化反应，参与甾醇类物质和BRs的合成，在植物生长发育与抗性生理中起着重要作用。本课题组前期获得了水稻CYP51家族的三个突变体，初步分析发现这三个突变体表现出叶片直立、花药弯曲、结实率下降等异常表型。在前期研究基础上，对oscyp51H3、oscyp51H7、oscyp51H9三个突变体进行了系统的表型鉴定，并对其生物学功能进行了初步研究。研究结果为系统分析水稻CYP51家族基因在水稻生长发育中的功能提供理论依据，为结实，株高等重要农艺性状提供了遗传资源。 得到主要研究结果如下: (1)oscyp51H3、oscyp51H7、oscyp51H9三个突变体都表现叶片直立、花药形态弯曲、花粉育性降低、结实率下降等类似于BR缺陷突变体的典型表型。但是oscyp51H3突变体的缺陷表型最严重，还表现出株高严重矮化、穗长变短、开花时间延迟约两周、植株生长周期延长。 (2)用qRT-PCR技术对OsCYP51H3、OsCYP51H7、OsCYP51H9的表达模式进行了分析。结果表明:在正常生长发育条件下，三个基因的表达量都非常低，在水稻根中表达量最高，其次是茎、叶、叶鞘。同时，OsCYP51H3、OsCYP51H7、OsCYP51H9受到BR、高盐、干旱、冷处理、缺磷、高镉、低镉等非生物胁迫的诱导表达。 (3)对几种植物甾醇类物质含量进行测量发现:与对照(DJ)相比，在三个突变体的叶中，3种终产物(Campesterol、Stigmasterol、Sitosterol)的含量都显著减少，3种上游中间产物(Cycloartanol、Cycloeucalenol、24-Methylene-Cyclobartanol)则均未检测到。这表明，OsCYP51H3、OsCYP51H7、OsCYP51H9三个基因功能的丧失都影响了水稻中甾醇类物质的合成。 (4)对几种植物内源BRs含量进行测量发现:与对照(DJ)相比，在三个突变体的叶中，部分内源BRs含量减少。其中，oscyp51H3中内源BRs含量降低最多，oscyp51H7中次之，oscyp51H9中则最少。这表明OsCYP51H3、OsCYP51H7、OsCYP51H9三个基因功能的丧失也影响了植物内源BRs的合成。 (5)对突变体进行了BR敏感性测试发现:与对照(DJ)相比，oscyp51H3、oscyp51H7、oscyp51H9三个突变体对BR都是敏感的。但是三个突变体对BR的敏感性略有区别，oscyp51H3最敏感，oscyp51H7、oscyp51H9略弱一些。 (6)通过RNA-seq对oscyp51H3、oscyp51H7、oscyp51H9突变体与对照中的差异表达基因进行了分析。结果表明，与对照相比，在oscyp51H3突变体中，一些影响植物株高、开花时间、花粉育性、结实率的差异表达基因如LAC4、HBF2、OsYSL18等显著下调。在oscyp51H7突变体中，有一些影响植物花粉育性、结实率的差异表达基因如OsPSK2、AsHsfB2a、OsHsp24.1等显著下调。在oscyp51H9突变体中，也一些影响植物花粉育性、结实率的差异表达基因如OsSAMS1、OsSAMDC2、AsHsfB2a、OsHsp24.1等显著下调。 综上所述，本研究发现oscyp51H3、oscyp51H7、oscyp51H9三个突变体都表现出一些明显的类似于BR缺陷突变体的典型表型。但是，oscyp51H3突变体的缺陷表型更为严重并且对BR的敏感性最高。表明这三个基因在水稻的生长发育过程中起着类似的生物学功能，但是又有所区别。在三个突变体叶中有部分甾醇类物质和BRs含量均下降，这表明三个基因同时都参与了甾醇类物质和BRs的合成。但是在三个突变体叶中，这几种内源BRs含量的变化趋势不同，这说明OsCYP51H3、OsCYP51H7、OsCYP51H9在BRs的合成途径中具有不同的催化功能，也因此产生了不同的表型和分子机制。
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