玉米叶片的适时衰老是其发育和适应环境的重要过程,是光合产物和营养物质再分配以及促进籽粒干物质积累的重要因素。挖掘控制玉米叶片衰老的关键基因,并阐明其作用机制对延长叶片功能期,提高玉米产量具有重要意义。本研究以课题组在育种选系过程中发现的一个玉米叶片早衰突变体els5为材料,通过表型分析和生理指标测定明确该突变的形态和生理特征,通过遗传分析、图位克隆、转录组、蛋白质组和关联分析鉴定其候选基因,结合生物信息学分析探讨候选基因的潜在功能基序和蛋白结构。本研究的主要研究结果如下:1.els5的表型分析:与野生型相比,突变体els5在5叶期后开始出现叶片黄化表型,黄化叶片自下而上发genetic regulation生,且随着发育进程加快黄化速度逐渐加快,成株期后els5植株过早死亡;9叶期时,els5植株的穗位叶片的叶绿素相对含量(SPAD)、PSII光化学的最大量子效率(Fv/Fm)、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著下降,同时氧化胁迫相关的丙二醛(MDA)和过氧化氢(H_2O_2)积累,清除H_2O_2的过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的酶活性也相应增加;成株期,els5的株高、穗位高、茎节长度、雄穗长度和地下部分生物量均明显降低。2.els5的遗传分析和图位克隆:对els5与B73组配的BC_1F_1和F_2分离群体进行遗传分析,结果显示分离群体中els5正常植株与突变体植株的比例符合1:1和3:1的孟德尔分离比,表明els5突变体表型是由单个隐性核基因控制的。通过BSA(集团分离分析法,Bulked Segregant Analysis)方法将候选基因定位于玉米第8号染色体的660In Del2和860In Del标记之间,在玉米B73参考基因组上的物理距离约为1.1 Mb,该区间包含11个蛋白编码基因,其中8个基因在叶片中表达。3.候选基因的初步鉴定:由于缺少交换单株,难以通过图位克隆进一步缩小定位区间,且11个基因的编码区未检测到els5特异的核苷酸变异。为明确els5的突变表型是否是由基因的差异表达造成的,本研究进一步通过RNA-seq和q RT-PCR分析了这11个基因在野生型和els5中的表达情况,结果表明Zm00001eb346790、Zm00001eb346800、Zm00001eb346810、Zm00001eb346850在野生型和els5中存在表达差异。此外,启动子测序结果表明els5中Zm00001eb346800的启动子特异的插入了140 bp。候选基因关联分析结果表明,该基因的3′端有2个与Fv/Fm显著关联的SNP(P=2×10~(-4))。上述结果表明Zm00001eb346800基因是els5的潜在候选基因,命名为ZmELS5。4.候选基因的功能注释:ZmELS5编码甲醇脱氢酶型β-螺旋桨结构域蛋白,具有高度保守的TPM＿phosphatase结构域和1个跨膜结构域,但缺少信号肽,该蛋白为叶绿体定位的亲水性蛋白。启动子顺式元件分析结果表明,ZmELS5的启动子区存在多个光响应元件(Box4、G-boPLX3397说明书x、MRE、GTGGC-motif、I-box);激素响应元件脱落酸(ABRE)、茉莉酸(CGTCA-motif、TGACG-motif)。5.ZmELS5https://www.selleck.cn/products/mk-4827.html调控网络的转录组和蛋白质组联合分析:为解析ZmELS5调控玉米叶片早衰的潜在调控网络,对els5及其近等基因系京24的V13叶期的叶片的转录组和蛋白质组进行联合分析。结果表明二者的差异积累蛋白主要富集在“核糖体”、“光合作用”、“卟啉和叶绿素代谢”、“光合作用天线蛋白”等功能类别。相互作用调控网络揭示了ZmELS5与光合作用相关的过程直接相关,涉及光系统II的修复,该基因的下调导致光合作用相关基因的下调和叶片的叶绿素降解,再次证明ZmELS5为可能的候选基因。本研究为els5候选基因的确定和功能研究奠定了基础。