过量表达小麦TaCYP78A5增加花器官的大小

【目的】利用表达模式分析、转基因过表达和细胞学观察等策略,解析TaCYP78A5调控花器官大小的功能和机制,为作物遗传改良提供基因资源和理论基础。【方法】根据EnsemblPlants基因组数据库中不同物种CYP78A家族成员的序列信息,对小麦TaCYP78A5和其他物种中的同源基因进行序列比对和进化分析;利用生物信息学分析小麦TaCYP78A5的基因和蛋白结构,以及不同器官的表达模式;通过在拟南芥中组成型过表达和生殖器官局部特异性过表达TaCYP78A5的策略,明确TaCYP78A5具有调控花器官大小的功能;利用显微镜观察不同转基因拟南芥花器官的细胞学特征,解析TaCYP78A5调控花器官大小的细胞学机制;利用小麦转基因过表达策略,明确TaCYP78A5调控小麦穗部大小等其他穗部性状的功能;利用323份小麦品种的单倍型数据与穗部表型数据进行关联分析,探析不同小麦品种TaCYP78A5表达量的高低对穗部大小等其他穗部性状的影响。【结果】小麦TaCYP78A5与拟南芥AtCYP78A5的基因和蛋白序列相似性较低,但基因和蛋白结构相似性较高。小麦TaCYP78A5和拟南芥AtCYP78A5均在多个器官广泛表达,但在花器官中表达量最高。相较于野生型,在拟南芥中组成型过表达TaCYP78A5能导致花器官增大,花瓣面积显著增加13.5%—35.4%;而且仅在胚珠局部特异性过表达TaCYP78A5也足以导致拟南芥花器官增大,花瓣面积显著增加9%—22.1%;相反,拟南芥cyp78a5突变体的花器官则显著小于野生型,花瓣面积显著减少27%。在拟南芥中组成型过表达TaCYP78A5导致花瓣表皮细胞大小较野生型显著增加49%—54%,细胞数目较野生型显著减少11%—19%,局部特异性过表达TaCYP78A5也导致花瓣表皮细胞大小较野生型显著增加20%—49%,细胞数目较野生型显著减少8%—24%。在小麦中组成型过表达TaCYP78A5导致小麦穗长增加7.9%—8.9%,颖壳面积增大9.6%—14.7%,穗粒数增加12.4%—23.8%,小穗数和小穗粒数呈现不同程度的变化。单倍型分析结果显示,在323份小麦品种中,具有较高TaCYP78A5-A表达量的小麦品种比具有较低TaCYP78A5-A表达量的小麦品种的穗长更长,小穗粒数更多,小穗数更少,而穗粒数无显著差异。【结论】TaCYP78A5以一种非细胞自制的模式促进花器官生长,小麦和拟南芥过量表达该基因均能导致花器官的增大。