蒺藜苜蓿株高控制基因COSTIN的克隆及功能研究

doi:10.19586/j.2095-2341.2018.0020

生物技术进展 ›› 2018, Vol. 8 ›› Issue (2): 124-131.DOI: 10.19586/j.2095-2341.2018.0020

蒺藜苜蓿株高控制基因COSTIN的克隆及功能研究

李辉1§,殷鹏程2§,祝步拓2,林浩2,刘志强1,裴雁曦1*,牛丽芳2*

1.山西大学生命科学学院, 太原 030006; 2.中国农业科学院生物技术研究所, 北京 100081

收稿日期:2018-01-05 出版日期:2018-03-25 发布日期:2018-02-05
通讯作者: 牛丽芳，研究员，主要从事苜蓿功能基因组学研究。E-mail：niulifang@caas.cn；裴雁曦，教授，主要从事植物信号转导研究。E-mail：peiyanxi@sxu.edu.cn
作者简介:§李辉与殷鹏程为本文共同第一作者。李辉，硕士研究生，研究方向为植物分子生物学。E-mail：m18234036542@163.com。殷鹏程，博士研究生，研究方向为植物分子生物学。E-mail：ypcsjj@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目（31570309;31770347）;“一带一路”生物技术协同创新专项（BRI-ASTIP-GIFC-03-2017）；首都科技领军人才培养工程项目（lj201812）；中国农业科学院基本科研业务费专项(Y2018LM04)资助。

Identification and Characterization of the COMPACT STALK INTERNODES (COSTIN) Gene Required for Plant Height in Medicago truncatula

LI Hui, YIN Pengcheng, ZHU Butuo, LIN Hao, LIU Zhiqiang, PEI Yanxi, NIU Lifang

1.College of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2.Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Received:2018-01-05 Online:2018-03-25 Published:2018-02-05

摘要/Abstract

摘要： 株高是影响植物株型建成的重要农艺性状之一，直接决定作物的倒伏性和生物产量，但目前关于苜蓿等豆科牧草株高性状形成的分子调控机制尚不清楚。通过定向筛选豆科模式植物蒺藜苜蓿Tnt1逆转座子插入突变体库，分离鉴定了一个蒺藜苜蓿矮化突变体compact stalk internodes(costin)，该突变体的矮化表型是由于茎节伸长受到抑制所致。通过基因表型连锁分析成功克隆了COSTIN基因，该基因编码一个钙离子交换蛋白，与拟南芥的CALCIUM EXCHANGER 7(CAX7) 基因高度同源。qRT-PCR检测发现COSTIN基因在茎、叶和果荚等组织中有较高的表达。进一步研究发现在costin突变体中赤霉素合成途径关键基因MtCPS、MtKAO1、MtGA20ox4、MtGA20ox7和MtGA3ox1表达下调；外施赤霉素GA3可以恢复costin突变体的矮化表型。上述研究表明COSTIN基因通过影响植物激素赤霉素的生物合成来调控蒺藜苜蓿的茎节伸长。

关键词: 蒺藜苜蓿, 株高, COSTIN, 钙离子交换蛋白, 赤霉素

Abstract: Plant height is one of the most important agronomic traits that determines the lodging resistance and biomass yield in crops. However, the molecular mechanism underlying the stem elongation in forage legumes is poorly understood. In this study, we isolated and characterized a dwarf mutant compact stalk internodes (costin) by screening Tnt1 retrotransposon-tagged lines of M. truncatula. Results showed that the dwarf phenotype of costin is caused by inhibition of the internode elongation. We cloned COSTIN by PCR-based genotyping of flanking sequence tags (FST) in segregating populations. The COSTIN gene encodes a calcium exchanger protein, which is homologue to Arabidopsis CALCIUM EXCHANGER 7(CAX7). qRT-PCR analysis revealed that COSTIN is highly expressed in stem, leaf and pod. Moreover, several gibberellic acid (GA) biosynthesis pathway genes including MtCPS, MtKAO1, MtGA20ox4, MtGA20ox7 and MtGA3ox1 were significantly downregulated in the costin mutant, and the dwarf phenotype of costin could be rescued by exogenous application with gibberellic acid-3 (GA3). These data together demonstrated that the COSTIN gene control internode elongation through regulating the biosynthesis of the phytohormone gibberellic acid in M. truncatula.

Key words: M. truncatula, plant height, COSTIN, calcium exchanger protein, gibberellic acid

李辉,殷鹏程,祝步拓,林浩,刘志强,裴雁曦,牛丽芳. 蒺藜苜蓿株高控制基因COSTIN的克隆及功能研究[J]. 生物技术进展, 2018, 8(2): 124-131.

LI Hui1§, YIN Pengcheng2§, ZHU Butuo2, LIN Hao2, LIU Zhiqiang1, PEI Yanxi1*, NIU Lifang2*. Identification and Characterization of the COMPACT STALK INTERNODES (COSTIN) Gene Required for Plant Height in Medicago truncatula[J]. Curr. Biotech., 2018, 8(2): 124-131.

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蒺藜苜蓿株高控制基因COSTIN的克隆及功能研究

Identification and Characterization of the COMPACT STALK INTERNODES (COSTIN) Gene Required for Plant Height in Medicago truncatula

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