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本文格式為Word版,下載可任意編輯——水稻穎殼和漿片異常突變體ahl的基因定位

作物學(xué)報(bào),農(nóng)作物,期刊,一級學(xué)報(bào)

作物學(xué)報(bào)ACTAAGRONOMICASINICA2023,37(4):629634

ISSN0496-3490;CODENTSHPA9

/zwxb/

E-mail:xbzw@

DOI:10.3724/SP.J.1006.2023.00629

水稻穎殼和漿片異常突變體ahl的基因定位

王增李云峰**馬嬌任德勇王德仲游小慶桑賢春何光華*

西南大學(xué)水稻研究所/轉(zhuǎn)基因植物與安全控制重慶市重點(diǎn)試驗(yàn)室,重慶400716

摘要:研究水稻花發(fā)育基因?qū)τ谒鞠嚓P(guān)性狀的分子育種具有十分重要的意義。本研究報(bào)道了一個水稻穎殼和漿片異常突變體ahl(abnormalhullandlodicule),來源于優(yōu)良恢復(fù)系縉恢10號的EMS誘變?nèi)后w。該突變體內(nèi)外稃變小并發(fā)生嚴(yán)重扭曲,漿片頂端伸長。內(nèi)外稃異常導(dǎo)致灌漿后米粒變小、畸形,千粒重下降。該性狀遺傳穩(wěn)定,受1對隱性基因控制,利用群體分開分析法(bulkedsegregationanalysis,BSA)將AHL基因定位在第2染色體上的SSR標(biāo)記RM14153與RM14167之間,遺傳距離分別為1.19cM和1.34cM,物理距離為226kb。研究結(jié)果為AHL基因的圖位克隆和功能研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:水稻;穎殼和漿片異常突變體;遺傳分析;基因定位

GeneMappingofaNovelMutantahlinRice

WANGZeng,LIYun-Feng**,MAJiao,RENDe-Yong,WANGDe-Zhong,YOUXiao-Qing,SANGXian-Chun,andHEGuang-Hua*

RiceResearchInstitute,ChongqingKeyLaboratoryofApplicationandSafetyControlofGeneticallyModifiedCrops,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China

Abstract:Researchesonriceflowerdevelopmentgeneareveryimportantinmolecularbreedingofriceforrelatedtraits.Ariceflowermutant(ahl)wasidentifiedfromJinhui10(OryzasativaL.ssp.indica)treatedbyEMS.Inahlmutant,lemmaandpaleaminishedandsignificantlytwistedalongwiththeapparentlyelongatedapicallodicules.Thisminishedlemmaandpalealedtoabnormalkernelsaftergrainfilling,meanwhile,the1000-grainweightdecreased.Thetraitwassteadilyinherited,andcontrolledbyapairofrecessivegene.UsingbulkedsegregationanalysismethodAHLwasrestrictedbetweenSSRmarkersRM14153andRM14167,withgeneticdistancesof1.34cMand1.19cM,respectively,whichcoveredanapproximate226kbregiononthechromosome2.Theresultisusefulforfurthermap-basedcloningandfunctionalanalysisofAHLgene.Keywords:Rice(OryzasativaL.);abnormalhullandlodicule;Geneticanalysis;Genemapping

花器官發(fā)育的分子遺傳機(jī)制是近年來植物發(fā)育生物學(xué)的研究熱點(diǎn)?;陔p子葉模式植物擬南芥、金魚草的研究,提出了經(jīng)典的ABC模型,認(rèn)為花器官的特征發(fā)育主要受A、B和C三類花器官特征基因(同源異型基因)的組合調(diào)控,4輪結(jié)構(gòu)花萼、花瓣、雄蕊及心皮分別由A、A+B、B+C及C四組基因決定,每一類基因都調(diào)控兩輪以上的花器官,其中任何一類基因的突變都會引起相應(yīng)輪次器官的同源異型轉(zhuǎn)變[1-2]。在擬南芥中已分開鑒定了A類基因APETALA(AP1)和AP2、B類基因AP3和PISTILLATA(PI)、C類基因AGAMOUS(AG)[1-3]。

水稻等單子葉植物早在1.2~1.8億年前就與雙子葉植物分開各自獨(dú)立進(jìn)化[4],其花器官的大量特征明顯不同于雙子葉植物。水稻小花從外到內(nèi)依次由外稃/內(nèi)稃、2個漿片、6個雄蕊和由2個心皮融合而成的雌蕊(1個子房和2個柱頭)等組成,其中雄蕊和雌蕊與雙子葉植物類似,但外稃/內(nèi)稃與花萼、漿片與花瓣都有明顯的差異。近年來研究發(fā)現(xiàn),雄蕊和雌蕊發(fā)育調(diào)控的分子機(jī)制在水稻和擬南芥之間十分類似。在水稻中,B功能基因OsMADS4和OsMADS16(也稱SUPERWOMAN1,SPW1)分別是擬南芥B類基因PI和AP3的直系同源基因,都負(fù)責(zé)特

本研究由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31071390),重慶市優(yōu)良青年基金項(xiàng)目(2023BA1033)和重慶市良種創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CSTC,2023AA1013)資助。

*

通訊(Correspondingauthor):何光華,E-mail:hegh@

第一聯(lián)系方式:E-mail:wz_1225@**共同第一Received(收稿日期):2023-09-17;Accepted(接受日期):2023-01-06.

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化漿片和雄蕊的特征[5-8]。水稻中也存在2個擬南芥C功能基因AG的直系同源基因OsMADS3和OsMADS58,它們共同承受部分C功能基因的角色[9]。然而,到目前為止還沒有在水稻等禾本科植物中鑒定出典型的A功能基因,雖然水稻中有3個擬南芥A功能基因的同源基因OsMADS14[10]、OsMADS15[11]和OsMADS18[12],但是它們似乎并不參與穎殼和漿片的發(fā)育調(diào)控。所以,水稻等禾本科的外輪花器官,特別是穎殼的發(fā)育調(diào)控機(jī)制與雙子葉植物應(yīng)當(dāng)存在較大的差異,然而目前鑒定的基因還太少,主要是缺乏相應(yīng)的突變體。本研究報(bào)道一個水稻穎殼和漿片異常突變體,命名為ahl(abnormalhullandlodicule),我們對其表型變異、遺傳特性和基因位置進(jìn)行了研究。

1材料與方法

1.1材料

ahl來自EMS化學(xué)誘變自育恢復(fù)系縉恢10號(OryzasativaL.ssp.indica)。2023年,用花器官表型正常的不育系材料西農(nóng)1A與突變體ahl雜交,同年8月在海南種植F1,并收獲F2種子,2023年在西南大學(xué)水稻研究所分別種植親本、F1和F2群體,抽穗期調(diào)查每個單株的籽粒特性。

1.2表型分析

在開花期分別選取10株ahl和野生型植株的小穗,在成熟期分別收取10株ahl和野生型植株的籽粒,分別在體視鏡(NIKONSMZ1500)下觀測其表型;另外,在開花期分別剪去10株ahl和野生型植株的穎殼,于種子成熟時對比觀測籽粒灌漿充實(shí)狀況。

1.3基因定位

采用BSA法定位目標(biāo)基因,即根據(jù)F2植株表型,分別選取10株正常單株和10株突變單株,剪取等量葉片,構(gòu)成正常基因池和突變基因池。按CTAB法[13]提取親本和基因池DNA,按堿煮法提取群體DNA[14]。SSR引物序列參照網(wǎng)站(http://./microsat/),由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。同羅遠(yuǎn)章等[15]的PCR總體系及PCR程序。PCR產(chǎn)物經(jīng)10%的非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳,快速銀染后觀測[16]。

1.4圖譜的構(gòu)建

用Mapmaker3.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。用Kosambi函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)化為遺傳距離。根據(jù)Gramene網(wǎng)站(/)提供的水稻序列信息構(gòu)建物理圖譜。

2結(jié)果與分析

2.1ahl突變體的表型

ahl突變體在營養(yǎng)生長期與野生型相比沒有明顯的變化,突變表型主要表現(xiàn)在生殖生長期。

開花期野生型水稻的小花包括4輪花器官,第1輪是鎖在一起的外稃和內(nèi)稃,外稃有5條維管束,內(nèi)稃有3條維管束,外稃略大于內(nèi)稃;第2輪是2枚漿片,著生在靠近外稃的一側(cè);第3輪是6枚雄蕊;第4輪是1枚雌蕊,雌蕊位于小花的中心,雄蕊著生在其周邊(圖1-A,B)。

與野生型小花相比,ahl小花表現(xiàn)出顯著的突變。首先,內(nèi)、外稃變小并嚴(yán)重扭曲(圖1-G,H)。外稃面積野生型為31.08mm2,ahl是野生型的75.1%,差異極顯著;內(nèi)稃面積野生型為15.4mm2,ahl是野生型的87.3%,差異顯著。其次,ahl漿片與野生型相比明顯變大和伸長(圖1-H,I),漿片面積野生型為0.61mm2,ahl是野生型的214.8%,達(dá)到極顯著差異。ahl第3輪雄蕊的形態(tài)特征沒有明顯的變化,但是花粉管發(fā)生扭曲(圖1-H),這可能是內(nèi)、外稃變小扭曲后空間壓縮所致。第4輪雌蕊與野生型相比基本沒有變化。

成熟時,ahl籽粒表現(xiàn)出顯著的變化。ahl米粒變小,畸形(圖1-J,K),粒長、粒寬、粒厚分別是野生型的81.1%、83.3%和94.7%(表1)。野生型千粒重27.4g,ahl千粒重22.8g,差異極顯著。籽粒變小可能存在兩方面的原因,一是AHL基因的突變;二是穎殼的變化。為進(jìn)一步解析籽粒變小的原因,我們在花期授粉后分別剪去野生型和ahl突變體小花的穎殼,在灌漿充實(shí)后測量籽粒性狀,發(fā)現(xiàn)在剪去穎殼后的種子中,ahl突變體和野生型的米粒在粒長、粒寬和粒厚方面差異并不明顯(圖1-F,L;表1)。說明籽粒變小是穎殼變異而被壓迫所致。

2.2AHL基因的遺傳分析

用表型正常的不育系西農(nóng)1A與ahl雜交,F1表現(xiàn)正常,說明該突變體由隱性基因控制。F2群體中出現(xiàn)明顯分開,分別表現(xiàn)雙親性狀,其中正常單株2107株,ahl表型的單株673株。經(jīng)卡方測驗(yàn),正常株∶突變株符合3∶1分開比(χ2=0.8868χ20.05=3.84)。說明ahl突變體受一對隱性基因控制。2.3AHL基因的分子定位

選用西農(nóng)1Aahl雜交的F2群體作為定位群體,共獲得673個突變單株,用于基因定位。在F2代中分別選取10株正常株和10株穎殼突變株構(gòu)建正常

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因,2個假定蛋白基因,8個F-box蛋白基因,1個谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶C端盒基因,1個絲氨酸類蛋白酶基因,2個核糖體蛋白基因,4個CCR(肉桂酰輔酶A)還原酶基因,2個谷胱甘肽還原酶基因,2個核糖體綁定蛋白基因,1個eIF-2B轉(zhuǎn)錄啟動基因,1個擬南芥花發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子LEUNIG同源基因,1個硫氧還蛋白基因,1個卵磷脂膽固醇酰基轉(zhuǎn)移酶基因,1個酮脂酰輔酶A合酶基因,1個防衛(wèi)素基因,1個富含半胱氨酸前體蛋白基因,1個ECERIFERUM1基因,1個胞苷酸轉(zhuǎn)移酶基因,1個白喉酰胺合成酶基因,以及4個表達(dá)蛋白和5個未知功能基因等。

表2AHL連鎖的SSR引物序列

Table2SequencesofSSRmarkersinterlockedwithAHL

標(biāo)記Marker

正向引物

Forwardsequence(5'–3′)

反向引物

Reversesequence(5′–3′)

圖2AHL基因在第2染色體上的連鎖圖譜

Fig.2LinkagemapofAHLonchromosome2ofrice

RM5460ACAACCACAGCTGCTTGAATTGCAGAGGAACCCACTGCCCTTGCRM213ACAAGCAGATACTGACTGATGCCTTCTTTGCATCCAGACTTCCRM14153GGGAGTGACGGATTTCTTTGTTTACGCCCATGTGGAACATCTGTGTATGGRM14167CGTGCTTCACGTGTACTGATCGRM14175GCCTCACCTCATCATCACAACG

CTGCCCTTGCTGCTTAATGTCCTGGTCCTTCCTACTGTTGGTTCG

RM14176AGCTCTCCATCAGATCATCAAAGGACTCCACCACTGAGGAGTTCTCGRM208AGTACCACCACCATTCTCTGCAAGCTCGATTGGCCATGAGTTCTCGRM207ATCCTAGTGGATAAGGCACAGACTGGCCCTTGCTCTTCCACCTCATCC

3探討

AHL影響了水稻花器官第1輪內(nèi)外稃的發(fā)育,使內(nèi)外稃變窄、變小、彎曲,說明AHL基因負(fù)責(zé)調(diào)控內(nèi)外稃的發(fā)育。在水稻中,最先鑒定的影響內(nèi)外稃發(fā)育的基因是LHS1/OsMADS1,其功能缺失導(dǎo)致內(nèi)外稃呈葉狀伸長[17-18],與擬南芥E功能基因SEP4的功能相像。另外還有幾個基因只調(diào)控內(nèi)稃的發(fā)育,而不影響外稃的發(fā)育。RETARDEDPALEA1(REP1)屬于TCP基因家族。在rep1突變體中,內(nèi)稃的發(fā)育顯著延緩,且內(nèi)稃維管束由3個變?yōu)?個,與野生型外稃的維管束分布十分類似

[19]

近報(bào)道的一個突變體stamenless1(sl1)[22]相像,sl1外稃和內(nèi)稃也表現(xiàn)變窄,且外稃彎曲呈月牙形,但是sl1突變體的內(nèi)外稃表現(xiàn)開裂,這與ahl完全不同。

除了內(nèi)、外稃外,ahl的漿片也表現(xiàn)出穩(wěn)定的突變表型,即漿片頂端延長,示意AHL基因?qū){片的發(fā)育有一定的調(diào)控功能。水稻漿片的發(fā)育主要受到B功能基因的調(diào)控,包括OsMADS2、OsMADS4[23]和OsMADS16/SPW1[24]。在spw1突變體和表達(dá)反義OsMADS4cDNA序列的植株中,漿片伸長并轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃苾?nèi)稃的器官。在OsMADS2的RNA干擾植株中,漿片的基部與野生型沒有明顯的變化,但其頂部伸長,并浮現(xiàn)類似于內(nèi)稃的形態(tài),進(jìn)一步掃描電鏡觀測說明,轉(zhuǎn)基因植物的漿片底部區(qū)域細(xì)胞具有兩種不同的形態(tài),一種是伸長的纖維狀,一種是典型的漿片細(xì)胞,而頂部細(xì)胞則浮現(xiàn)與護(hù)穎或內(nèi)稃邊界細(xì)胞完全一致的形態(tài)[25]。另外,最近鑒定的OsMADS6/MFO1基因21也調(diào)控漿片的發(fā)育,mfo1突變體的漿片也表現(xiàn)出伸長并類似內(nèi)稃的形態(tài)。從外觀上看,ahl突變體漿片的表型與OsMADS2的RNA干擾植株最相像,即基部與野生型相比變化不大,主要是頂部延長。

本研究中,AHL被定位在第2染色體上SSR標(biāo)

。在palealess1(pal1)

[20]

突變體的小花中,內(nèi)稃被2個葉狀穎片所替代,但是目前還未見該基因克隆的報(bào)道內(nèi)稃獲得了外稃的部分特征

[21]

。AGL6-like基因

OsMADS6/MFO1也調(diào)控內(nèi)稃的發(fā)育,mfo1突變體的

。與LHS1、REP1、

PAL1和MFO1基因作用于穎殼發(fā)育早期的特征發(fā)育不一樣,AHL可能主要表現(xiàn)在穎殼發(fā)育后期的形態(tài)建成階段。從突變表型看,AHL基因的功能缺失可能導(dǎo)致內(nèi)外稃后期的細(xì)胞分化和生長受到影響,從而穎殼變窄、變小及彎曲。這種作用模式可能和最

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第4期

王增等:水稻穎殼和漿片異常突變體ahl的基因定位633

記RM14153和RM14167之間,物理距離226kb。在預(yù)計(jì)的46個基因中,發(fā)現(xiàn)存在一個擬南芥花發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子LEUNIG的同源基因Os02g56880,LEUNIG轉(zhuǎn)錄抑制花器官確定性基因AG的表達(dá),在擬南芥中調(diào)控花瓣的細(xì)胞增殖、維管束發(fā)育和極性發(fā)育。與野生型相比,ag的花瓣發(fā)育正常;而在seu和ag雙突變體中,其花瓣變細(xì)、變小,維管束減少,細(xì)胞數(shù)目減少[26]。

在ahl突變中,花瓣的對應(yīng)器官漿片也發(fā)生了嚴(yán)重的突變,初步推測Os02g56880可能是AHL候選基因,目前正在進(jìn)一步鑒定。鑒于AHL基因作用的器官與經(jīng)典的A功能基因相像,以及水稻中A功能基因缺失的事實(shí),AHL進(jìn)一步的克隆和功能分析具有重要意義。

4結(jié)論

ahl內(nèi)外稃變小并發(fā)生嚴(yán)重扭曲,漿片頂端伸長。灌漿后米粒變小、畸形,千粒重下降。該性狀受1對隱性基因控制。該基因被定位在第2染色體SSR標(biāo)記RM14153與RM14167之間,物理距離226kb。本研究結(jié)果為AHL基因的進(jìn)一步克隆和功能分析等工作奠定了基礎(chǔ),也將為水稻內(nèi)外稃和漿片的發(fā)育研究做出一定的貢獻(xiàn)。

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