水稻花器官突變體遺傳分析

水稻花器官突變體遺傳分析

在植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，花無(wú)疑是最佳的產(chǎn)物之一。大約有250萬(wàn)種植物需要開(kāi)花，其中占主導(dǎo)地位的植物也被稱為開(kāi)花植物。被子植物的花作為重要繁殖器官一直是研究的重點(diǎn),雖然不同物種的花器官有明顯的不同,但它們的基本結(jié)構(gòu)是相似的,有不同程度的同源性。植物花器官發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制研究比較多,根據(jù)雙子葉植物擬南芥和金魚草的研究基礎(chǔ)歸納出ABC模型。此模型預(yù)測(cè):花器官可劃分為四輪,ABC類基因分別以A、A+B、B+C、C的模式控制四輪花器官萼片、花瓣、雄蕊、心皮的發(fā)育。在擬南芥上,A類基因包括AP1和AP2,B類基因包括AP3和PI,C類基因包括AG,除AP2外都屬于MADS-box基因。隨后的研究將ABC模型發(fā)展成ABCDE模型,成為一個(gè)被人們公認(rèn)的闡釋花器官發(fā)育分子機(jī)制的主要模型。近年來(lái),花器官調(diào)控機(jī)制的研究在單子葉模式植物水稻上也取得了很大的進(jìn)展。水稻花器官由穎殼、漿片、雄蕊、雌蕊組成。漿片、雄蕊、雌蕊被認(rèn)為是水稻的二、三、四輪花器官,但是穎殼是否為第一輪花器官以及內(nèi)外穎是否為同一輪器官的問(wèn)題還沒(méi)有定論。在水稻中,B類基因OsMADS2、OsMADS4和OsMADS16(spw1),C類基因OsMADS3、OsMADS58以及D類基因OsMADS13研究得較為深入,另外有5個(gè)E類基因得到克隆,其中OsMADS1的研究較多,多個(gè)等位突變基因被克隆,其表型具有E類基因的功能。另外一個(gè)重要基因DROOPINGLEAF(DL),屬于MADS-box基因家族,調(diào)控花分生組織的決定性和抑制B功能基因的表達(dá)[11,12,13,14,15,16,17,18]。相對(duì)擬南芥,水稻花發(fā)育模式的研究還不夠完善,更多突變體的出現(xiàn)將為研究提供很好的材料。筆者在育種過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)突變體,除了花器官,其它農(nóng)藝性狀與野生型無(wú)異,進(jìn)一步分析其突變表型和遺傳特性,將為該基因的定位克隆及功能研究奠定基礎(chǔ)。本文對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究。1材料和方法1.1材料的突變水稻漿片葉化突變體lfl由是瀘恢1089中突變而來(lái),已自交5代,表現(xiàn)穩(wěn)定遺傳。1.2遺傳分析群體以突變體為父本,D62A、崗46A、II-32A和金23A分別為母本雜交,獲得F2代,4個(gè)組合作為遺傳分析群體。在抽穗期觀察每個(gè)單株的花器官表型情況,并根據(jù)其在群體中的分離情況分析該群體的遺傳特性。2結(jié)果與分析2.1花器官突變表型野生型的水稻正常穎花包括1個(gè)外穎和1個(gè)內(nèi)穎,1對(duì)漿片,6枚雄蕊,6個(gè)連接雄蕊的花絲和一枚雌蕊,雌蕊著生兩個(gè)柱頭。內(nèi)外穎通過(guò)相互嵌合的鉤合槽把花內(nèi)器官封閉起來(lái),2個(gè)漿片位于穎花基部外穎一側(cè)(圖1A,B)。lfl突變體有多種花器官突變表型:其中部分表現(xiàn)為內(nèi)穎缺失(圖1C,E),在內(nèi)穎一側(cè)有2個(gè)葉狀體被外穎包裹于內(nèi),其基部與漿片連在一起(圖1F,G,Q),雄蕊正常,雌蕊基本正常,極少數(shù)的出現(xiàn)三柱頭。在有內(nèi)穎的突變體穎花中,外穎正常;內(nèi)穎普遍都呈彎曲,極少數(shù)邊緣葉化(圖1D,E,P);內(nèi)外穎軸兩側(cè)各有1個(gè)葉化漿片、有極少數(shù)突變體漿片和內(nèi)穎邊緣連在一起(圖1H,J,L,O);雄蕊發(fā)育有多種異常:增多或退化(圖1J,M,N)、部分為多雄蕊嵌合體(圖1R)、或雄漿嵌合體(圖1S)、少數(shù)突變體的雄蕊缺失;雌蕊發(fā)育基本正常,少量為三柱頭(圖1N)、另外一些突變體在內(nèi)穎一側(cè)又著生一個(gè)新子房(圖1H,I,J,K)。2.2突變性狀調(diào)查用突變體作父本,D62A、崗46A、II-32A和金23A作母本配制雜交組合,各組合F1代所有的單株性狀均表現(xiàn)正常,表明突變性狀是受隱性基因控制。各組合F2代群體單株性狀調(diào)查結(jié)果表明:正常株與突變株的比例符合一對(duì)基因控制的3∶1分離比例,且F2群體的突變植株都表現(xiàn)花器官表型異常。進(jìn)一步表明該突變性狀是受一對(duì)隱性基因控制。3lfl的突變表型及基因表達(dá)lfl突變體外穎正常,內(nèi)穎有正常,異常的情況屬于兩個(gè)極端:缺失或伸長(zhǎng)彎曲;漿片葉片化,極少數(shù)穎殼化;雄蕊正常,部分增多或退化,部分為雄漿嵌合體;雌蕊多數(shù)正常,部分增多或多柱頭。幾個(gè)花發(fā)育相關(guān)的重要基因,OsMADS1、OsMADS2、OsMADS4、OsMADS3、OsMADS58、OsNADS13、DL等都研究得比較深入,除了一些突變體的部分表型外,如osmads2的漿片穎殼化,它們的突變表型與lfl都有不同程度的差別。水稻上其它一些突變體也有部分表型與lfl的表型相似,比如定位于第二染色體的DH1基因,其編碼LOB結(jié)構(gòu)蛋白,起到調(diào)控水稻穎殼形成的作用,dh1的穎殼會(huì)退化為膜狀或絲狀器官,這些異常器官與葉化的漿片外形上相似;定位于第三染色體的pal的表型,與lfl的無(wú)內(nèi)穎突變表型相似,Luo認(rèn)為兩個(gè)葉狀體是由內(nèi)穎的轉(zhuǎn)化而來(lái)的,pal的外穎、漿片、雄蕊、雌蕊的發(fā)育正常;Fon4穎殼不能閉合,部分漿片穎殼化,雄蕊和雌蕊的數(shù)量增多等,但是都沒(méi)有比較相似的。因此綜合表型分析結(jié)果,我們推斷LFL可能是一個(gè)新的花器官發(fā)育相關(guān)基因。有些學(xué)者認(rèn)為水稻的內(nèi)穎和外穎可能與雙子葉萼片同源,內(nèi)穎可能為先出葉,外穎為苞葉。但是內(nèi)外穎是否為同一輪器官還沒(méi)有定論,需要更多內(nèi)外穎差異突變體進(jìn)行研究。lfl突變體的研究可以為這一方面的工作起到作用。根據(jù)lfl穎殼的變化,我們推測(cè)LFL基因的突變?cè)斐闪藘?nèi)穎發(fā)育的不確定性。另外,lfl的漿片葉化,極少數(shù)在向穎殼形狀發(fā)育,在所有l(wèi)fl突變表型中漿片都有變化。同時(shí)lfl的雄蕊變化也沒(méi)有固定規(guī)律,增多、退化、缺失,多器官嵌合體;部分lfl的雌蕊發(fā)育正常,部分雙子房或多柱頭。這些突變表型很難用不同輪次之間器官轉(zhuǎn)化或某一輪器官的增