水稻穗长基因PAL3的克隆及自然变异分析

穗型是决定水稻(Oryza sativa)产量的关键因素之一。我们从粳稻品种圣稻808 (SD808)的EMS诱变突变体库中发现4份短穗突变体, 这些突变体的穗长、一级枝梗数、二级枝梗数和穗粒数发生不同程度的降低。基因定位和图位克隆表明, 这些突变体的表型受同一基因控制, 将该基因命名为PAL3 (PANICLE LENGTH3)。PAL3编码一个含12个跨膜结构域的多肽转运蛋白。pal3-1和pal3-2的点突变造成保守区域的氨基酸发生非同义突变; pal3-3的点突变造成第1外显子和内含子拼接错误; pal3-4的点突变造成蛋白翻译提前终止, 导致第12个跨膜域缺失。对PAL3进行单倍型分析, 共鉴定出9个单倍型(Hap1-Hap9), 其中Hap1-Hap3为主要单倍型。Hap1以粳稻为主, Hap2同时包含籼稻和粳稻, Hap3则以籼稻为主。Hap1起源于普通野生稻(O. rufipogon), Hap2和Hap3可能起源于一年生普通野生稻(O. nivara)。统计分析结果表明, Hap3的穗长显著高于Hap1和Hap2, 其具有提高穗长的潜力。该研究揭示了多肽转运蛋白对水稻穗型的重要调控作用, 为水稻穗型改良奠定了理论基础。     

一个水稻半矮化和花发育异常突变体的遗传分析和分子定位

从粳稻品种‘日本晴’经~(60)Co诱变的M_2代材料中发现一个半矮化并且花发育异常突变体sd-df3,其表现为植株半矮化,分蘖增加,半包茎穗,雄蕊发育不良,无花粉。遗传分析显示,该突变体表型受1对隐性核基因控制。以杂合型突变体为母本,与广亲和品种Dular杂交,构建F_2分离群体,将该基因定位在水稻第3号染色体,In/Del标记333591与333818之间的物理距离约为227kb的范围,目前该范围内没有矮化相关基因报道。     

图位克隆技术新型遗传学实验教学项目的设计与实践

染色体重组与连锁互换是遗传学教学的重点和难点。为使学生更好地理解此方面知识, 我们课题组前期利用图位克隆(map-based cloning)技术, 克隆了1个调控水稻(Oryza sativa)类病变表型的基因SPL5, 并基于此设计了一个新的综合型遗传学实验, 即利用DNA分子标记对基因进行定位。实验中学生利用水稻spl5突变体与野生型杂交获得的F₂代定位群体和多态性分子标记, 对spl5突变进行染色体连锁分析、初步定位和遗传作图。该教学实验不仅可有效促进学生对遗传学三大定律的理解, 而且对其开阔视野、提高解决问题和团队协作的能力也有促进作用。     

水稻花器官突变体apl (abnormal palea and lodicules) 的表型分析与基因初定位

水稻(Oryza sativa)是重要的粮食作物, 其花器官的正常起始及形态建成直接影响水稻的产量。为了深入分析水稻小花发育的调控机理, 从已构建的水稻EMS诱变突变体库中筛选获得了一个花器官异常发育的突变体apl (abnormal palea and lodicules)。与野生型相比, apl突变体小花的内稃膨大, 浆片伸长或转换成稃状结构, 雄蕊数目减少, 表明APL基因可能参与调控水稻内稃、浆片和雄蕊等多轮花器官属性的建成。遗传学分析表明, 该突变体性状受1个隐性单基因控制。通过图位克隆, 将APL基因初步定位于1号染色体上。该工作为深入研究APL基因在水稻花器官形态建成中的作用机制奠定了基础。     

图位克隆技术新型遗传学实验教学项目的设计与实践

染色体重组与连锁互换是遗传学教学的重点和难点。为使学生更好地理解此方面知识, 我们课题组前期利用图位克隆(map-based cloning)技术, 克隆了1个调控水稻(Oryza sativa)类病变表型的基因SPL5, 并基于此设计了一个新的综合型遗传学实验, 即利用DNA分子标记对基因进行定位。实验中学生利用水稻spl5突变体与野生型杂交获得的F₂代定位群体和多态性分子标记, 对spl5突变进行染色体连锁分析、初步定位和遗传作图。该教学实验不仅可有效促进学生对遗传学三大定律的理解, 而且对其开阔视野、提高解决问题和团队协作的能力也有促进作用。     

水稻矮秆突变体dtl1的分离鉴定及其突变基因的精细定位

文章通过对所构建的水稻突变体库进行大规模筛选,获得一个稳定遗传的矮秆突变体,与野生型日本晴相比,该突变体表现为植株矮化、叶片卷曲、分蘖减少和不育等性状,命名为dtl1(dwarf and twist leaf 1)。dtl1属于nl型矮秆,激素检测表明,矮秆性状与赤霉素和油菜素内酯无关。遗传分析显示,突变性状受单一隐性核基因控制。利用dtl1与籼稻品种Taichung Native 1杂交构建F2群体,将该突变基因DTL1定位于水稻第10染色体长臂2个SSR标记RM25923和RM6673之间约70.4 kb区域内,并与InDel标记Z10-29共分离,在该区域预测有13个候选基因,但未见调控水稻株高相关基因的报道,因此,认为DTL1基因是一个新的控制水稻株高的基因。     

一个新的水稻小穗梗弯曲突变体的形态特征及基因定位

稻穗小穗梗的发育与产量有着密切关系。文章利用⁶⁰Co g 射线辐照籼稻品种“浙农7号”, 获得一个性状能稳定遗传的小穗梗弯曲突变体bpb1 (bent pedicel branch 1), 表现为小穗梗弯曲, 并伴有小穗梗长度增长、穗长缩短和植株矮化等特点。扫描电镜观察显示, bpb1突变体小穗梗的表皮毛及气孔变小, 外表皮细胞和厚壁细胞排列不规则, 接近弯曲部位的细胞变小、排列更为紧密。bpb1突变体小穗梗横切面观察表明, 小维管束排列结构发生明显变化。遗传分析表明该突变表型受隐性单基因控制。利用bpb1突变体与粳稻品种“浙农大104”杂交构建的F₂群体进行基因定位, 将bpb1基因定位于水稻第7号染色体长臂SSR标记RM21537和RM21552之间, 该区间的物理距离为343 kb, 该区域内未发现与水稻小穗梗发育相关的已知基因。文章为bpb1基因的克隆和功能研究奠定了重要基础。     

基于CSSLs群体定位和图位克隆水稻长芒基因GAD1-2

水稻是世界上最早驯化的重要粮食作物之一。水稻芒可以保护水稻种子不被鸟琢食,是水稻重要的驯化性状之一。芒在野生稻中普遍存在,对野生稻的生存和传播至关重要,然而在驯化和人工选择过程中该性状逐渐被淘汰。定位和克隆水稻长芒相关基因是研究水稻芒驯化遗传机制的基础。本研究以籼稻恢复系东南恢810为受体、漳浦野生稻为供体构建的146个染色体片段置换系(chromosome segment substitution lines, CSSLs)为研究材料,调查了146个CSSLs株系和双亲的芒长,结果表明在4个置换系中检测到1个控制水稻芒长主效基因GAD1-2,位于水稻第8号染色体;利用重叠代换作图法,将GAD1-2定位在Ind8-10和RM4936标记之间,遗传距离约为4.75 Mb。选择分离群体中的显性单株,利用开发的标记,最终将GAD1-2 基因定位在两个 Indel 标记之间,两者间的物理距离约为27 kb,该区域内只有两个候选基因Os08g0485500和Os08g0485400。经测序和分析表明,Os08g0485500是GAD1-2的候选基因,GAD1-2在保守的ORF区域存在6个碱基缺失,导致丝氨酸和半胱氨酸这两个氨基酸缺失,从而表现长芒的性状;在Os08g0485500基因位点已克隆了1个控制水稻芒长的GAD1基因,推测GAD1-2与GAD1为等位基因。本研究为进一步理解水稻起源演化和水稻芒长发育基因的遗传机制奠定了基础。     

水稻长日照开花因子Lfm1的图位克隆

开花期是水稻最重要的农艺性状之一,水稻的花期决定着水稻的地区适应性和最终产量。人工选择使水稻从短日照向长日照、低纬度向高纬度扩张,因此水稻已逐渐进化出适应长日照条件下的开花调控机制。目前,虽然鉴定了一些影响水稻长日照的开花基因如SDG724、RFT1、EHD4、DTH2,但是挖掘水稻长日照开花基因还十分有限。本研究通过筛选水稻突变体库,获得一批在长日照下花期有显著差异的突变体材料,其中一份突变体lfm1(late-flowering mutant1),在长日照条件下开花延迟,在短日照条件下开花时间正常。通过图位克隆,将Lfm1基因初定位至第8染色体端粒附近。进一步的精细定位将Lfm1基因定位于分子标记8-0.269和与8-0.283之间,范围为12 kb,该区域包括3个候选基因。经测序分析发现,在突变体lfm1中,LOC_Os08g01420基因的第六外显子2800处缺失9个碱基,突变体lfm1等位于已报道的突变体ehd3。在适度(中日照条件下,~12 h/12 h)的光照条件下,突变体lfm1表现为穗粒数增多,生育期略延长,具有应用于生产的潜力。Lfm1基因的克隆为培育适应不同生态区域的水稻材料提供了重要的基因资源。     

一个新的OsBRI1弱等位突变体的鉴定及其调控种子大小的功能研究

水稻(Oryza sativa)籽粒大小是影响其产量的关键农艺性状, 克隆并研究水稻籽粒大小相关基因对于提高水稻产量具有重要意义。为深入探究水稻籽粒大小的调控机制, 通过EMS诱变品种宽叶粳(KYJ), 分离了一系列水稻籽粒大小改变的突变体, 其中smg12表现为籽粒变小, 株高变矮, 一级枝梗数和二级枝梗数减少。遗传分析表明, 该小粒突变体受隐性单基因控制。细胞学分析显示, 该突变体颖壳纵向细胞长度显著变短, 表明SMG12主要影响细胞扩展。利用Mutmap方法对候选基因进行克隆, 筛选出SMG12的候选基因OsBRI1, 该基因编码油菜素内酯受体激酶。OsBRI1外显子上的第2 074个碱基发生了由C到T的置换, 产生非同义突变, 使得该位置编码的脯氨酸变为丝氨酸, 从而影响OsBRI1的功能。综上, 该研究鉴定了OsBRI1基因的1个新等位变异, 揭示了油菜素内酯途径调控水稻籽粒大小的细胞和分子基础。     

水稻高代回交置换系穗颈长度的遗传分析

对以籼稻品种9311为受体、粳稻品种日本晴为供体的3个控制穗颈长度性状的高代回交置换系(C031、C108和C115)进行了农艺性状测定和遗传基础分析。结果表明, 除穗颈长度外, 3个置换系的株高与9311之间也存在显著或极显著差异, 置换系C031的每穗总粒数和千粒重与9311差异显著。通过遗传背景检测, 发现置换系C031和C115均含有2个日本晴置换片段, 置换系C108含有3个日本晴置换片段。遗传分析表明, 3个F₂分离群体中穗颈长度的分离均由单个孟德尔因子控制, 其加性效应分别为3.09、3.05和-2.04。连锁分析表明, C031和C108与携带置换片段上的分子标记均不连锁, C115与第12号染色体的分子标记存在不同程度的连锁, 表明控制C115穗颈长度表型的基因位于第12号染色体上, 将其命名为qPNL- 12。研究结果为精细定位和克隆该基因奠定了基础。     

Engineering broad-spectrum disease-resistant rice by editing multiple susceptibility genes

Rice blast and bacterial blight are important diseases of rice (Oryza sativa) caused by the fungus Magnaporthe oryzae and the bacterium Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), respectively. Breeding rice varieties for broad-spectrum resistance is considered the most effective and sustainable approach to controlling both diseases. Although dominant resistance genes have been extensively used in rice breeding and production, generating disease-resistant varieties by altering susceptibility (S) genes that facilitate pathogen compatibility remains unexplored. Here, using CRISPR/Cas9 technology, we generated loss-of-function mutants of the S genes Pi21 and Bsr-d1 and showed that they had increased resistance to M. oryzae. We also generated a knockout mutant of the S gene Xa5 that showed increased resistance to Xoo. Remarkably, a triple mutant of all three S genes had significantly enhanced resistance to both M. oryzae and Xoo. Moreover, the triple mutant was comparable to the wild type in regard to key agronomic traits, including plant height, effective panicle number per plant, grain number per panicle, seed setting rate, and thousand-grain weight. These results demonstrate that the simultaneous editing of multiple S genes is a powerful strategy for generating new rice varieties with broad-spectrum resistance.     

陕北谷子品种更替过程中产量及农艺性状的演变

选择不同年代(1960s—1970s、1980s—1990s、2000s—2010s)在陕北种植的6个谷子品种为试验材料,于2018—2019年在陕西榆林进行田间试验,研究分析了不同年代品种谷子产量及其农艺性状的演变特征。结果表明: 随年代更替,谷子品种产量呈现明显增加趋势,2000s—2010s选育的品种平均产量分别为0.46(2018)和0.66 kg·m^-2(2019),较2000s前的品种显著增产,增产幅度22%～53%;株高、穗重、叶重和杆重与产量趋势类似;而千粒重和穗长表现相对稳定,随品种更替并未呈现明显变化;旗叶宽度虽然变幅不大,但随品种更替呈明显增大趋势。相关性分析表明,穗重、杆重、叶重和株高与产量之间呈极显著相关。主成分分析显示,2000s—2010s谷子品种具有更大的优势。陕北谷子品种更替过程中主要通过株高和穗重的改良来增加单位面积产量,未来谷子高产育种应注重株高、穗重、杆重和叶重性状改良,尤其应探索适合机械收割的最优株高。     

高浓度CO2对稻穗不同位置籽粒结实和米质性状的影响

不断升高的大气CO₂浓度影响水稻颖花发育、灌浆结实和品质形成,但这种影响是否与籽粒在稻穗上的着生部位有关尚不清楚.利用稻田FACE (Free-Air CO₂ Enrichment)平台,以优质丰产粳稻‘武运粳23’为材料,CO₂处理设背景CO₂浓度(Ambient)和高CO₂浓度(增200 μmol·mol^-1, FACE)两个水平,研究开放大田条件下高浓度CO₂对水稻颖花密度、籽粒结实能力、稻米外观和食味品质的影响及其与稻穗不同着生位置的关系.结果表明:FACE处理使武运粳23籽粒产量平均增加18.3%,从产量构成因素看,穗数和饱粒重分别增加21.4%、9.4%,每穗颖花数、饱粒率平均减少9.0%、2.2%.FACE水稻饱粒率下降主要与稻穗不同部位空粒率大幅增加有关.FACE水稻每穗颖花数减少主要与稻穗上部、中部二次枝梗现存颖花大幅减少有关,而其他位置颖花数均无显著变化;稻穗不同位置饱粒重和饱粒率对FACE的响应无显著差异.FACE处理使绿粒率下降,但糙米长度和宽度均增加,稻穗不同部位趋势一致.FACE使垩白粒率(增幅59%)、垩白度(增幅55%)均极显著增加,增幅表现为稻穗一次枝梗>二次枝梗、上部>中部>下部.FACE使稻穗不同位置稻米直链淀粉含量略增,使最高粘度、热浆粘度、崩解值、最终粘度和消减值略降,但多未达显著水平.FACE使稻米糊化温度显著下降,弱势粒的降幅大于强势粒.综上,高浓度CO₂环境下武运粳23产量增加主要与穗数增多和籽粒增重有关,而稻穗明显变小;高浓度CO₂使稻米绿粒率减少,垩白增多,而对蒸煮食味品质影响较少;颖花着生位置对高浓度CO₂环境下水稻颖花发育、结实和品质的影响因不同测定指标而异.     

Natural alleles of a uridine 5ʹ-diphospho-glucosyltransferase gene responsible for differential endosperm development between upland rice and paddy rice

Traditional upland rice generally exhibits insufficient grains resulting from abnormal endosperm development compared to paddy rice. However, the underlying molecular mechanism of this trait is poorly understood. Here, we cloned the uridine 5ʹ-diphospho (UDP)-glucosyltransferase gene EDR1 (Endosperm Development in Rice) responsible for differential endosperm development between upland rice and paddy rice by performing quantitative trait loci analysis and map-based cloning. EDR1 was highly expressed in developing seeds during grain filling. Natural variations in EDR1 significantly reduced the UDP-glucosyltransferase activity of EDR1^YZN compared to EDR1^YD1, resulting in abnormal endosperm development in the near-isogenic line, accompanied by insufficient grains and changes in grain quality. By analyzing the distribution of the two alleles EDR1^YD1 and EDR1^YZN among diverse paddy rice and upland rice varieties, we discovered that EDR1 was conserved in upland rice, but segregated in paddy rice. Further analyses of grain chalkiness in the alleles of EDR1^YD1 and EDR1^YZN varieties indicated that rice varieties harboring EDR1^YZN and EDR1^YD1 preferentially showed high chalkiness, and low chalkiness, respectively. Taken together, these results suggest that the UDP-glucosyltransferase gene EDR1 is an important determinant controlling differential endosperm development between upland rice and paddy rice.     

Ribonuclease H-like gene SMALL GRAIN2 regulates grain size in rice through brassinosteroid signaling pathway

Grain size is a key agronomic trait that determines the yield in plants. Regulation of grain size by brassinosteroids (BRs) in rice has been widely reported. However, the relationship between the BR signaling pathway and grain size still requires further study. Here, we isolated a rice mutant, named small grain2 (sg2), which displayed smaller grain and a semi-dwarf phenotype. The decreased grain size was caused by repressed cell expansion in spikelet hulls of the sg2 mutant. Using map-based cloning combined with a MutMap approach, we cloned SG2, which encodes a plant-specific protein with a ribonuclease H-like domain. SG2 is a positive regulator downstream of GLYCOGEN SYNTHASE KINASE2 (GSK2) in response to BR signaling, and its mutation causes insensitivity to exogenous BR treatment. Genetical and biochemical analysis showed that GSK2 interacts with and phosphorylates SG2. We further found that BRs enhance the accumulation of SG2 in the nucleus, and subcellular distribution of SG2 is regulated by GSK2 kinase activity. In addition, Oryza sativa OVATE family protein 19 (OsOFP19), a negative regulator of grain shape, interacts with SG2 and plays an antagonistic role with SG2 in controlling gene expression and grain size. Our results indicated that SG2 is a new component of GSK2-related BR signaling response and regulates grain size by interacting with OsOFP19.