水稻早衰突变体LS-es1的基因定位及候选基因分析

衰老是植物发育末期自主发生且不可逆的适应性反应, 叶片早衰相关分子机制研究对水稻(Oryza sativa)遗传改良以及抗衰老品种培育有重要意义。LS-es1是通过EMS诱变粳稻品种TP309获得的稳定遗传的早衰突变体。对LS-es1及其野生型的表型观察和生理生化分析表明, LS-es1叶片中积累了大量活性氧且细胞死亡更多, 同时LS-es1与产量相关的农艺性状均显著下降, 这也验证了LS-es1早衰的特征。对LS-es1及其野生型幼苗进行外源激素处理, 结果表明LS-es1对水杨酸(SA)、脱落酸(ABA)和茉莉酸甲酯(MeJA)更敏感。用图位克隆方法将LS-es1基因定位在水稻第7号染色体长臂46.2 kb区间内, 该区间共包括8个开放阅读框(ORF)。对该区间内的基因进行生物信息学分析, 结果发现Os07g0275300和Os07g0276000两个候选功能基因与早衰途径相关, 并且这2个基因的表达量在野生型和突变体中差异较大。研究结果为进一步克隆LS-es1基因并深入研究其生物学功能奠定了基础。     

水稻早衰突变体LS-es1的基因定位及候选基因分析

衰老是植物发育末期自主发生且不可逆的适应性反应, 叶片早衰相关分子机制研究对水稻(Oryza sativa)遗传改良以及抗衰老品种培育有重要意义。LS-es1是通过EMS诱变粳稻品种TP309获得的稳定遗传的早衰突变体。对LS-es1及其野生型的表型观察和生理生化分析表明, LS-es1叶片中积累了大量活性氧且细胞死亡更多, 同时LS-es1与产量相关的农艺性状均显著下降, 这也验证了LS-es1早衰的特征。对LS-es1及其野生型幼苗进行外源激素处理, 结果表明LS-es1对水杨酸(SA)、脱落酸(ABA)和茉莉酸甲酯(MeJA)更敏感。用图位克隆方法将LS-es1基因定位在水稻第7号染色体长臂46.2 kb区间内, 该区间共包括8个开放阅读框(ORF)。对该区间内的基因进行生物信息学分析, 结果发现Os07g0275300和Os07g0276000两个候选功能基因与早衰途径相关, 并且这2个基因的表达量在野生型和突变体中差异较大。研究结果为进一步克隆LS-es1基因并深入研究其生物学功能奠定了基础。     

一个水稻长芒基因AWN-2的定位与克隆

本研究在以广西普通野生稻DP30为供体,籼稻品种9311为受体构建的染色体片段代换系中,筛选鉴定出1份稳定遗传的具有长芒表型的染色体片段代换系。利用该代换系与轮回亲本9311构建了BC5F2分离群体,对控制长芒表型的基因进行了遗传分析,发现该群体中长芒与短芒的单株分离比符合3:1的比例,表明该长芒性状受一对显性核基因控制。采用图位克隆法,将目的基因精细定位于水稻第4染色体分子标记M7和M8之间的12.14 kb范围内,该区域只有一个候选基因即LOC_Os04g43840,测序分析发现与栽培稻日本晴、9311相比,CSSL5的LOC_Os04g43840基因在5'UTR区有29个碱基的缺失和2个碱基的置换,因此,推测LOC_Os04g43840可能为该长芒候选基因。     

玉米叶形相关性状的Meta-QTL及候选基因分析

叶长、叶宽、叶面积及叶夹角不仅影响玉米(Zea mays)光合效率, 也是株型的重要构成因素。通过对620个叶形QTL进行整合, 构建不同遗传背景下的叶形QTL整合图谱, 利用元分析发掘出22个叶长、22个叶宽、12个叶面积以及17个叶夹角mQTL; 进一步运用生物信息学手段, 确定44个与叶片发育密切相关的候选基因。分析发现, 仅有NAL7-like、YABBY6- like和GRF2等13个基因位于mQTL区间内, 而玉米中已克隆的KNOTTED1、AN3/GIF1、rgd1/lbl1、mwp1及SRL2-like、HYL1-like和CYCB2;4-like等水稻(Oryza sativa)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶形同源基因位于未被整合的QTL内; 对44个候选基因在叶片长、宽、厚发育过程中基部-末端、中央-边缘、远轴-近轴的调控机理进行归纳分析, 发现玉米中仅有少数几个候选基因被报道, 揭示了叶形发育的部分分子机理。因此, 对玉米叶形相关mQTL/QTL及基因进行全面深入的分析, 不仅有助于增加对其遗传结构的了解, 发掘更多候选基因, 阐明叶形发育和形成的分子机制, 还可为耐密理想株型的分子标记辅助选择提供依据。     

禾本科作物芒遗传研究进展

芒是许多禾本科作物穗部的重要结构, 不仅可以作为区分不同品种以及基因定位的重要形态标记, 而且在禾谷类作物的种子传播、籽粒灌浆、蒸腾作用及产量形成等方面起重要作用。该文综述了小麦(Triticum aestivum)、大麦(Hordeum vulgare)和水稻(Oryza sativa)芒的结构、功能与遗传调控机制研究进展, 以期为芒性状遗传机理的进一步研究及其在育种中的应用提供参考。     

是金子无论在何处都发光: 玉米和水稻驯化中的趋同选择

野生植物的驯化为人类定居与文明起源奠定了重要基础。在世界范围内不同地区生活的古人类分别对当地不同的野生植物进行了驯化, 而经过驯化的作物常常表现出相似的驯化综合性状。在基因组层面上对趋同选择规律的解析, 可为作物育种提供重要信息与遗传资源。近日, 中国农业大学杨小红/李建生和华中农业大学严建兵领衔的团队从单基因和全基因组2个层次系统解析了玉米(Zea mays)和水稻(Oryza sativa)趋同选择的遗传基础, 发现玉米KRN2与水稻OsKRN2受到了趋同选择, 并通过相似的途径调控玉米与水稻的粒数与产量。他们还发现玉米与水稻在全基因组范围内存在大量趋同选择同源基因对(gene pair), 这些基因在淀粉代谢、糖及辅酶合成等途径特异富集。该研究不仅克隆了在玉米与水稻中均具有重要育种价值的趋同选择同源基因对KRN2/OsKRN2, 而且在全基因组水平上揭示了玉米与水稻趋同选择的规律, 为进一步解析驯化综合性状形成的分子机理及其在育种中的应用奠定了重要理论基础。     

亚洲栽培稻主要驯化性状研究进展

水稻是研究谷类作物驯化的良好材料, 其中种子落粒性消失、休眠性减弱和株型上的变化是水稻驯化过程中的3个关键事件, 造就了高产、发芽整齐及可密植的现代水稻。落粒性丧失一直被认为是野生稻驯化形态学上的最直接证据, 而控制落粒的主要基因Sh4和qSH1分别暗示不同的水稻驯化历史。种子休眠性的减弱适应了现代农业生产上同步发芽的需求, Sdr4、qSD7-1和qSD12基因是目前已知的调控种子休眠性的3个关键位点。野生稻匍匐生长等特点与其长期所在的易变生境有关, 而栽培稻的直立生长形态则适应了农业上密植生产的需要, 受PROG1等基因控制。野生稻的异交特性促进了驯化基因在群体间传播, 而自花授粉则使驯化基因得以稳定遗传, 从而加快人工选择的累积。目前的水稻驯化研究侧重于单基因或一些中性标记, 而对控制驯化性状的网络化通路的进化研究却相对缺乏。随着功能基因组研究的深入, 驯化性状的分子机理将会被全面揭示, 而基于此的网络化通路研究必将更加真实地反应水稻驯化过程。文章综述了水稻关键驯化性状分子机理的研究进展, 为驯化基因网络的研究提供参考, 也为水稻分子设计改良提供新的思路。     

水稻粒长基因GL3的遗传分析和分子标记定位

为了解析水稻粒长的遗传机制,以大粒水稻品种‘80018-TR161-2-1’和小粒水稻品种‘日本小黑稻’及其F2代200个株系和F2：3家系为材料,分析水稻粒长的遗传学性状。结果表明,谷粒长度的分离比在F2及F2：3家系中都表现为3：1,长粒性状受1对隐性核基因控制,命名为GL3。用简单重复序列（simple sequence repeat,ssR）分子标记结合群体分组混合分析的方法,将此种基因定位在水稻第3号染色体上SSR标记PSM379和RM16之间,它们的遗传距离分别为4．0cM和11．2cM。     

云南疣粒野生稻稻瘟病抗性

野生稻(Oryza rufipogo)保存有许多栽培稻(O. sativa)不具备或已经消失的优异基因资源, 是扩大栽培稻遗传背景、改良产量与品质、提高抗病虫害及抗逆境能力的重要基因库。疣粒野生稻(O. meyeriana)是中国3种野生稻资源之一, 主要分布在云南。为进一步了解其稻瘟病抗性, 首先利用来自不同稻作区的稻瘟病菌株, 通过注射接种法对疣粒野生稻进行系统的稻瘟病抗性鉴定, 发现疣粒野生稻对接种的所有稻瘟病菌株都感病。进一步采用3'/5' RACE方法, 从疣粒野生稻中克隆了水稻同源基因Pid2和Pid3, 并构建过表达转基因株系对基因功能进行了研究。结果表明, Pid2和Pid3与疣粒野生稻中同源基因间在DNA和氨基酸水平上有较大的序列差异, 过表达转基因的日本晴植株对稻瘟病菌的敏感性与对照相似。推测疣粒野生稻在自然接种条件下, 表现出的抗稻瘟病表型很可能是其旱生叶片结构特征形成了对稻瘟病菌侵染的天然屏障。对控制疣粒野生稻这一类性状基因资源的挖掘和利用, 有利于优良抗性水稻品种的培育。研究结果为疣粒野生稻的研究利用提供了新信息和新思路。     

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。     

The causal deletions in the second exon of <Emphasis Type="Italic">An-3</Emphasis> closely associated with awn development and rice yield

Awn is one of important traits during rice domestication. To understand the development of rice awn and the roles it played in rice domestication, we preliminary mapped a major QTL An-3 for awn development using chromosome segment substitution line CSSL138 developed by introgressed genomic fragments of long-awned Guangxi common wild rice (GXCWR, Oryza rufipogon Griff.) into genetic background of short-awned indica cultivar 93–11. An-3 was then fine mapped to a 7-kb region of chromosome 8. An epidermal patterning factor-like protein gene was identified as the single candidate gene corresponding to this QTL. An-3 was showed to be an allele of RAE2 and GAD1, and negatively regulated 1000-grains weight, grain length, and length–width ratio. Comparing with the coding sequences of An-3 from CSSL138, a 2- and 4-bp frame-shift deletions in the second exon were identified in 93–11 and Nipponbare, respectively. Taken together, our results provide valuable natural variation in the alleles of An-3 between common wild rice and cultivated rice, which will be helpful in clarifying the mechanism of awn development and promoting the application of an-3 in genetic improvement of rice yield traits.     

水稻抽穗期QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryza sativa)抽穗期是决定产量和品质的重要性状,在育种、制种及引种驯化过程中发挥重要作用。将热研2号(O. sativa subsp. japonica cv.‘Nekken2’)和华占(O. sativa subsp. indica cv.‘HZ’)杂交获得F₁代,经连续多代自交得到120个重组自交系(RILs)群体。在常规水肥管理条件下,对120个RILs株系的抽穗时间进行统计分析。利用已构建好的高密度遗传图谱,对水稻抽穗期相关性状进行QTL定位分析,结果共检测到11个QTLs,分别位于第1、3、4、5、6、8和12号染色体上,其中1个LOD值高达5.75。通过分析QTLs区间内的候选基因,筛选出可能影响两亲本抽穗期的相关基因,并利用实时定量PCR进行基因表达量分析,发现LOC＿Os03g03070、LOC＿Os03g50310、LOC＿Os03g55389、LOC＿Os04g55510、LOC＿Os08g07740和LOC＿Os08g01670共6个基因在双亲间的表达量差异显著,其中LOC＿Os03g50310在Nekken2中的表达量比H...     

利用染色体片段置换系定位水稻落粒性主效QTL

水稻落粒性是与其生产密切相关的重要性状之一。以7个染色体片段置换系为材料, 采用重叠群代换作图法对控制落粒性的2个主效QTL进行定位。结果表明, 104个SSR标记在亲本间具有多态性, 多态率为68.0%; 4个置换系的落粒性与亲本日本晴的落粒性相似, 表现难落粒。3个置换系与亲本93-11的落粒性相似, 表现易落粒; 7个染色体片段置换系在第1和第6染色体上检出7个置换片段, 其长度分别为23.6、16.5、 6.6、 9.9、 10.4、 20.2和7.1 cM; qSH-1-1被定位在第1染色体RM472－RM1387之间, 遗传距离约为6.6 cM。qSH-6-1为新发现的落粒性主效QTL, 被定位在第6染色体RM6782－RM3430之间,遗传距离约为4.2 cM。利用染色体片段置换系能准确地定位水稻落粒性QTL, qSH-1-1与qSH-6-1的鉴定和初步定位为其进一步的精细定位、图位克隆及分子标记辅助选择奠定了基础。     

水稻叶片水势的QTL定位与候选基因分析

为探究叶片水势(LWP)相关基因在水稻(Oryza sativa)抗旱中的作用及其遗传机制,以热研2号(Nekken2)和华占(HZ)为亲本以及构建的120个重组自交系(RILs)群体为实验材料,对水稻分蘖期叶片水势进行检测,并利用前期基于高通量测序构建的分子遗传连锁图谱进行数量性状基因座(QTL)分析。结果表明,共检...     

Development of Chromosome Segment Substitution Lines Derived from Backcross between Two Sequenced Rice Cultivars, <Emphasis Type="Italic">Indica</Emphasis> Recipient 93-11 and <Emphasis Type="Italic">Japonica</Emphasis> Donor Nipponbare

Chromosome segment substitution lines (CSSLs) are powerful tools for detecting and precisely mapping quantitative trait loci (QTLs) and evaluating gene action as a single factor. In this study, 103 CSSLs were produced using two sequenced rice cultivars: 93-11, an elite restorer indica cultivar as recipient, and Nipponbare, a japonica cultivar, as donor. Each CSSL carried a single chromosome substituted segment. The total length of the substituted segments in the CSSLs was 2,590.6 cM, which was 1.7 times of the rice genome. To evaluate the potential application of these CSSLs for QTL detection, phenotypic variations of seed shattering, grain length and grain width in 10 CSSLs were observed. Two QTLs for seed shattering and three for grain length and grain width were identified and mapped on rice chromosomes. The results demonstrate that CSSLs are excellent genetic materials for dissecting complex traits into a set of monogenic loci. These CSSLs are of great potential value for QTL mapping and plant marker-assisted breeding (MAB).     

Development and high-throughput genotyping of substitution lines carring the chromosome segments of indica 9311 in the background of japonica Nipponbare

Chromosome segment substitution lines (CSSLs) are useful for the precise mapping of quartitative trait loci (QTLs) and dissection of the genetic basis of complex traits.In this study,two whole-genome sequenced rice cultivars,the japonica Nipponbare and indica 9311 were used as recipient and dtonor,respectively.A population with 57 CSSLs was developed after crossing and back-crossing assisted by mo lecular rnarkers,and genotypes were identified using a high-throughput resequencing strategy,Detailed graphical genotypes of 38 lines were constructed based on resequencing data.These CSSLs had a total of 95 substituted segments derived from indica 9311,with an average of about 2.5 segments pet CSSL and eight segments per chromosome,and covered about 87.4％ of the rice whole genome.A multiple linear regression QTL analysis mapped four QTLs for 1000-grain weight.The largest-effect QTL was located in a region on chromosome 5 that contained a cloned major QTL GW5/qSW5 for grain size in rice.These CSSLs with a background of Nipponbare may provide powerful tools for future whole-genome discovery and functional study of essential genes/QTLs in rice,and offer ideal materials and foundations for japonica breeding.     

水稻籽粒镉积累QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryza sativa)是全世界重要的经济作物之一, 稻田镉(Cd)污染和镉积累问题严重威胁世界水稻的产量和品质以及人类健康, 如何降低水稻中镉积累已成为热点问题。以籼稻品种华占(HZ)为父本、粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本, 连续自交多代后得到120个重组自交系群体, 对其镉积累进行检测和分析, 同时利用遗传图谱进行QTL作图。结果共检测到7个QTLs, 分别位于水稻第2、3、9和12号染色体上, 其中1个LOD值高达4.97。对这些QTL区间内与耐金属离子胁迫相关的候选基因进行定量分析, 发现LOC_Os02g50240、LOC_Os02g52780、LOC_Os09g31200、LOC_Os09g35030和LOC_Os09g37949这5个基因在双亲间的表达量差异显著, 结合亲本对不同金属离子的浓度积累数据, 推测LOC_ Os02g50240、LOC_Os09g31200及LOC_Os09g35030的高表达可能极大地提高了水稻对镉离子的吸收和胁迫耐受能力。通过QTL挖掘和分析, 发现这些基因与水稻籽粒的镉积累有关, 可能影响水稻耐镉胁迫的能力。研究结果为进一步筛选和培育耐镉胁迫的水稻品种创造了条件, 为阐明水稻镉积累的分子调控机制奠定了基础。     

Induction of γ-aminobutyric acid plays a positive role to Arabidopsis resistance against Pseudomonas syringae

Gamma‐aminobutyric acid (GABA) is an important metabolite which functions in plant growth, development, and stress responses. However, its role in plant defense and how it is regulated are largely unknown. Here, we report a detailed analysis of GABA induction during the resistance response to Pseudomonas syringae in Arabidopsis thaliana. While searching for the mechanism underlying the pathogen‐responsive mitogen‐activated protein kinase (MPK)3/MPK6 signaling cascade in plant immunity, we found that activation of MPK3/MPK6 greatly induced GABA biosynthesis, which is dependent on the glutamate decarboxylase genes GAD1 and GAD4. Inoculation with Pseudomonas syringae pv tomato DC3000 (Pst) and Pst‐avrRpt2 expressing the avrRpt2 effector gene induced GAD1 and GAD4 gene expression and increased the levels of GABA. Genetic evidence revealed that GAD1, GAD2, and GAD4 play important roles in both GABA biosynthesis and plant resistance in response to Pst‐avrRpt2 infection. The gad1/2/4 triple and gad1/2/4/5 quadruple mutants, in which the GABA levels were extremely low, were more susceptible to both Pst and Pst‐avrRpt2. Functional loss of MPK3/MPK6, or their upstream MKK4/MKK5, or their downstream substrate WRKY33 suppressed the induction of GAD1 and GAD4 expression after Pst‐avrRpt2 treatment. Our findings shed light on both the regulation and role of GABA in the plant immunity to a bacterial pathogen.