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 LENGT...     

水稻内颖畸形或缺失基因OsAPP1的图位克隆及表达分析

在育种基地材料中发现一株内颖畸形或缺失(abnormal or absent palea)突变体,将其命名为app1。该突变体在营养生长时期发育正常,但抽穗后突变体表现出内颖畸形(比外稃短导致颖壳不闭合,或者出现两个内稃)或缺失,其花粉育性为55.52%,结实率为6.48%,千粒重为10.811 g,种子发芽率为55.21%。以突变体app1与日本晴杂交构建了F1和F2群体,F1颖壳表型正常,F2群体出现内颖畸形和正常表型分离,内颖正常和突变表型分离比例为3∶1,表明app1内颖突变表型由单隐性核基因控制。以F2为分离群体,将app1精细定位于第3染色体上,位于分子标记ID4231和ID4246之间,遗传距离1.3 cM,对应物理距离为13.2 kb。该区段内完全包含1个开放阅读框,包含两个部分开放阅读框,经过测序分析发现候选基因LOC_Os03g11614启动子区发生点突变和245 bp缺失,qRT-PCR分析证实LOC_Os03g11614为OsAPP1基因。已有报道LOC_Os03g11614编码OsMADS1,是调控水稻花器官发育的重要明星基因,其不同位置的突变可以导致叶状颖壳和不育、以及控制籽粒大小。与3000份水稻种子资源SNP/Indel变异类型对比分析发现,突变体app1启动子的突变完全不同于现已OsMADS1研究报道突变类型,且与数据库中的自然突变类型多数不同。因此,本研究发现的app1突变体,是以往报道中从未出现的OsMADS1启动子发生突变的新型突变,且该类突变导致了其降低表达量,并产生了不同于前人研究的新表型,这为深入研究OsMADS1基因在水稻花器官发育中的功能提供了新的种质资源和思路。     

水稻穗发芽突变体的筛选及候选基因鉴定

水稻穗发芽是一种多发性的自然灾害,给水稻生产造成了严重的经济损失。由于穗发芽机制还不完全清楚,如何培育抗穗发芽的水稻品种,已成为世界性的难题。本研究利用水稻甲基磺酸乙酯诱变突变体库,通过田间筛选,获得9个水稻穗发芽突变体。并对其中2个突变体进行研究,利用基于基因组重测序的SIMM方法和高分辨率溶解曲线分析技术,分别获得其穗发芽候选基因LOC_Os03g08570和LOC_Os07g10490。LOC_Os03g08570编码一个八氢番茄红素脱氢酶,LOC_Os07g10490编码一个ζ-胡萝卜素脱氢酶,它们都参与脱落酸前体类胡萝卜素的合成。本研究的结果进一步证明类胡萝卜素的合成在水稻休眠中的关键作用。同时,本研究获得的这些穗发芽突变体为后续深入研究水稻穗发芽的分子机制及开展分子设计育种提供了宝贵材料。     

水稻矮杆突变体D814基因图位克隆与功能分析

水稻株高对作物产量有着重要的影响,在水稻整个生长发育过程中,株高受到多因素的调控,而植物激素乙烯就是重要的影响因素之一。用10 mg/m3乙烯处理水稻幼苗,对水稻突变体库进行筛选,获得了3个根伸长生长对乙烯敏感性降低的突变体,其中1个突变体D814表现出植株矮化、分蘖数减少、千粒重下降等特征。图位克隆将其定位在1号染色体上1 c M的区间内,该区间有6个已报道的矮杆突变基因,通过对这6个基因测序,发现其中1个基因Os BRI1(LOC_Os01g52050)发生了点突变(编码区第1 837位G突变为T)。并在D814中分别对Os BRI1的2个同源基因(Os BRL1和Os BRL3)进行测序,发现这2个基因均无突变。利用已报道的Os BRI1等位突变体gsor300084进行乙烯处理,发现gsor300084与D814一样,表现出根对乙烯敏感性降低。Os BRI1是植物激素油菜素内酯(brassinosteroid,BR)的信号受体,经检测,BR信号途径响应基因在D814突变体中的表达也有变化,说明D814是Os BRI1的1个等位突变体。功能分析发现,D814参与乙烯信号转导调控途径和植物盐胁迫应答途径。研究结果为探究乙烯调控水稻生长发育及耐逆性的分子机理提供了研究材料,也为进一步探讨油菜素内酯与乙烯协同调控水稻生长发育机制奠定了理论基础。     

粳稻穗部性状遗传分析

从粳稻（Oryzasativassp.japonica）RIL群体中选取每穗颖花数极端少的品系丙堡3201和丙堡3205及每穗颖花数极端多的品系丙堡3145和丙堡3214,配制丙堡3201×丙堡3145和丙堡3214×丙堡3205两个组合的P1、P2、F1、B1、B2和F26个世代,调查每穗颖花数、每穗实粒数、穗长、一次枝梗数和二次枝梗数的表型分布,并运用主基因＋多基因混合遗传模型,对这5个性状进行了遗传分析。结果表明,每穗颖花数性状在2个组合的各分离世代均未出现超亲分离,而其它4个性状均有不同程度的超亲分离。一次枝梗数受1对主基因＋多基因控制;其余4个性状均受2对主基因＋多基因控制。每穗颖花数、每穗实粒数、穗长和二次枝梗数4个性状以主基因遗传为主,一次枝梗数性状以多基因遗传为主。     

粳稻穗部性状遗传分析

从粳稻(Oryza sativa ssp. japonica)RIL群体中选取每穗颖花数极端少的品系丙堡3201和丙堡3205及每穗颖花数极端多的品系丙堡3145和丙堡3214, 配制丙堡3201×丙堡3145和丙堡3214×丙堡3205两个组合的P₁、P₂、F₁、B₁、B₂和F₂ 6个世代, 调查每穗颖花数、每穗实粒数、穗长、一次枝梗数和二次枝梗数的表型分布, 并运用主基因+多基因混合遗传模型,对这5个性状进行了遗传分析。结果表明, 每穗颖花数性状在2个组合的各分离世代均未出现超亲分离, 而其它4个性状均有不同程度的超亲分离。一次枝梗数受1对主基因+多基因控制; 其余4个性状均受2对主基因+多基因控制。每穗颖花数、每穗实粒数、穗长和二次枝梗数4个性状以主基因遗传为主, 一次枝梗数性状以多基因遗传为主。     

水稻雄性不育突变体D63的育性基因遗传分析与精细定位

利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)处理籼稻品种冈46B获得雄性不育突变体D63,并对该突变体进行表型鉴定、遗传分析和基因定位。结果显示D63突变体花药瘦小呈乳白色,花药内完全无花粉粒,属于无花粉型雄性不育。与野生型亲本冈46B相比,D63突变体成熟期株高降低了13.7%,穗伸出度减少了266.7%,自交结实率为0,其他农艺性状无显著差异。遗传分析表明该不育性状受1对隐性核基因控制,该突变基因定位于第2号染色体长臂靠近着丝粒区域In Del标记J2和J4之间,与J2和J4的遗传距离分别为0.2 c M和0.1 c M,该定位区间的物理距离为105.8 kb。候选基因分析结果表明,D63突变体在编码分泌性成束糖蛋白基因LOC_Os02g28970编码区第1580位碱基A突变为C,使编码蛋白的氨基酸序列第527位组氨酸(His)突变为脯氨酸(Pro)。D63突变体与已报道的mtr1突变体表型上不同之处主要是后者花药含有败育花粉粒,二者表型上的差异可能是由于LOC_Os02g28970基因序列突变位点不同,以及它们分别属于籼、粳亚种2个不同遗传背景所致。     

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(Oryzasativa)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。     

利用改进的MutMap方法克隆水稻雄性不育基因

通过对籼稻黄华占EMS(甲磺酸乙酯)诱变, 筛选得到一隐性核不育的水稻雄性不育突变体osms55, 遗传分析表明该突变体为单基因控制的隐性核不育, 采用高通量的Illumina Infinium iSelect SNP(50 K)芯片检测技术鉴定该突变体的遗传背景, 确认该突变体的遗传背景与黄华占一致。文章利用改进的MutMap方法成功克隆该雄性不育基因, 突变位点与突变表型的共分离分析表明LOC_Os02g40450(MER3)是控制osms55突变体雄性不育的基因, 该基因的剪切识别位点发生变异后导致剪切异常, 造成第5外显子缺失15个碱基, 从而产生雄性不育。改进的MutMap方法无需精确组装的野生型基因组序列作对照, 而是通过将定位群体中有突变表型植株的DNA pool和野生型植株DNA的重测序结果分别与日本晴参考基因组进行比对, 然后再比较突变体和野生型的差异SNP来确定候选基因, 该方法大大降低了野生型基因组测序和组装成本, 进一步扩大了MutMap方法的应用范围。     

水稻窄叶突变体zy17的遗传分析和候选基因鉴定

器官大小调控是一个基本的发育生物学过程,受细胞分裂和细胞扩展的影响。然而,植物器官大小调控的遗传和分子机理仍不清楚。为了进一步了解器官大小调控的分子机制,文章分离了一系列水稻叶子宽窄改变的突变体。其中,窄叶突变体zy17叶变窄,同时伴有植株矮化、穗子变小、枝梗数和穗粒数降低的表型。遗传分析表明该窄叶性状受1个隐性基因控制;细胞学分析表明该突变体叶子的细胞数目和维管束数目显著降低,表明ZY17影响了细胞分裂。基因组重测序进一步筛选出ZY17的3个候选基因：Os02g22390基因突变发生在内含子区,编码蛋白为逆转座蛋白;Os02g28280和Os02g29530基因突变都发生在外显子区,其中Os02g28280编码一个功能未知蛋白,该基因突变后,发生碱基置换,产生非同义突变;Os02g29530编码一个含糖基转移酶相关的PFAM结构域的蛋白,该基因突变后,出现两个碱基的缺失,从而导致其蛋白翻译提前终止。对候选基因的深入研究,将揭示水稻叶子大小调控的机制。     

水稻矮秆基因iga-1的序列变异和表达分析

该研究以水稻矮秆突变体cha-2为材料,对控制其表型性状的iga-1基因进行候选基因筛选,利用基因注释数据库对定位区间进行候选基因预测,通过ORF及其上下游调控区域的测序、序列比对及关键元件分析进行序列变异研究,半定量PCR检测目标基因的表达模式,明确其在基因序列、表达模式的变异,探讨其分子遗传调控机理。结果显示:(1)在隐性核基因iga-1精细定位基础上预测得到3个ORF,其中2个编码dnaJ分子伴侣(含有dnaJ结构域的蛋白),分别是LOC_Os05g26902和LOC_Os05g26926;另外1个为已克隆的水稻矮秆基因RGA1(LOC_Os05g26890)。(2)ORF序列分析表明矮秆突变体cha-2与野生型仅在RGA1基因座存在SNP变异,但未造成氨基酸编码的改变。(3)表达模式分析发现,矮秆突变体cha-2的RGA1基因在种子萌发期、二叶期、四叶期和分蘖期等4个发育时期均不表达,且在‘中花11’、‘石狩白茅’的遗传背景下稳定遗传,均显现出失活状态,初步确定RGA1为iga-1的候选基因。(4)对RGA1基因上游和下游调控转录关键区进行测序结果表明,突变体cha-2存在865bp的大片段缺失,包括第1外显子、部分第1内含子和转录起始上游区域。研究推断,突变体cha-2的矮秆基因iga-1正是没有活性的RGA1基因,其转录关键区域的大片段缺失,导致无法正常转录表达。     

水稻散状穗突变体sp的遗传分析及基因初定位

水稻(Oryza sativa)是我国最主要的粮食作物之一, 其穗部形态直接影响着水稻产量和稻米品质。在秋光和七山占构建的重组自交系群体中发现了1个散穗突变体材料sp (spreading panicle), 田间表现为穗部一次枝梗向外延伸, 与穗轴夹角增大, 且向四周散开, 故暂命名为散穗突变体sp。与野生型相比, 突变体sp穗重、每穗粒重、千粒重、粒宽以及粒厚均极显著减少, 推测SP可能是1个参与调控穗部形态建成和颖花发育的基因。遗传分析表明, 该性状受1个显性核基因控制。利用sp与02428构建的F₂群体进行基因定位, 将该基因定位在4号染色体长臂端, 位于E3和RM17578之间的62.9 kb区域内。该结果将为SP基因的图位克隆和揭示其作用机理奠定基础。     

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。     

水稻无蜡质叶片突变体wcl1的图位克隆

从水稻T-DNA插入突变体库中筛选获得1份叶片表皮无蜡质的突变体wcl1(Wax Crystal-Sparse Leaf 1),突变体wcl1有如下主要特征:一是突变体叶片角质层蜡质减少,二是突变体的干旱敏感性高于野生型。通过图位克隆技术,克隆了wcl1基因,其编码酮酯酰辅酶A(LOC_OS09g25850),在突变体中LOC_OS09g25850基因的第10个外显子处鸟嘌呤(G)突变为胸腺嘧啶(T)导致转录提前终止,经分析表明突变体wcl1是一个wsl2基因的等位突变体。     

拟南芥黄化突变体chlm-4的基因定位与分析

叶绿素是光合作用必需的重要色素,其合成需要Mg-原卟啉Ⅸ甲基转移酶等一系列酶的催化。我们通过筛选拟南芥EMS（乙基磺酸甲酯,ethyl-methane sulphonate）突变体库,分离到一个黄化突变体。该突变体叶绿素含量显著减少,叶绿体内垛叠的基粒缺失。遗传学分析表明,该突变体的黄化表型是由单基因控制的隐性性状。利用图位克隆的方法最终将基因定位在第IV条染色体分子标记F13M23和T30C3之间114kb的区间内,其中包含编码Mg-原卟啉Ⅸ甲基转移酶的CHLM基因。通过测序及等位分析表明该突变体是chlm的等位突变体,命名为chlm-4。在chlm-4中,CHLM蛋白的Gly59突变成Glu59,说明Gly59对于Mg-原卟啉Ⅸ甲基转移酶功能的行使是必需的。     

一种水稻分蘖突变体的初步分析（简报）

通过EMS（甲基磺酸乙酯,ethyl methane sulfonate）诱变处理灿稻丰矮占5号的种子,在M2代中分离到一株少分蘖突变体,命名为ret5-5(reduced tiller mutant）。植株表现为不分蘖,自交所得M3、M4和M5代植株表现为0－2个分蘖,而原正常品种FAZ－5同期平均分蘖数为8.2。突变体与FAZ－5的杂交结果显示该突变表型为隐性突变。在F1代自交所得F2和F3代植株出现性状分离,突变可能涉及2个或2个以上的基因。     

CRISPR/Cas9介导的水稻OsRhoGAP2基因的敲除

OsRhoGAP2是通过酵母双杂交从水稻幼穗组织分离的一种Rho GTP酶激活蛋白质编码基因,其功能尚不明确。为鉴定该基因的功能,本研究采用CRISPR/Cas9技术构建了OsRhoGAP2基因单靶标敲除载体,并转化日本晴水稻。对转基因水稻的筛选以及编辑靶点扩增和测序结果表明,在T_0代获得3种杂合突变体,在T_1代获得2种纯合突变体,命名为株系1和株系16。2个纯合敲除株系在OsRhoGAP2编辑靶点分别缺失2个和1个碱基,均导致该基因的移码突变并最终造成无义突变。序列分析显示,突变体中预期生成的OsRhoGAP2截短蛋白质丧失了保守的RhoGAP结构域及CRIB基序。抽穗期水稻的叶片扫描电镜观察结果显示,株系1的叶片表皮毛大量缺失;对抽穗期水稻的剑叶进行光合指标测量,发现突变体与野生型在净光合速率与气孔导度上存在显著差异。其中,株系1和株系16的净光合速率分别上升17.79%和7.70%,气孔导度分别上升113.10%和64.50%,提示OsRhoGAP2基因的功能可能涉及这些生物学过程。     

水稻矮化小穗突变d18新等位基因的发现及生理功能分析

株高和穗型是决定水稻产量密切相关的农艺性状.本研究从粳稻品种台北309经甲基磺酸乙酯诱变的群体中分离出一个能稳定遗传的矮化小穗突变体,主要表现矮化、粒长增加而宽度变小和穗型变小等特点.遗传分析表明,该突变体受单隐性核基因控制.定位于水稻第1号染色体的Indel标记P4和P5之间,物理距离约为20 kb.由于该区间只有一个已经克隆的矮化基因Dwarf18(d18),其功能编码赤霉素3β-羟化酶(GA3ox2).所以,表明突变基因与d18可能等位.测序比对发现,该突变基因的第2个外显子发生了1个碱基(G)的缺失,造成无义突变,实时荧光定量PCR结果显示,OsGA3ox2基因在突变体中表达量显著下降.因此,将该突变基因暂命名为d18-1.组织切片观察结果显示,与野生型相比,突变体的茎部倒三节间纵向细胞长度显著变短,但细胞数目增多.生理功能结果分析表明,突变体对外源激素GA更敏感,但对外源激素BR不如野生型敏感.检测与GA和BR生物合成与信号传导途径相关基因的表达结果发现,与野生型相比,在突变体中参与GA失活基因OsGA2ox3出现了下调表达,GA生物合成相关基因OsGA20ox2和OsGA3ox2也出现了下调表达,GA信号传导途径中的关键基因都没有明显的差异表达变化.另外,参与BR的合成或者信号传导途径的大部分相关基因在突变体中的表达都出现了下调.由此证明,突变体矮化是由于GA激素的不能正常合成所导致,并且对外源活性BR的响应通路受损而造成对BR激素的低敏感反应.另外,对孕穗期的野生型和突变体的幼穗进行转录组测序分析表明,与野生型相比,突变体检测到1497个差异表达基因,这些差异基因涉及苯丙素的生物合成、糖代谢和碳代谢等.因此,推测突变体中的OsGA3ox2基因发生了无义突变影响了GA和BR生物合成与信号传导途径以及穗型发育相关调控途径,这为更深入研究调控水稻矮化以及穗型的遗传网络提供了新的信息.