一個水稻顯性卷葉突變體的遺傳分析與基因定位.pdf

1、水稻是世界上最重要的糧食作物之一，提高水稻產(chǎn)量對于解決人類溫飽問題具有重要的意義。葉片是水稻主要的光合作用器官，是水稻株型育種的重要組成部分。研究表明，葉片適度卷曲有利于植株葉片保持直立不披垂，增加中、下層葉片透光率，從而改善群體光照條件，可為產(chǎn)量的提高奠定良好株型基礎(chǔ)。本研究以甲基磺酸乙酯（Ethylmethylsulfone，EMS）誘變粳稻日本晴獲得的一個遺傳穩(wěn)定的顯性卷葉突變體70-36為材料，從遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)及生理生化等方面分

2、析該突變體的特性，并對其突變座位進行分子標(biāo)記定位分析，然后進行候選基因的遴選及卷葉機理的探討，取得的主要結(jié)果如下：
　　從六葉期開始，突變體70-36植株的葉片表現(xiàn)與野生型日本晴顯著不同，其葉片呈現(xiàn)內(nèi)卷、且該卷葉特性在后續(xù)生育期中一直維持。與野生型相比，突變體植株倒1葉及倒2葉的卷曲度均增加約49％，葉長分別增加約23%和38%，葉寬分別增加約13%和14%，另外株高和百粒重也分別增加約19%和8%，但結(jié)實率和有效分蘗數(shù)卻分別降低

3、29%和13%。
　　對孕穗期劍葉進行徒手切片和半薄切片觀察，研究表明，突變體葉片的維管束發(fā)育從六葉期開始表現(xiàn)異常：與野生型相比，突變體葉片不僅中脈和側(cè)脈部分維管束遠軸面的厚壁組織發(fā)育存在缺陷，而且中脈上的小維管束數(shù)目也增多。利用透射電鏡進一步觀察，發(fā)現(xiàn)突變體葉片維管束的遠軸面厚壁組織中細(xì)胞壁厚度比野生型明顯減少。
　　利用傅立葉變換紅外光譜法（fourier transform infrared spectroscopy，

4、FT-IR）對孕穗期劍葉中脈的細(xì)胞壁成份進行分析，結(jié)果表明突變體葉片中脈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均比野生型明顯降低。利用分光光度法測定孕穗期劍葉的葉綠素和類胡蘿卜素含量，結(jié)果表明突變體葉片中葉綠素a含量比野生型增加約12.5%，而其它色素含量無變化。
　　以卷葉突變體70-36為母本，與葉片正常的廣親和品種粳秈89雜交，得到的F1代植株葉片呈現(xiàn)與70-36相似的卷葉特性，在F2代群體中，卷葉植株與平展葉植株的比例為3.20:

5、1（χ2=0.47<χ20.05=3.84），完全符合一對等位基因的孟德爾分離比例，此結(jié)果表明70-36突變體的卷葉特性受單一顯性基因控制。
　　利用F2分離群體中的164個隱性單株（平展葉）進行分子標(biāo)記定位分析，將卷葉座位定位于水稻第3染色體上Ind3和Ind6兩個標(biāo)記之間約1.7 Mb的區(qū)域。通過測序分析，在定位區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)70-36中有4個基因，即 Os03g0386000、Os03g0389100、Os03g0389900和

6、Os03g0395100的序列存在堿基變異。對這4個基因的表達量進行熒光定量PCR（qRT-PCR）分析，發(fā)現(xiàn)五葉期Os03g0395100基因的表達量比野生型顯著增加，而其余基因表達量無顯著變化，因此將 Os03g0395100作為70-36卷葉突變體的候選基因。
　　轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）分析的結(jié)果表明，突變體與野生型間共存在207個顯著差異表達基因，其中上調(diào)表達的基因162個，下調(diào)表達的基因共45個。對這些顯著差異表達

7、基因進行功能分類和PATHWAY分析，發(fā)現(xiàn)與葉極性建立、泡狀細(xì)胞發(fā)育、厚壁組織發(fā)育等有關(guān)的基因在70-36中表達均發(fā)生了顯著改變，另外還發(fā)現(xiàn)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、次生代謝途徑等有關(guān)基因的表達改變也與突變密切聯(lián)系。利用 qRT-PCR技術(shù)對基因表達量進行驗證，表明葉極性發(fā)育相關(guān)基因OsYABBY1、OsYABBY7，以及厚壁組織發(fā)育相關(guān)基因SLL1在突變體中顯著上調(diào)表達，而與木質(zhì)素合成相關(guān)基因Dirigent1、4CL3在突變體中則顯著下調(diào)表達，證