水稻抽穗期基因OsDof6功能的初步研究

【目的】以前期通过穗发育芯片筛选到一个水稻Dof家族转录因子OsDof6为研究对象,进一步探究OsDof6的表达模式与生物学功能。【方法】对OsDof6的基因、蛋白及启动子序列进行生物信息学分析,利用CRISPR/Cas9技术对该基因进行定点编辑,通过实时定量PCR和亚细胞定位技术分析该基因的表达模式。【结果】对该基因的启动子序列分析表明,该基因启动子中存在大量与光响应、激素响应及胁迫响应相关的顺式调控元件。利用CRISPR/Cas9技术获得了2种不同突变类型的功能缺失突变体9522^Dof6-3和9522^Dof6-4。对突变体T₁株系进行表型观察发现,相较于对照,两种突变体在营养生长阶段分蘖数明显降低,转入生殖生长阶段后,两种突变体的抽穗时间推迟约3 d。实时定量PCR结果显示OsDof6在水稻根、茎、叶和穗中均有不同程度的表达,在穗发育后期相对表达量明显提高;通过亚细胞定位分析发现OsDof6定位于细胞核。【结论】初步判断OsDof6基因会影响水稻分蘖数与抽穗期。     

水稻花器官发育基因DPS2的鉴定和精细定位

【目的】鉴定和克隆花器官发育相关基因,为进一步研究水稻花发育的分子机制奠定基础。【方法】在大田常规种植条件下比较了突变体dps2 (Defective pistil and stamens 2)和野生型春江06的主要农艺性状及花器官形态特征差异;扫描电镜及石蜡切片观察花药结构并用染色法观察花粉和胚囊的育性;利用图位克隆方法进行基因精细定位;qRT-PCR分析了花发育相关基因在野生型和突变体中的表达水平。【结果】dps2突变体抽穗期变长,不能正常扬花,雄蕊和雌蕊皱缩且花药和柱头数目增多;进一步研究发现,dps2突变体花药腔室塌陷,内无可见小孢子,即使部分花药形成腔室,花粉粒也无淀粉积累呈干瘪状。此外,突变体胚囊育性也受到影响;遗传分析表明该突变性状受一对隐性核基因控制,该基因位于第4染色体短臂上91.2 kb的区间内,区间内未见花器官发育相关基因的报道。qRT-PCR检测发现,水稻ABCDE模型中的B类、C类和E类基因的表达在突变体中显著升高。【结论】dps2突变体的雄蕊及雌蕊均发育异常,最终导致完全不育,推测DPS2可能在水稻第3轮雄蕊发育和第4轮雌蕊发育调控中发挥重要作用。     

水稻粒宽突变体gw4的鉴定与基因定位

【目的】水稻粒形是影响水稻产量和决定稻米外观品质的主要性状之一。筛选和鉴定新的粒形突变材料,可为研究水稻籽粒发育的调控机制奠定基础。【方法】粳稻品种中花11经1%的EMS处理,在诱变群体中获得一份窄粒突变体gw4(grain width on chromosome 4);分析粒形和其他主要农艺性状,在扫描电镜下观察颖壳细胞变化;利用突变体与籼稻品种台中本地1号配组的F₂分离群体,选择隐性个体完成基因的精细定位;开展生物信息和测序分析,确定定位区间的候选基因;采用RT-PCR分析该基因在根、茎、叶、鞘、穗等组织中的表达模式及其他粒形相关基因的表达水平。【结果】与野生型相比,除了表现窄粒外,gw4的粒长、千粒重、每穗粒数、一次枝梗数和二次枝梗数等显著下降;扫描电镜发现gw4的颖壳内外表皮细胞均小于野生型;遗传分析表明该窄粒表型受一对单隐性核基因控制;通过开发的新标记最终将该基因定位在第4染色体BS6与EX49两个标记之间约31.74 kb的范围内;测序结果发现在LOC_Os04g01590基因编码区发生了一个由G至A的单碱基突变,导致原来编码的甘氨酸变成了天冬氨酸;qRT-PCR结果表明,LOC_Os04g01590主要在幼穗中表达,且在突变体中表达显著下降。【结论】GW4主要调控水稻粒宽的发育,预测LOC_Os04g01590为其候选基因。这为进一步丰富粒形的遗传调控网络打下了基础。     

水稻叶片衰老基因LPS1的克隆与功能研究

【目的】早衰突变体是研究早衰机制的良好载体,对于探究早衰的遗传机理与作用机制及提高水稻的产量和品质具有重要作用。【方法】本研究利用EMS诱变获得了一个早衰突变体lps1,并对该突变体及其野生型进行表型观察、细胞学及组织化学分析、生理生化分析、遗传分析、基因定位和激素处理。【结果】lps1的叶片从3叶期开始发黄,成熟期株高、有效分蘖数、结实率、千粒重等极显著降低。电镜观察发现lps1叶表面光滑,硅质化突起和叶绿体数目减少、片层结构紊乱。生理生化分析表明lps1中有大量的活性氧积累,同时伴有蛋白质的降解、细胞膜的损伤以及大规模的细胞死亡。遗传分析表明该早衰表型受单隐性核基因控制,并且其在第5染色体上编码了一个泛素结合酶。亚细胞定位结果证明LPS1蛋白在细胞质与核中均有表达。外源激素处理发现,lps1对外源激素的处理更为敏感,且LPS1突变促进了ABA合成相关基因的表达。【结论】LPS1 突变使水稻ABA合成信号途径异常,进而引发H₂O₂等一系列与衰老相关生理指标的异常变动,导致lps1过早衰老,最终造成水稻产量严重降低。     

水稻小穗簇生基因OsCL6的定位及候选基因分析

【目的】通过对水稻小穗簇生基因的定位与候选基因分析,为进一步克隆幼穗发育过程中缩短枝梗长度造成小穗簇生的功能基因奠定基础。【方法】以航天诱变育种技术处理常规优质稻品种粤农丝苗获得一个稳定遗传的小穗簇生突变体cl6为试验材料,与粤金银占构建F₁、F₂作图群体,对簇生基因进行定位,结合转录组测序对候选基因进行预测与评价。【结果】遗传分析结果表明,突变体cl6的簇生性状由非完全显性单基因控制,混合分组分析法将该基因定位于第6染色体上约416 kb的区间。进一步通过表达谱分析、转录组测序技术、基因序列差异性分析和qRT-PCR验证等筛选出OsFBK16为最佳候选基因,其5′-UTR区域发生9个碱基的插入突变,暗示该基因可能通过二级结构改变调控转录或翻译水平,参与水稻幼穗发育过程中枝梗的分化。【结论】本研究结果为解析水稻二次枝梗和小穗梗缩短机制奠定一定理论基础。     

OsESV1基因对水稻淀粉合成的影响

【目的】 研究水稻EARLY STARVATION1 (OsESV1)基因对水稻淀粉代谢的影响。【方法】 通过CRISPR-Cas9技术获得osesv1突变体,考查osesv1的表型及胚乳淀粉的理化特性,分析OsESV1的表达特性及相关功能。【结果】 OsESV1蛋白在植物界中十分保守。osesv1突变体株高、穗长、每穗粒数低于野生型,分蘖数显著多于野生型,叶片中淀粉含量显著下降,籽粒中的直链淀粉含量上升,而总淀粉含量无明显变化。OsESV1呈组成型表达,并且具有昼夜节律表达的特征。OsESV1蛋白定位在叶绿体内且呈点状分布。酵母双杂交和双分子荧光互补实验结果表明OsESV1蛋白可以与ADP-葡萄糖焦磷酸化酶小亚基(OsAGPS) 2a和OsAGPS1互作。【结论】 OsESV1基因影响水稻叶片的淀粉合成途径,而对胚乳淀粉合成的影响不明显。     

水稻条纹叶和白穗基因SLWP的定位及变异分析

【目的】对叶绿体发育相关基因进行克隆和功能分析,为解析叶绿体功能奠定分子基础。【方法】用甲基磺酸乙酯(EMS)处理籼稻9311获得一个条纹叶和白穗突变体slwp,通过色素分析和农艺性状观察分析该突变体的表型,通过图位克隆方法分离该基因,进一步利用定量PCR分析相关基因的表达情况。【结果】突变体slwp从2叶期开始至抽穗期表现出条纹叶表型,抽穗后幼穗白化,光合色素含量明显低于野生型;株高降低、抽穗延迟、产量降低等表型。该突变性状为单隐性核基因控制,该基因定位于水稻第6染色体短臂C6-4和N14标记之间0.91 Mb区间内。基因组测序表明核糖核苷二磷酸还原酶小亚基基因(RNRS1)编码区第776位点发生单碱基替换,导致甘氨酸突变为天冬氨酸;该基因与已报导的水稻基因St1、Gws和St-wp为等位基因。通过对这4个等位基因的突变位点和表型进行分析,总结了该基因不同位点突变对植株表型的影响以及籼粳之间的差异。表达分析显示与叶绿素合成有关的基因受到不同程度调控,叶绿体发育第一和第二阶段基因上调表达,光合作用相关基因均下调表达。【结论】本研究分析了SLWP(RNRS1)基因不同位点的变异对水稻表型的影响,相关结果加深了对RNRS1基因功能的认识,有助于阐明叶绿体发育的分子机制。     

水稻类病斑突变体lmm7的鉴定与基因定位

【目的】对水稻类病斑突变体的研究有助于解析其与植物生长和防御反应的关系。【方法】本研究在粳稻品系FI135胚培养过程中获得了1个类病斑突变体lmm7(lesion mimic mutant 7)。通过对其进行系统的表型鉴定、农艺性状考查、超微结构观察、生理学特性分析，阐明LMM7基因对植物生长的调控。通过病原菌抗性鉴定，明确lmm7对植物防御反应的影响。利用9311B与突变体lmm7杂交所得F₂群体对该突变体进行了遗传分析和基因精细定位。【结果】该突变体苗期表型正常，分蘖初期，植株基部叶片从叶尖开始不断出现褐色斑点，并向整株扩散，且斑点数目随植株生长不断增加。与野生型相比，突变体的株高、穗长、有效穗数、每穗粒数、结实率及剑叶长宽都显著降低，但籽粒性状和抽穗期没有显著性差异。遮光处理表明，突变体lmm7的表型受到光照诱导，抽穗期突变体lmm7叶肉细胞严重失绿，光合色素含量显著降低。组织化学分析表明，突变体病斑处的H₂O₂含量显著升高。透射电镜观察结果表明，突变体lmm7叶肉细胞的叶绿体数目减少，叶绿体类囊体片层结构严重受损，细胞器肿胀解体，并出现大量嗜锇小体，同时病斑内部和周围区域积累了大量的ROS。抗性鉴定结果显示突变体lmm7稻瘟病抗性水平显著高于野生型。遗传分析表明lmm7的突变表型受单个隐性基因控制。利用图位克隆的方法，目的基因被定位于水稻第7染色体短臂两InDel标记7B35和7B43之间，区间范围约260 kb。测序结果表明该区间内候选基因LOC_Os07g0203700第2891位碱基T发生了单碱基缺失，导致后续移码突变及翻译提前终止。【结论】lmm7与spl5互为等位基因，其突变抑制了植株的生长，同时增强了对稻瘟病的抗性。     

水稻蜡质稀少突变体wax1的鉴定及基因定位

【目的】 蜡质是植物表面的一种重要保护物质,筛选和鉴定水稻蜡质相关突变体有助于解析水稻蜡质形成的遗传机制。【方法】利用EMS诱变籼稻品种湘早籼6号,从突变体库中筛选出一个蜡质稀少的突变体wax1,考查突变体的形态特征和农艺性状,利用突变体与02428杂交的F₂群体定位目标基因,并通过荧光定量PCR分析相关基因的表达情况。【结果】与野生型相比,wax1突变体具有叶片短小皱褶、叶表面蜡质晶体减少、穗长变短等形态特征;在农艺性状方面,突变体的株高、每穗总粒数和千粒重显著降低,但有效穗数显著高于野生型;遗传分析表明,wax1的突变表型受一对隐性核基因控制,将WAX1基因定位在第10染色体上SSR标记RM5806与InDel标记P1之间,物理距离约为49.8 kb;定位区间内的测序结果表明,突变体中β-酮脂酰-CoA合酶的编码基因发生单碱基突变,导致催化活性中心的一个氨基酸发生改变。WAX1基因的突变显著提高了同源异型盒基因OSH6的表达,同时引起部分IAA基因的差异表达。【结论】WAX1基因突变引起叶表面蜡质晶体的减少,同时通过影响茎尖分生组织和生长素的信号转导引起植株生长发育等多方面的异常。     

水稻雄性核不育突变体ms7的遗传分析及基因定位

【目的】通过对水稻雄性不育突变体的研究,可以鉴定更多与育性或花粉发育相关的基因,有助于解析水稻雄性生殖发育的整个调控网络。【方法】常规种植条件下,突变体ms7 (male sterile 7)与对照种植于浙江富阳和海南陵水,比较它们的育性及主要农艺性状差异,利用混池关联分析和图位克隆方法进行目标基因定位。【结果】整个生育期,突变体ms7生长速率与野生型一致,成熟期的株高、分蘖数、叶数、叶大小、穗长和每穗颖花数等性状与野生型相比也没有显著差异,但ms7结实率为0,表现为完全雄性不育,花药瘦小且颜色发白,半薄切片显示绒毡层降解推迟,花粉镜检呈染败。遗传分析表明花粉败育受单个隐性基因控制,定位于第7染色体上BSA11与YD7045之间1.17 Mb的范围内。【结论】本研究为水稻雄性不育基因ms7的克隆和功能研究打下了基础。     

含草甘膦抗性标记的水稻核不育繁殖系载体构建与验证

【目的】使用草甘膦抗性基因替代潮霉素抗性基因，构建核不育繁殖系的转化载体，赋予繁殖系对除草剂草甘膦的抗性，规避现行政策对转基因作物中使用抗生素标记基因的限制。【方法】利用同源重组的方法，构建含草甘膦抗性基因Epsps^#、花粉致死基因ZmAA1、核不育恢复基因OsEat1和红色荧光基因DsRed2的水稻eat1核不育基因繁殖系载体pC3300-Epsps-AA-Eat-Red;采用农杆菌介导法转化水稻。【结果】通过转化籼稻品系9K19-5获得普通核不育繁殖系Eat9K的转化植株318个。表型鉴定表明，单拷贝转化体Eat9K-3的花粉有可育和不育2种类型，种子有具有和不具有荧光信号2种类型，具有荧光信号的种子在发芽期能耐受浓度至少为1 g/L的草甘膦。建立的四引物检测法能够区分野生型Eat1基因和核不育eat1基因。【结论】证明载体pC3300-Epsps-AA-Eat-Red有效，创制了具有除草剂抗性的普通核不育繁殖系新种质，建立了区分野生型Eat1基因和核不育eat1基因的四引物检测法。     

低温条件下喷施乙烯利对温敏核不育水稻育性的影响

【目的】为解决我国南方温敏核不育水稻制种过程中遇低温易发生育性转换问题,对处于育性转换敏感期的温敏核不育水稻进行低温诱导并喷施不同浓度乙烯利,探讨其对温敏核不育水稻育性的影响。【方法】利用温敏核不育水稻株1S和准S为材料,在育性敏感时期对其进行连续7d冷灌池低温(22.5℃)诱导并分别喷施乙烯合成促进物质乙烯利和抑制物质二氧化氯溶液,统计花粉可染率及套袋自交结实率,对乙烯合成关键酶进行实时荧光定量PCR分析。分离并分析了乙烯合成途径关键酶OsACO5和OsACS5的启动子。【结果】在22.5℃低温诱导条件下,株1S和准S连续7 d喷水处理后的可染花粉率分别是4.3%和8.9%,套袋结实率分别是1.6%和2.5%;与喷水对照相比,喷施1600mg/L乙烯利,株1S和准S可染花粉率分别下降3.3和7.2个百分点,且都无结实;喷施1500mg/L二氧化氯溶液的株1S和准S可染花粉率分别上升3.5和3.3个百分点,套袋结实率分别上升0.78和0.52个百分点。在低温诱导条件下(以喷水为对照),连续7 d喷施1600mg/L乙烯利时,株1S和准S幼穗中OsACO5和OsACS5基因表达量显著升高,分别是对照(喷水)的1.19、1.24(株1S)和1.24、1.1(准S)倍;连续7 d喷施1500mg/L二氧化氯溶液时,株1S和准S幼穗中OsACO5基因表达量变化不显著,而株1S和准S中OsACS5基因表达量显著降低,分别是对照(喷水)的93%和89%。与正常大田温度相比,在22.5℃低温诱导7 d时,喷水、喷施1600mg/L乙烯利及1500mg/L二氧化氯溶液处理分别会导致株1S和准S幼穗中OsACO5和OsACS5基因下调表达。此外,发现OsACO5和OsACS5的启动子除含TATA盒和CAAT盒等基本结构以外,还含有多个组织特异表达及乙烯调控顺式作用元件。【结论】低温诱导条件下,在温敏核不育水稻育性敏感期,喷施1600mg/L乙烯利可抑制育性转换。     

水稻光温敏雄性不育突变体tms3650的鉴定和基因定位

【目的】雄性不育是水稻杂种优势利用的基础。为进一步解析其调控机制,对一个雄性不育突变体进行了鉴定。【方法】利用⁶⁰Co-γ对籼稻品种93-11进行辐射诱变,从其后代中鉴定到一个雄性不育突变体tms3650。将籼稻明恢63作父本同突变体tms3650杂交构建F₂和F₃群体,采用图位克隆的方法对目的基因进行精细定位。【结果】tms3650突变体其他农艺性状与野生型一致,但花药白绿且瘦小,花粉不能被1%碘-碘化钾溶液染成蓝黑色,穗子包颈,抽穗期延迟。遗传分析表明该突变体表型受一对隐性核基因控制。精细定位结果表明基因位于第3染色体长臂SSR标记RM15927和RM15934之间135.25 kb距离内,且与RM15931标记共分离。陵水冬季南繁鉴定发现,该突变体育性受光温环境影响,说明tms3650突变体的雄性育性在短日低温条件下发生了转育,是一个光温敏雄性不育突变体。【结论】通过将定位位点与已报道的雄性不育基因比较,发现tms3650是一个新的基因位点,暂命名为TMS3650。     

利用CRISPR/Cas9技术创制抗稻瘟病香型早籼温敏核不育系

【目的】创制新型抗稻瘟病香型早籼温敏核不育系，为高产优质杂交水稻选育提供资源。【方法】利用CRISPP/Cas9技术在水稻稻瘟病基因Pi21、温敏不育基因TMS5和香味基因Badh2的第1外显子处设计靶位点，构建多基因表达载体pC1300-2×35S::g^TMS5-g^Badh2-g^Pi21，转化优质常规籼稻品种中早70，测序鉴定分析获得纯合阳性稳定株系。利用稻瘟病喷雾接种和打孔接种方法对稻瘟病基因Pi21的纯合突变株系进行稻瘟病抗性鉴定，利用GC-MS技术对Badh2纯合突变株系的香味物质2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP）含量进行测定。【结果】在T₀转基因株系中，Pi21、TMS5和Badh2突变频率分别为87.5%、80.0%和87.5%，突变类型多为双等位突变。从T₁代中筛选不含载体骨架的纯合突变株系，获得两种三突变纯合株系。稻瘟病接种结果表明，与野生型相比，T₂代Pi21纯合变异株系的抗性显著提高。同时，接种后纯合突变体株系内相关防卫基因的表达量显著上调，ROS积累量也显著增加。tms5纯合变异株系表现出典型的温敏不育特性，TMS5基因的表达水平与野生型相比显著降低，高温下Ub_L404基因的表达水平明显高于野生型。与野生型相比，在Badh2纯合突变体植株中Badh2的表达水平显著下调，并且香味物质2-AP含量极显著增加。【结论】利用CRISPR/Cas9技术成功对Pi21、TMS5和Badh2基因同时进行定向编辑，获得了具有高抗稻瘟病的香型温敏不育系，为高抗、香型不育系材料的选育提供参考，加快高产优质杂交水稻的选育。     

水稻幼穗响应稻曲病菌毒素胁迫早期的转录组分析

【目的】由稻曲病菌引起的稻曲病不仅造成水稻减产,而且还会产生对动物和植物有毒的真菌毒素。探明水稻幼穗对稻曲病菌毒素胁迫响应的分子机制,可为发掘水稻抗稻曲病基因以及抗病分子育种开辟新的思路。【方法】用稻曲病菌毒素处理水稻幼穗,采用转录组测序技术对水稻幼穗进行转录组测序,以水稻9311基因组作为参考基因组进行对比,利用TPM法计算基因表达量,设定参数（差异倍数的绝对值不小于2,且q值不大于0.05）筛选差异表达基因。结合基因差异表达分析、富集功能分析,鉴定水稻响应胁迫的关键基因,并利用实时荧光定量PCR技术对差异表达基因进行验证。【结果】在稻曲病菌毒素胁迫12 h后,水稻幼穗出现2526个差异表达基因（DEG）;通过GO富集、KEGG代谢途经和KOG功能分析,将差异基因划分为GO功能下的64个条目、32个代谢途径和KOG功能下23个类别,包括淀粉和蔗糖代谢、苯丙类生物合成、碳代谢、糖酵解/糖异生、氨基糖和核苷酸糖代谢等生物学过程。DEG中有66个植物转录因子,分属7种植物转录因子家族,包括WRKY和Myb两大转录因子。分析二萜类生物合成与淀粉和蔗糖代谢途径相关基因发现,OsCPS2、OsKSL4和细胞色素P450等基因表达量上调,而淀粉酶、β-呋喃果糖苷酶和UDP-焦磷酸化酶等基因表达量下调,推测这些基因在水稻响应稻曲病菌毒素胁迫时发挥重要的作用。【结论】稻曲病菌毒素作为非生物胁迫因素对水稻幼穗具有毒性;通过干扰淀粉和蔗糖代谢等途径而影响种子营养物质的合成,降低水稻抵抗病原菌侵染水稻的能力。     

水稻直链淀粉合成调控新基因Wx410的功能与效应分析

【目的】挖掘Wx新等位变异,明确Wx410新等位基因对稻米品质性状的影响。【方法】以Wx^lv、Wx^a和Wx^b等位基因为模板,利用PCR进行第10外显子第101位碱基的A-G单点突变,分别构建了不同Wx等位背景下的Wx410定点突变植物表达载体pEGFC-Wx^lv410、pEGFC-Wx^a410和pEGFC-Wx^b410,阳性对照组载体分别为pEGFC-Wx^lv、pEGFC-Wx^a和pEGFC-Wx^b。通过转化糯稻品种苏御糯,分析该位点的变异对稻米品质的遗传效应。【结果】花后7 d和14 d,转基因植株pEGFC-Wx^lv410,pEGFC-Wx^a410及pEGFC-Wx^b410的胚乳Wx基因表达量较各自的阳性对照材料无显著变化,而颗粒结合淀粉合酶活性极显著降低;转基因植株直链淀粉含量较野生型显著降低,而糊化温度无明显变化;pEGFC-Wx^a410及pEGFC-Wx^b410的胶稠度较各自的阳性对照材料显著升高,而pEGFC-Wx^lv410的胶稠度较其阳性对照材料显著降低。【结论】pEGFC-Wx410为水稻淀粉合成的一个新的功能等位基因,控制的直链淀粉含量为4%~6%,刚好弥补了目前所鉴定的复等位基因所调控的直链淀粉含量在这个范围内的空缺,为稻米食味和加工相关品质改良提供更丰富的遗传资源。