一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因hw-1(t)的鉴定

通过空间诱变从光身稻品种Francis的M₂群体中发现一株叶色白化转绿、多分蘖矮秆突变体hfa-1。hfa-1在三叶期之前完全白化,随后转绿。白化转绿表型受生长发育和温度调控。亚细胞结构观察发现hfa-1叶绿体发育异常抑制叶绿素合成,造成光合效率降低,产生白化表型。hfa-1的多分蘖表型是由于高节位分蘖芽激活所致,初步鉴定与苗期叶片IAA (吲哚乙酸)含量无关。hfa-1的矮生性则由节间长度缩短所致,与苗期GA (赤霉素)的合成和信号传导无关。遗传分析表明hfa-1的白化转绿、多分蘖矮秆表型受单隐性核基因hw-1(t)控制。利用hfa-1与粳稻品种02428杂交获得的F₂群体将hw-1(t)定位在水稻第4染色体长臂上两个InDel标记HW27和HW7间46.9 kb的物理距离内,该区域有13个阅读框架,其中LOC_Os04g57320编码IMMUTANTS蛋白,推测为hw-1(t)的候选基因。     

水稻叶色白化转绿及多分蘖矮秆突变体hfa-1的基因表达谱分析

hfa-1的白化转绿、多分蘖矮秆表型受单隐性核基因hw-1(t)控制。该基因编码含线粒体交替氧化酶AOX结构的叶绿体蛋白,通过参与叶绿体呼吸电子传递链,对类胡萝卜素生物合成途经及其次生代谢途径进行调控。本研究对hfa-1突变体叶色白化转绿过程中的类胡萝卜素生物合成途径、与该途径有关的植物激素代谢途径的相关基因进行表达分析,并分析了hfa-1突变体在白化、转绿两个时期的基因表达谱。结果表明,类胡萝卜素、植物激素(GA、ABA和SL)生物合成相关基因在hfa-1突变体白化期叶片中表达量减低,暗示hw-1(t)基因的突变抑制了苗期类胡萝卜素合成,同时还对涉及该过程相关多个次生代谢途径产生影响。通过基因表达谱芯片和功能分类分析,发现hfa-1叶色白化转绿过程中上调和下调表达基因涉及的生理过程主要在光合作用、应对内源刺激物和胁迫响应等方面;其中电子传递体Cytb6/f复合蛋白合成相关基因上调表达明显,推测Cytb6/f蛋白复合体在电子传递和质醌库还原氧化上对hw-1(t)起一定的补偿功能。     

结合QTL-seq和连锁分析发掘水稻中胚轴伸长相关QTL

中胚轴长度(mesocotyl length, ML)是影响旱直播水稻出苗和早期幼苗活力的重要性状。发掘中胚轴伸长相关位点,解析其遗传机制,选育长中胚轴品种是促进旱直播技术推广最为经济和有效的方式。本研究以长中胚轴品种‘Changai’和短中胚轴品种‘IR 145’为亲本构建的F_2遗传分离群体为材料,构建长池和短池并开展深度重测序(50×)。利用Δ(SNP-index)和G-value两种方法在3号染色体29.56～33.28 Mb处鉴定到1个中胚轴伸长相关位点qML3。在候选区域开发KASP标记,对184个F_2株系开展连锁分析,将候选区间缩小到28.89～31.03Mb。结合基因注释、连锁分析和基因表达分析结果,推测LOC_Os03g52450、LOC_Os03g56060、LOC_Os03g58290、LOC_Os03g58300、LOC_Os03g58320、LOC_Os03g56050和LOC_Os03g57640为候选基因。这些基因分别与植物激素的调控和细胞分裂相关机制有关。本研究发掘了一个水稻中胚轴伸长相关位点,对选育长中胚轴品种有一定帮助。     

水稻分蘖期氮素应答的转录组动态分析

氮素是水稻生长发育必需的大量营养元素,通过探索水稻分蘖期对氮的转录响应,筛选氮素应答基因用于培育氮素利用率高的水稻品种,同时为水稻的精准栽培提供转录组学指导。以五优稻4号为材料,于施氮后7,14,21 d分别收获了五优稻4号叶片,并进行动态转录组分析。氮素处理使分蘖期水稻叶片颜色加深,并检测到3 870个差异表达基因(DEGs)。GO分析显示,这些基因主要参与了代谢过程、细胞过程、细胞组分、催化活性和结合等方面,KEGG分析表明,有22个DEGs与半乳糖代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径显著相关。另外,通过互作蛋白预测发现35个互作蛋白。上述代谢途径在分蘖期不同时间点对氮的应答是有差异的,在氮素处理后,前期应答的差异表达基因galA、galE(LOC_Os05g51670)、malZ主要参与半乳糖代谢途径;中期应答的差异表达基因HEXA_B、GNPNAT1、GlmS、UAP1、RGP、XYL4、AXS、UXS1、UGDH、RHM、galE(LOC_Os09g15420)和GAUT主要参与氨基糖和核苷酸糖代谢途径;后期应答的差异表达基因AsnB、ASL、NadB、GOT2、GLT1和GlnA主要参与丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代谢途径,这些结果表明,上述基因在水稻不同生育进程中对氮素应答有时间上的差异。     

水稻雄性不育突变体012S-3的遗传分析和基因定位

雄性不育是水稻杂种优势利用的重要资源,对雄性不育现象的研究具有重要理论意义和实践价值。本研究以自然突变的水稻雄性不育突变体012S-3为试验材料,对其表型特征和花粉育性等进行调查,并构建遗传群体,利用分子标记对目的基因进行初步定位,然后应用基因组重测序技术对其进行精细定位。结果表明,012S-3是一个典型的无花粉普通型雄性不育材料,其不育性状受1对隐性核基因控制。初步定位分析目的基因与SSR标记RM6081存在连锁关系,其遗传距离约为34.4 c M;进一步的精细定位分析,找到3个候选基因:LOC_Os07g35880、LOC_Os07g35920和LOC_Os07g35940,其中LOC_Os07g35880和LOC_Os07g35940编码β-淀粉酶,属于水稻中新发现的花粉致死基因。该不育基因的成功定位为其进一步的分离克隆及其在水稻分子设计育种中的应用奠定了基础。     

广西水稻地方品种核心种质稻瘟病抗性位点全基因组关联分析

稻瘟病是水稻重要病害之一,严重影响水稻的产量与品质。培育抗性品种是防治稻瘟病最经济、环保的方式。稻瘟病抗性基因的鉴定与挖掘是开展抗病育种的基础与前提。本课题组前期对419份广西水稻地方品种核心种质进行简化基因组测序,获得208,993个高质量SNP标记。本研究采用苗期喷雾接种方法,研究了该419份核心种质对7个稻瘟病生理小种的抗性,并根据表型和基因型数据,利用一般线性模型(general linear model,GLM)和混合线性模型(mixed linear model,MLM)进行全基因组关联分析。2种模型下共检测到20个位点,其中GLM检测到20个位点,MLM检测到1个位点,Chr12_10803913位点在2种模型下都检测到。17个位点与前人定位的基因/QTLs重叠,其余3个是新位点,分别为Chr3_18302718、Chr3_18302744及Chr5_10379127位点。在20个显著关联位点上下游各150 kb的基因组区域中共筛选出候选基因323个,初步确定8个候选基因与抗病相关,其中LOC_Os12g18360(Pita)、LOC_Os12g18729(Ptr)为已知克隆的基因,LOC_Os03g32100、LOC_Os03g32180和LOC_Os05g18090为新位点附近筛选到的候选基因。本研究结果为稻瘟病抗性位点挖掘与稻瘟病相关基因克隆提供了科学依据。     

OsBTF3基因在水稻光合作用和生长发育中的功能

为了揭示转录因子OsBTF3在水稻生长发育中的功能,比较分析了OsBTF3过量表达和RNAi转基因水稻T₁代株系叶片生长和株型发育的表型。结果表明,与野生型对照株相比,过量表达株系在叶绿素含量、叶绿体数量、光合速率、叶片大小、株高、节间长方面显著增加或增强; 而RNAi株系的明显降低或减弱。OsBTF3基因的增量或减量表达显著影响水稻光合作用、叶片生长和株型发育。说明OsBTF3在水稻生长发育中具有重要调控功能,可能在水稻转基因分子育种方面具有潜在的应用价值。     

转苦瓜几丁质酶基因McCHIT1水稻及其稻瘟病抗性

稻瘟病是危害水稻的最严重病害之一,探索利用外源基因提高水稻抗稻瘟病水平对现代育种具有重要意义。本研究从T₂代起逐代增加抗性选择压,采用苗期人工混合接种和病圃田自然诱发等鉴定方法,对转基因水稻后代进行稻瘟病抗性鉴定和筛选,在T₅代获得了7个稻瘟病抗性极显著增强的转McCHIT1基因水稻稳定株系。通过7个生理群26个生理小种的115个稻瘟病有效单孢菌株苗期抗谱测定,这7个株系的抗病频率为52.2%~61.4%,比受体对照缙恢35 (36.8%)高16个百分点以上,主要增加了对ZE群生理小种的抗性,提高了对ZG群、ZF群和优势种群ZB群生理小种的抗性。C36-2-1、C21-6-2、C21-3-1等3个株系的结实率达80%以上,是丰抗结合较好的转McCHIT1基因株系。McCHIT1基因具有广谱抗性,将其遗传转化水稻,采用“逐代增加选择压,抗中选抗”的方法,可筛选出稻瘟病抗性优良、抗谱明显拓宽、产量性状较好的转基因稳定株系。     

非生物胁迫诱导的GmMYB的克隆与表达分析

本研究室根据一段抗逆的EST序列, 从栽培大豆东农42中克隆到4个开放阅读框均是外显子和内含子间隔构成的R2R3-MYB基因, 其中Gm02g01300、Gm03g38040和Gm10g01340与已公布的Willams 82基因组序列完全一致, Gm19g40650第375位的单核苷酸突变导致多肽链第125位的氨基酸发生置换(GAG³⁷⁵→GAC³⁷⁵, E¹²⁵→D¹²⁵)。以人工气候箱内模拟非生物胁迫(盐、碱、干旱和低温)处理栽培大豆东农42芽期, 选择适宜时间点, 采用荧光定量PCR技术, 检测R2R3-MYB基因的表达。结果表明, 4个基因的表达水平都存在明显波动, 呈诱导后短暂上调或下调两种表达模式, 但表达时间、强度和趋势存在明显差异; Gm02g01300受干旱诱导明显, Gm03g38040受多种胁迫条件诱导表达强烈, 推测这些基因在大豆非生物胁迫的调控中起到重要作用; 另外, 在子叶与胚间, 单个基因的表达也存在差异; 多种非生物胁迫条件下, 基因的表达不仅存在时空差异, 可能也具有调控模式的差异。     

胁迫相关蛋白激酶基因OsSAPK2调控水稻抗白叶枯病反应

水稻蔗糖非酵解型蛋白激酶Sn RK2,又称胁迫相关蛋白激酶(stress-activated protein kinase genes in rice,Os SAPKs),在调控水稻非生物胁迫信号传导中起着重要作用。本研究对Os SAPK2的结构及其在水稻抗白叶枯病反应中的功能进行了初步研究。结果表明Os SAPK2被定位于细胞核和细胞质内,与Os SAPK1、Os SAPK3同属于Kulik’s II组。Os SAPK2-RNAi转基因水稻中Os SAPK2下调表达,人工接种水稻白叶枯病菌后,转基因水稻比受体对照的病斑长度显著增长,抗病相关基因Os LRR1、Os HIR1表达水平下降,感病相关基因Os MAPK5表达水平升高。此外,Os SAPK2具有自激活活性,可能与Os MAPK5等胁迫相关蛋白互作。上述结果为进一步研究Os SAPK2调控水稻抗白叶枯病的分子机制提供了信息。     

水稻穗大小决定基因PS1的遗传分析及克隆

穗大小是影响水稻产量的重要农艺性状之一。本研究在水稻粳稻品种"中花11号"T-DNA插入突变体库中鉴定了一个植株略矮、穗长变短25%、一次枝梗和二次枝梗数目分别减少33%和80%、且粒型变异的突变体。T-DNA标签共分离检测表明:该突变体的表型与T-DNA插入无关。通过与籼稻品种"珍汕97"配置杂交组合构建遗传作图群体,F2杂合后代符合经典孟德尔遗传分离比3:1,证明突变性状受一对隐性基因PS1(Panicle Size 1)所控制。采用图位克隆的方法,将基因PS1初步定位在第11号染色体短臂上的IN44和IN50标记之间,两标记物理图距为105 kb。对候选基因进行进一步的表达量分析、比较扩增及测序发现基因LOC_Os11g12740(即SP1)可能是本研究的PS1基因。本研究为进一步分离克隆PS1基因及对水稻穗大小发育的深入研究提供依据。     

水稻早衰突变体psls1的基因定位及克隆

水稻叶片早衰直接影响作物的光合效率,减少产量,降低品质。深入研究早衰的分子机制对控制和延缓衰老具有重要意义。本文报道了一个早衰突变体psls1(premature senescence leaf with spots)的基因定位及克隆结果。突变体在发育到七叶期以后,叶片自下而上叶绿素含量下降,过氧化氢过量积累,突变体叶片逐渐黄化至枯萎;其他农艺性状如株高、分蘖数、主穗长、结实率和穗粒数也相应变差。电镜观察进一步发现,psls1衰老叶片中叶绿体降解、类囊体基粒片层模糊,嗜锇颗粒明显增多。遗传分析表明,psls1受1对隐性基因控制,利用psls1×IRAT129杂交组合F2分离群体中的1690个早衰个体,将基因PSLS1定位在第7染色体分子标记ZS-3和ZS-8之间89 kb的范围内。测序研究发现,区间内一个编码铁氧还依赖的谷氨酸合酶基因LOC_Os07g46460的第2外显子末位的G被替换为A,导致转录本的错误剪切,突变体的c DNA缺失了57 bp碱基片段。在突变体中该基因表达量下降,谷氨酸合酶活性降低,其产物谷氨酸含量显著下降、其他氨基酸代谢紊乱。水培低氮处理下可诱发突变体psls1早衰。研究结果表明,由于PSLS1突变使得谷氨酸合酶失活,氮代谢异常而导致突变体psls1早衰。     

水稻(Oryza sativa)感光抑制基因Hybrid Rice Photoreceptor Suppressor Gene 1(HRPSG1)的定位与分析

为了发掘更多的水稻抽穗期调控基因,完善相关基因调控网络,本课题组在水稻品系‘神9A’中发现一个能够抑制感光的基因,暂命名为Hybrid Rice Photoreceptor Suppressor Gene 1(HRPSG1)。遗传分析表明该性状受一对隐性核基因调控。通过杂交不育系配组方法与分子标记技术将该基因定位于第10条染色体长臂中段SSR-15和SSR-21之间,遗传距离分别为0.022 cM和0.025 cM,物理距离为115 kb。通过测序发现LOC_Os10g32600的外显子有两处碱基的突变,因此初步认为LOC_Os10g32600就是‘神9A’中抑制感光的基因。荧光定量PCR结果显示,水稻抽穗期相关基因DTH8和HD1在‘神9A’中的表达量急剧下降,分别仅有‘Q6A’的0.34和0.26。该结果为下一步HRPSG1基因的功能分析提供了帮助。     

水稻黄绿叶突变体ygl209的遗传分析与目标基因精细定位

水稻叶色突变体是研究高等植物光合作用、叶绿体发育和叶绿素代谢的重要材料。从水稻转基因育种材料中国91与镇稻88的BC4F3后代中分离到稳定遗传的粳型黄绿叶突变体ygl209,与野生型亲本镇稻88相比,突变体ygl209在苗期、分蘖期及抽穗期叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均显著降低,其中叶绿素b降幅最大;其他农艺性状中抽穗期、株高、有效穗数、主茎穗总粒数、结实率和千粒重无显著变化。遗传分析表明,ygl209的黄绿叶突变性状由1对核隐性基因控制。应用(ygl209/9311)F2、F3分离群体,将ygl209的叶色突变基因定位于第1染色体着丝粒附近571.6 kb的染色体区段内。对区段内与叶绿体发育有关的基因LOC_Os01g31110序列测定,ygl209突变体中LOC_Os01g31110基因的编码区1390位(位于第5外显子)上碱基由C转换成G,使编码蛋白序列由丙氨酸(Ala)变成了甘氨酸(Gly),推测LOC_Os01g31110即为ygl209的候选基因。     

水稻紫鞘染色体片段代换系Z519的鉴定及PSH1候选基因分析

花青素是广受人们喜爱的植物色素,在食品加工、杂种纯度鉴定中具有重要的作用。本研究鉴定了一个以日本晴为受体、优良紫鞘恢复系R225为供体亲本的紫鞘水稻染色体片段代换系Z519。Z519共含有16个代换片段,分布于除第10染色体外的其他11条染色体,平均长度为6.85 Mb。Z519在芽鞘3 mm时鞘尖呈现紫色,其后在叶鞘、叶缘、茎维管束和柱头等部位出现紫色线条,而日本晴各部位均为绿色。Z519叶鞘中花青素含量极显著高于日本晴,剑叶中没有显著差异。与受体日本晴相比,Z519的株高显著降低,千粒重、主穗总粒数和实粒数显著增加,有效穗数、主穗长和结实率无显著差异。进一步以日本晴与Z519杂交产生的F1和F2群体对紫鞘基因进行了遗传分析和分子定位。该紫鞘表型受显性单基因控制,位于第1染色体In Del标记L03和SSR标记L01之间37.8 kb的区域,被命名为PSH1。对该区间进行候选基因预测和测序,Z519在一个编码质体ATP/ADP转运蛋白的LOC_Os01g45910基因第一外显子的第238~252碱基的GTG重复区又多插入了GTG 3个碱基,导致增加了一个甘氨酸。q RT-PCR结果进一步表明其表达量在Z519中明显降低,初步确定LOC_Os01g45910是PSH1的候选基因。该研究为PSH1调控花青素的分子机制奠定了良好基础。     

Fine mapping and candidate gene analysis of a new mutant gene for panicle apical abortion in rice

The rice panicle architecture depends on the arrangement of branches and spikelets which directly affect grain yield. We identified a mutant for panicle apical abortion (PAA-Hwa) from a japonica cultivar Hwacheongbyeo treated with N-methyl-N-nitrosourea. Under normal growth conditions, the mutant had multiple abnormal phenotypes, such as a slight reduction in plant height, narrow and dark green leaf blades, and small erect panicles with clear PAA compared to the wild-type plants. Genetic analysis revealed that the PAA was controlled by a single recessive gene, which is tentatively designated as paa-h. The paa-h gene was fine mapped at an interval of 71 kb flanked by sequence tagged site markers aptn3 and S6685-1 at the long arm of chromosome 4. Sequence analysis of the candidate genes within the delimited region showed a single base-pair change corresponding to an amino acid substitution from glycine to glutamic acid at the candidate gene, LOC_Os04g56160. We expect that the paa-h gene will be a clue to uncover the molecular mechanism of PAA and to maintain the panicle identity for grain yield in rice breeding programs.     

水稻协优9308重组自交系群体白叶枯病抗性的全基因组关联分析

白叶枯病是水稻生产最严重的细菌性病害,挖掘新的白叶枯病抗性基因资源并培育抗病品种是控制该病害的重要方法。本研究利用父母本抗性差异较大的协优9308衍生的139个重组自交系群体作为遗传材料,人工接种不同白叶枯菌后的病斑长度作为连续型表型,结合经DNA深度测序获得的476,505个单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism,SNP)标记进行全基因组关联分析(genome-wide associated study,GWAS)。结果表明在P<1×10^–4下, 4个菌株处理后共鉴定到109个与白叶枯抗性显著关联的SNPs位点,解释表型变异率59.78%～63.29%。其中CR4接种发现了25个SNP位点其贡献率为61.00%,在这些SNP位点附近共筛选到19个基因,其中有2个为NBS-LRR抗病相关基因(LOC_Os11g43420和LOC_Os11g45930)。表达分析验证发现该2个基因在抗性亲本中恢9308的表达量分别为感病母本协青早B的4.42倍和8.86倍,表明其可能在正调控白叶枯病...