玉米籽粒缺陷突变基因dek54的精细定位及候选基因分析

玉米籽粒与产量和营养品质密切相关,控制籽粒发育基因的功能研究对解析籽粒发育分子机制,提高玉米产量,改善籽粒营养品质提供重要依据。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate,EMS)处理B73花粉,筛选到一个玉米籽粒缺陷突变体defective kernel 54 (dek54)。dek54表现出成熟籽粒变小、皱缩、颜色发白等特征;遗传分析表明dek54是一个单基因控制的隐性突变体。石蜡切片显示dek54淀粉胚乳细胞形状不规则且排列致密,扫描电镜观察成熟籽粒胚乳中心区域发现dek54淀粉粒周围蛋白体比野生型少且排列疏松。dek54成熟籽粒的总蛋白、醇溶蛋白、各氨基酸组分和全氮含量相比野生型都显著降低。利用F_2分离群体中的1566个dek54单株,把dek54定位在7号染色体标记SSR6和SSR7之间,物理位置约为290 kb。该区间有3个基因,基因测序发现Zm00001d019294基因第2个外显子上第351个碱基由G突变为A,从而导致蛋白翻译的提前终止。该基因在玉米籽粒中特异性表达,且在12DAP (days after pollination)籽粒中表达量最高。通过CRISPR/Cas9系统进行靶向突变确定候选基因Zm00001d019294导致该突变表型。Dek54编码一个与ZmNRT1.5 (nitrate transporter)具有较高同源性的 MFS (major facilitator superfamily)家族蛋白并定位在玉米原生质体的细胞质膜。该研究为揭示dek54在玉米籽粒发育的分子机制奠定了重要基础。     

一个新的玉米Bt2基因突变体的遗传分析和分子鉴定

玉米籽粒发育调控机制的研究对于玉米产量与品质性状的遗传改良十分重要。本研究鉴定了一个新的转座子插入的籽粒皱缩突变体5601Q,遗传分析表明其籽粒缺陷稳定遗传且为单基因隐性突变。构建其B73背景的F2分离群体,通过图位克隆将该突变定位于玉米4号染色体上60.19～62.58Mb的区间。基因注释分析发现,区间内存在一个已报道参与玉米籽粒发育的基因BRITTLEENDOSPERM2(Bt2),其编码玉米胚乳淀粉合成途径中的一个限速酶——腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)的小亚基。籽粒储藏物质分析表明,该突变体百粒重及淀粉含量显著降低,但可溶性糖含量增加为野生型的4.67倍。利用本实验室已确定的Bt2基因突变体1774与5601Q进行等位测验,确认了5601Q是Bt2的一个新的等位突变体。分子鉴定表明,5601Q突变体中Bt2基因的第2个外显子存在一个Mutator 19转座子的插入。综上, 5601Q籽粒发育缺陷是由Bt2基因的突变导致,本研究为解析玉米Bt2基因在胚乳储藏物质积累中的作用机制提供了新的种质资源。     

玉米籽粒突变体smk7的表型分析和基因定位

利用甲基磺酸乙酯(EMS)对玉米自交系B73进行诱变,获得一个可以稳定遗传的小籽粒突变体smk7(small kernel 7)。smk7成熟籽粒表现为体积变小,胚和胚乳发育缺陷,百粒重显著降低。突变籽粒发芽率仅为10%,且幼苗黄化不能生长成正常植株。成熟smk7胚乳中淀粉、蛋白、油分含量与野生型籽粒相比无显著差异,但突变体胚乳淀粉粒体积明显变小且形状不规则。smk7突变籽粒在授粉后12 d即可观察到明显的小籽粒和空瘪表型,石蜡切片显微观察显示突变籽粒的胚和胚乳发育迟缓,胚乳基部转移层细胞(BETL)相对于野生型细胞壁向内生长减少,发育受阻。用杂合植株(+/smk7)与多个自交系分别杂交,构建不同背景的F2分离群体,遗传分析结果表明该性状受单隐性核基因控制。利用靶向测序基因型分型(genotyping by target sequencing,GBTS)技术将基因初定位于2号染色体短臂,进一步精细定位发现该基因位于RM1433917和RM1535316两个标记之间约120 kb的物理范围内,共有8个蛋白编码基因。本研究为进一步克隆和解析SMK7基因调控玉米籽粒发育的分子机制奠定了基础。     

玉米缺陷型籽粒突变体的遗传分析及突变基因dek1-T7的定位

突变体是功能基因组学研究和分子育种的重要材料。自然条件下,在玉米自交系M08649中发现一个突变穗,其突变表型表现为凹陷,没有胚以及胚乳,不能发芽并繁殖后代的缺陷型籽粒(defectivekernel)。利用出现籽粒突变自交系M08649的杂合体与正常自交系齐319构建分离群体对突变体进行遗传分析,共有85个F2代自交穗具有突变籽粒,38个F2代自交穗表现为正常,统计分析发现其符合2:1的分离比例。同时在85个具有突变籽粒的穗子中,共有9961粒正常籽粒和3217粒突变籽粒,符合3:1的分离比例,初步证实自交系M08649中控制籽粒发育的突变基因属于单个基因的隐性突变,暂命名为dek1-T7(t)。利用SSR分子标记将该基因初步定位在第1染色体的短臂上1.03区,位于SSR标记bnlg2204和Hkf1-3之间,两个标记之间的物理距离为1.78Mb。本研究结果为该基因的克隆和功能分析奠定了基础。     

玉米穗发芽突变体vp-like8的遗传分析及突变基因鉴定

玉米突变体vp-like8具有明显的穗发芽性状且能稳定遗传,遗传分析表明该突变性状受隐性单基因控制。用vp-like8与自交系郑58杂交构建F2遗传定位群体,利用BSR-Seq方法,将基因初定在玉米第3染色体160.4 Mb～165.6Mb区间内。参考玉米基因组信息,发现已报道的穗发芽基因Vp1位于此定位区间内。分别利用vp1、vp-like8的杂合突变体进行等位测验,发现杂交后代中正常与穗发芽籽粒符合3∶1遗传分离比。经序列分析,发现vp-like8突变体中Vp1基因在第2内含子有343 bp碱基的缺失,且第3内含子有222 bp重复序列的插入,而已报道的vp1突变体只在第2个内含子有343 bp碱基的缺失。通过实时定量PCR检测发现,与正常籽粒相比, vp-like8与Vp1突变籽粒中Vp1基因的转录水平均明显降低。以上证据表明, vp-like8是一个新的Vp1基因等位突变体。     

水稻胚胎和胚乳双缺陷突变体eed1的表型与遗传分析

从由化学诱变剂甲基磺酸乙酯(ethylmethane sulfonate,EMS)处理的粳稻品种中花11突变体库中,筛选到一个可稳定遗传的胚胎和胚乳发育缺陷的突变体,命名为embryo and endosperm defective 1 (eed1)。eed1籽粒千粒重、颖果的粒长、粒宽、粒厚、萌发率、总淀粉、直链淀粉和贮藏蛋白系列指标较野生型均显著降低。eed1颖果严重皱缩,且胚乳呈粉质。利用扫描电镜观察发现,与中花11相比, eed1胚乳中淀粉粒排列疏松,多以单一、分散的淀粉粒存在,且呈近似球形。eed1胚胎结构异常,部分颖果未见有胚胎分化的痕迹。qRT-PCR发现, eed1胚乳中参与淀粉和贮藏蛋白合成的大部分基因表达下调。利用eed1与籼稻南京6号杂交得到的F2分离群体进行基因定位分析,将EED1定位于9号染色体长臂672kb的范围内,包含114个开放读码框。本研究为进一步解析EED1基因调控水稻胚胎和胚乳发育的机制奠定了基础。     

一个新的玉米silky1基因等位突变体的遗传分析与分子鉴定

前期试验发现一个玉米雄性不育突变体(male sterile mutant),命名为msm-6。经过连续多代杂合单株自交发现该突变体性状能稳定遗传,遗传模式分析表明该突变体为单个隐性1核基因控制。以msm-6与自交系B73杂交构建F2遗传定位群体,利用BSA (Bulk Segregant Analysis)方法,筛选到与msm-6位点连锁的4个SSR标记,即C6-24、C6-30、C6-34和C6-40。进一步采用444个F2单株对这4个连锁标记验证,将msm-6定位于标记C6-24与C6-34之间,即玉米第6染色体68.5～98.1 Mb之间。通过基因组序列信息分析发现,在此定位区间内存在一个已报道的Silky1基因。Silky1基因编码MADS-BOX蛋白,是参与花器官建成ABCD模型的B功能基因,该基因的突变会造成雄花不育、雌花花丝增多等表型。利用杂合体+/silky1-mum3与纯合突变体msm-6/msm-6杂交进行等位测验,杂交后代中正常植株与突变植株分离比例符合1∶1。基因组序列以及转录本序列分析发现,msm-6突变体中第6个内含子5'端供体位点AG/GTAAG (外显子/内含子交接处)的序列+1位G突变为C,导致第6外显子被错误剪切掉,产生了第6个外显子缺失的Silky1异常转录本。以上实验证据表明,msm-6与所报道的由mutator转座子插入造成的Silky1突变体silky1-mum2、silky1-mum3和silky1-mum4的突变方式不同,是一个新的Silky1基因等位突变体。msm-6的发现与鉴定为进一步深入解析玉米穗花器官决定的遗传机制提供丰富的实验材料,同时也为RNA加工过程中剪接位点保守性提供重要证据。     

一个新的玉米Vp15基因等位突变体的遗传分析与分子鉴定

在玉米繁种过程中发现一个玉米穗发芽突变体(viviparous), 命名为vp-like4。经过连续多代自交发现该突变体性状能稳定遗传, 并且表现为隐性单基因控制。以vp-like4与自交系Mo17杂交构建F₂遗传定位群体, 利用BSR-Seq方法, 将目的基因定位于玉米第5染色体173.8~175.6 Mb之间。通过基因组序列信息分析发现, 在此定位区间内存在一个已报道的Vp15基因。Vp15基因编码钼喋呤合酶小亚基, 参与类胡萝卜素裂解为ABA的过程。利用2个独立的vp15突变体vp15-umu1和vp15-DR1126的杂合体, 分别与vp-like4突变体杂合体做杂交进行等位测验, 发现杂交后代中正常籽粒与穗发芽籽粒比例符合3∶1分离比。基因组序列分析发现vp-like4突变体中Vp15基因在第2外显子末端及3°非翻译区有60个碱基的缺失, 与所报道的vp15突变体vp15-umu1、vp15-DR1126均在第2个外显子有Mutator转座子插入的突变方式不同。进一步通过RT-PCR检测发现, vp-like4突变体中Vp15基因的表达量显著降低。以上实验证据表明, vp-like4是一个新的Vp15基因等位突变体。     

水稻单倍体诱导基因Os MATL突变体的创制与分析

MTL基因是玉米中控制单倍体诱导性状的关键基因,该基因在作物中的功能高度保守。OsMATL是MTL在水稻中的同源基因,已有研究证实该基因的突变可以诱导水稻单倍体产生,但不同遗传背景下,OsMATL基因的突变效应有待明确。本研究以日本晴(粳稻)和华航48(籼稻)为材料,利用CRISPR/Cas9技术对OsMATL基因启动子区和编码区的不同位点进行编辑,成功获得OsMATL基因不同遗传背景系列突变体。分析了不同突变位点对结实率的影响,发现OsMATL基因编码区突变后结实率为2%~15%,且存在不同类型的败育籽粒,而启动子区域的大片段缺失对结实率没有显著影响;此外,籼稻背景突变体的结实率高于粳稻突变体。本研究创制的不同类型OsMATL突变体为进一步研究水稻孤雌生殖单倍体诱导的机制提供了基础材料。     

水稻圆粒基因RS的鉴定和定位

阐明水稻籽粒大小相关基因的遗传和分子机制对水稻产量形成具有重要意义。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)诱变粳稻品种"宁粳3号"筛选获得圆粒突变体round seed (rs)。遗传分析表明,突变体rs圆粒表型由单隐性核基因控制。颖壳扫描电镜观察发现,rs籽粒变圆主要是细胞数目改变导致的。在突变体rs中,细胞周期相关基因的表达较野生型显著升高。将RS定位在第3染色体短臂标记RM3413与N3-5之间,物理距离约589 kb。RS突变影响BR信号途径,改变了粒型相关基因的表达。本研究有助于阐明水稻籽粒发育的分子机制。     

玉米籽粒突变体dek101的表型分析和精细定位

As the storage organ of maize, kernel development and accumulation of storage production directly determines maize yield and quality. In this study, a stable defective kernel mutant, named as defective kernel 101 (dek101), was identified during the development of double haploid (DH) lines in maize. The dek101 kernels displayed severely shrunk kernel appearance, significantly reduced kernel weight, lethal embryo, defective endosperm and were incapable of germinating. The dek101 showed obvious developmental abnormalities at 12 days after pollination (DAP). The fresh weight, dry weight and volume of the kernels were no longer increased after 21 DAP. Scanning electron microscopy (SEM) observation revealed that the starch granules of dek101 were significantly smaller compared with wild-type kernels. Genetic analysis demonstrated that the mutant trait was controlled by a recessive single gene. Using 441 F₂ individuals and 1648 F₃ individuals, dek101 was narrowed down to a genomic region of about 300 kb between the InDel marker IDP2182 and IDP4600 on chromosome 1, which contains five predicted genes. These results laid the foundation for mining functional genes related to maize kernel development and deciphering the mechanism of grain development.     

玉米籽粒突变体smk7的表型分析和基因定位

In this study, a stable small kernel mutant, named small kernel 7 (smk7), was isolated from ethylmethane sulfonate (EMS) mutagenesis of maize inbred line B73. Compared with wild type, the smk7 mutants showed smaller kernel size, defective embryo and endosperm development and a significant decrease in 100-kernel weight. The smk7 kernels showed a low level of germination rate at 10% and cannot grow into normal plants. No significant changes were detected in protein, starch and oil content between mature wild type and smk7 kernels, but the starch grains became significantly smaller and irregular in smk7 kernels compared with wild type. The smk7 kernels could be clearly distinguished from the wild type as early as 12 days after pollination (DAP), on the basis of their smaller and emptier phenotype. Microscopic inspection of the paraffin sections revealed that the development of embryo and endosperm were delayed, and the cell wall in growth in basal endosperm transfer layers (BETL) were arrested in smk7 compared with wild type. The F₂ populations with multiple backgrounds were constructed by crossing heterozygous plants (+/smk7) with several other inbred lines. Genetic analysis showed that the mutant phenotype was controlled by a single recessive gene. Based on genotyping by target sequencing (GBTS) strategy, the SMK7 was initially mapped on the short arm of chromosome 2. The fine mapping results suggested that SMK7 was located between markers RM1433917 and RM1535316, with a physical distance of 120 kb. There were eight protein-coding genes in this region. This study laid a foundation for further genes cloning and research of the SMK7 function in regulating maize kernel development.     

水稻甜质胚乳突变体m5788的鉴定及基因定位

胚乳发育是种子形成的关键,其决定水稻的外观品质和食味品质。m5788是从粳稻品种中花11的组织培养后代中发现的甜质胚乳突变体,其籽粒皱缩,千粒重与穗粒数均显著降低,淀粉合成受阻,可溶性糖含量显著增加。通过对m5788与IRAT129杂交产生的F₂代群体分析表明,甜质胚乳性状受1对隐性核基因控制。对569个F₂隐性极端单株进行连锁分析和定位,将目的基因定位在8号染色体长臂端Z8-25.8和Z8-25.9之间110kb的区域内。该区间内存在1个与玉米甜质基因Sugary 1氨基酸序列相似性高达82.2%的基因LOC_Os08g40930,编码一个属于淀粉去分支酶（DBE）途径的异淀粉酶ISA1。测序结果表明,该基因序列和启动子在野生型和m5788中不存在碱基差异。qRT-PCR分析结果表明,与野生型相比,突变体中LOC_Os08g40930的表达量明显降低。同时,DBE途径中支链淀粉酶的编码基因表达量也显著降低。因此,m5788携带的isa1基因是一个新发现的等位变异。     

杂交水稻主要亲本材料的垩白性状及其胚乳结构电镜扫描

【研究目的】针对杂交稻米品质问题，研究杂交稻亲本垩白形成与胚乳细胞形态结构和发育以及与淀粉粒之间的关系，为进一步研究杂交稻米高垩白形成机理奠定基础；【方法】对几个应用面积较大的杂交稻主要亲本和两个米质对照品种，按GB/T17891-1999方法调查其垩白性状，对其米粒胚乳结构和淀粉粒的采用扫描电镜观察分析；【结果】亲本材料间垩白性状差异首先表现在垩白率上，其次为垩白度，最后为垩白面积。高垩白的保持系和桂朝2号垩白主要发生在中、腹部，而相对低垩白的恢复系主要在中部，腹白少或无。垩白度与垩白率间存在明显的线性关系，与垩白面积无明显相关性。淀粉粒在米粒横断面上分布的均匀性与垩白率和垩白度有较大的相关性，分布越均匀则垩白率和垩白度越小；而长方柱状细胞层数和多少与垩白率和垩白度有一定的相关性但不明显。5个恢复系和3个保持系垩白米粒的背部淀粉粒普遍发育良好而中部较差；保持系与恢复系的差异主要表现在腹部淀粉粒的发育形态上。【结论】杂交稻保持系与恢复系的垩白发生部位有所差异，垩白形成与其淀粉粒的分布有重要关系；中、腹部淀粉粒发育异常容易产生垩白，主要受胚乳细胞生理发育规律的影响。     

水稻短根白化突变体sra1生理生化分析及基因定位

叶色突变体是研究光合作用及叶绿素合成与降解途径的理想材料,有助于了解高等植物叶绿体发育和光合作用的调控机制。利用甲基磺酸乙酯(EMS)处理西农1B,获得一个短根白化突变体sra1 (short radicle and albino 1),从出芽至第三叶期叶片始终为白色,胚根较同时期野生型明显变短。对相同位置的叶片观察发现,西农1B叶肉细胞叶绿体含量丰富且膜系统发育完整,而sra1叶肉细胞液泡化严重,叶绿体数目明显减少或没有,基粒类囊体垛叠松散且稀少。生理生化分析发现sra1叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量接近于零,净光合速率为负值。遗传分析表明该短根白化表型由单个隐性核基因控制,最终将SRA1定位于水稻第3染色体长臂InDel标记Z-20和Z-42间,物理距离约657 kb,是一个未报道的新基因。     

水稻窄叶突变体nal20的表型分析与基因定位

叶片作为植物光合作用的主要器官, 其面积的大小影响着光能利用率和最终产量。为了研究水稻叶片形态建成的分子机制, 利用 ⁶⁰Co-γ射线诱变粳稻品种春江06, 在M₂代中得到1份窄叶突变体, 命名为narrow leaf20 (nal20)。该突变体叶片变窄、株高降低、分蘖增多、茎节间缩短、抽穗期提前。本研究重点调查了3片功能叶的形态, 发现突变体叶片宽度减少了50%, 叶片长度变化较小。细胞学观察表明, 叶片变窄主要是由于表皮细胞数目的减少, 而细胞大小变化不大。遗传分析表明, 该突变体表型受1对隐性基因控制。利用具有多态性的InDel分子标记及nal20与Dular配制的F₂定位群体, 将该基因定位于第7染色体着丝粒区1.9 Mb范围内。二代测序结果表明, 在该范围内有455 kb的大片段缺失。本研究结果为窄叶基因NAL20的克隆和功能分析奠定了良好基础, 也为水稻株型改良提供了基因资源和育种材料。     

水稻类病斑早衰突变体lmps1的表型鉴定与基因定位

经甲基磺酸乙酯(EMS)诱变优良籼型水稻恢复系缙恢10号,获得一个稳定遗传的水稻类病斑早衰突变体lmps1(lesion mimic and premature senescence 1)。该突变体苗期表型正常,分蘖早期出现褐色类病斑,且斑点数目随植株生长而增多,孕穗期叶片开始萎黄衰老。与野生型相比,突变体lmps1的每穗总粒数下降8%(P0.05),株高、穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率以及千粒重分别下降14.3%、24.3%、27.2%、50%、45.7%与14.5%,差异均达极显著水平(P0.01)。遮光处理表明,突变体lmps1的类病斑性状受光照诱导。孕穗期叶片光合色素含量下降且光合效率降低, H2O2含量增加,抗氧化酶SOD和CAT的活性显著降低。透射电镜观察结果显示,突变体lmps1叶肉细胞中叶绿体数目减少,叶绿体的类囊体片层结构损伤降解。qRT-PCR结果显示,突变体lmps1中防卫反应相关基因除POX22.3表达量降低外,POC1、PAL、PBZ1、PR1、NPR1、PR5表达量均极显著高于野生型。遗传分析表明突变体lmps1的类病斑早衰性状受1对隐性核基因控制,利用西农1A与突变体lmps1杂交所得F2群体中的突变株,将目标基因定位于第7染色体长臂端粒附近约167.3 kb的物理区段内。     

水稻矮化宽叶突变体osdwl1的生理特性和基因定位

Plant height is one of the important factors affecting rice lodging. The semi-dwarf rice varieties possess high level of lodging resistance, and could reduce yield loss and improve grain quality. Thus, it is very important to study the molecular and physiological mechanism of dwarf formation in rice. In this study, a stable hereditary dwarf and wider-leaf mutant osdwl1 was obtained from ⁶⁰Co γ-radiated indica restore line Zixuan 1, and its morphological and physiological characteristics, cytological observation, genetic analysis and gene mapping were investigated. Under field condition, the mutant osdwl1 exhibited dwarf and wider-leaf after the tillering stage due to shorter length of the parenchyma cells, and its panicle length and all internodes length were significantly shorter compared with wild type plants at mature stage. Paraffin sections and scanning electronic microscopy (SEM) observation revealed that the number of small vascular (SV) bundles and the distance between SVs increased significantly, resulting in wider-leaf blade in osdwl1. Moreover, the number of microhairs on the abaxial and adaxial epidermis were also increased significantly in osdwl1. In addition, starting at the 3-4 leaf seedling stage, yellowing was visible at the upper middle parts of old leaves in osdwl1. Physiological analysis and transmission electron microscopy (TEM) observation indicated that the lamellar structure of chloroplast was distorted and began to collapse in some mesophyll cells, which led to the reduction of total chlorophyll contents, net photosynthetic rate and F_v/F_m ratio of the second and third leaves from top in osdwl1 at the heading stage. Relative to the wild type plants, the soluble protein content, catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) activities were significantly decreased, which in turn resulting in the accumulation of H₂O₂ and O₂^-, and a steady increase of malondialdehyde (MDA) contents in the mutant leaves. Genetic analysis and gene mapping showed that osdwl1 was controlled by a single recessive nuclear gene, located in a region of 333 kb between SSR marker RM19297 and the InDel marker ID269-2 on the short arm of chromosome 6. The results would further facilitate the cloning and functional analysis of OsDWL1 gene.