水稻叶缘白化突变体mal的遗传分析与基因定位

植物叶色变化对叶绿体发育和叶绿素生物合成等光合系统结构和调控机制的研究有着重要的理论意义。水稻叶缘白化突变体mal (marginal albino leaf),来源于恢复系缙恢10号(Oryza sativa L.ssp. indica)的EMS诱变群体,经过多代自交,其突变性状遗传稳定。与野生型相比,mal突变体整个生育期叶片边缘白化且叶片变窄,抽穗期倒三叶叶片、倒二叶叶边缘以及倒三叶叶边缘的叶绿素含量极显著降低。透射电镜观察发现,mal突变体叶片绿色部位细胞与叶绿体发育完全,白化部分叶肉细胞大部分中空,无明显完整的细胞器,叶绿体内部完全降解。遗传分析表明该突变体受隐性核基因控制,MAL被定位在第8染色体上SSR标记M22和InDel标记ID27之间,物理距离为171 kb。本研究将为MAL基因的图位克隆及功能研究奠定基础。     

水稻温敏型叶片白化转绿突变体tsa2的表型鉴定与基因定位

水稻温敏型叶色突变体是研究植物光合作用、叶绿体结构和功能以及温度影响叶绿体发育的理想材料。利用甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼型水稻(OryzasativaL.)三系保持系西农1B,从其后代中筛选到一个突变性状稳定遗传的温敏型叶片白化转绿突变体tsa2 (temperature-sensitive green-revertible albino 2)。与野生型相比, tsa2突变表型受温度影响, 22°C条件下萌发的野生型幼苗表型正常,而tsa2幼苗完全白化,且约40%白化苗死亡,存活白化苗的光合色素含量、光合速率均显著降低,成熟期主要农艺性状均显著变劣;在28°C下萌发的tsa2幼苗叶片呈浅绿色并伴有白条纹,其光合色素含量显著降低,光合速率及主要农艺性状差异较小; 32°C下萌发的tsa2幼苗叶片无明显差异。透射电镜观察显示,与野生型相比,tsa2在22°C下叶肉细胞中无叶绿体或存在异常发育叶绿体(尚未分化出基粒和基层),在28°C下部分叶肉细胞含少量发育完整的叶绿体,在32°C下叶肉细胞数量及形态均正常。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析表明,与野生型相比,tsa2突变体中部分光合色素代谢途径基因、叶绿体发育相关基因及光合作用相关基因的表达水平呈不同程度变化。遗传分析表明, tsa2突变表型受一对隐性核基因控制, TSA2被定位于第5染色体SSR标记S5-57和S5-119之间,物理距离为718 kb。本研究为水稻遗传改良及研究温度影响叶绿体发育机制奠定了基础。     

水稻温敏型叶片白化突变体tsa1的表型鉴定和基因定位

一个由甲磺酸乙酯(EMS)诱变宁粳36水稻品种获得的温敏型叶片白化突变体tsa1在低温条件下(20~24°C)表现叶片白化,但在较高温度下(28~32°C)叶色与野生型无显著差异。突变体白化叶片中叶绿素a和类胡萝卜素含量与野生型相比显著下降。显微观察发现突变体白化组织中正常叶绿体数量稀少,包含大量小型的异常叶绿体,进一步用透射电镜观察发现异常叶绿体中无发育完整的类囊体片层结构,表明该突变体中叶绿体发育存在严重缺陷。遗传分析表明该突变性状受单个隐性核基因控制。利用tsa1与南京11杂交所得的F₂群体中的368个隐性极端个体,将该突变基因定位于第5染色体长臂163 kb的范围内。本研究为该基因的图位克隆及功能解析奠定了基础。     

水稻白穗突变体wp7的鉴定及基因定位

水稻白穗变体可用于研究穗部叶绿体发育机制及光合作用机理,进而指导产量性状的改良。在水稻育种材料中发现一个白穗突变体wp7 (White panicle 7),对其进行表型观察、光合色素含量与光合指标测定、显微结构观察、遗传分析和基因定位。结果表明:其抽穗期颖壳白化,枝梗和穗轴绿色。wp7的颖壳叶绿素与类胡萝卜素含量均低于正常材料,而叶绿素a差异最显著,说明白穗wp7叶绿素a偏低造成其颜色异常。wp7白穗净光合速率低于正常绿穗而气孔导度、胞间CO2浓度均高于正常绿穗,表明wp7相关基因突变严重损害穗部光合作用。通过透射电镜(TEM)观察发现突变严重影响叶绿体发育,wp7中白色部分质体数量少且结构异常,无正常类囊体片层,绿色部分的叶绿体片层结构稍有异常。遗传分析表明很可能是两对隐性核基因控制wp7的白化表型。采用回交群体结合InDel标记,将其中一个基因WP7-1定位于第2染色体的C02D089和C02D095之间,其遗传距离分别为1.6和15.5 cM。本研究为WP7-1的克隆和功能分析提供基础,丰富了研究水稻颖壳中叶绿体发育机制和光合作用机理的材料。     

一个水稻黄绿叶突变基因的定位和遗传研究

从粳稻品种日本晴经⁶⁰Co诱变的M₁材料中发现一个黄绿叶突变体, 其叶片从萌发到三叶前期表现白化, 三叶后期开始转为黄绿叶, 直到衰老。遗传分析表明, 该突变表型受一对隐性核基因控制, 将该黄绿叶突变体暂定名为ygl8951。与野生型相比, ygl8951的叶绿素含量与类胡萝卜素含量显著降低。电子显微镜观察表明ygl8951内叶绿体数量明显减少, 叶绿体内没有基粒类囊体, 只有类似间质类囊体结构。基因表达定量分析表明, 突变体中光系统I和光系统II基因表达水平明显下调, 核糖体结构基因和质体编码的RNA聚合酶亚基基因表达明显上调。利用ygl8951与籼稻品种黄华占杂交获得的F₂分离群体, 将该基因定位于水稻第6染色体上的In/Del标记607489与607611之间, 物理距离191 kb的范围内, 通过分析确认该基因为一个新的调控叶色的基因。     

水稻叶脉白化突变体wpsm的遗传分析与基因定位

叶绿素是植物生长发育必不可缺的元件。叶色突变体的发掘与研究在叶绿体发育、叶绿素代谢、光合作用等研究中具有重要作用。利用化学诱变剂EMS诱变水稻(Oryza sativa L.)籼型恢复系缙恢10号,从其后代中筛选出一份突变性状稳定遗传的叶脉白化突变体wpsm (white primary and secondary midrib)。与野生型相比,该突变体苗期表现正常,孕穗后期剑叶、倒二叶、倒三叶整张叶片的主叶脉和次级叶脉白化,叶肉细胞无显著变化,该性状一直持续到成熟期。抽穗期突变体wpsm的光合色素含量极显著低于野生型,净光合速率(P_n)及表观电子传递速率(ETR)极显著降低,株高、每穗实粒数、千粒重、结实率等农艺性状均显著降低。该突变性状受一对隐性核基因调控,利用892株西农1A/wpsm的F₂隐性定位群体,将该基因定位在第6染色体上引物InDel 10与InDel 4之间,遗传距离分别为0.06 cM和0.12 cM,物理距离约为56 kb。本研究为WPSM基因的克隆和功能研究奠定了基础。     

玉米光合突变体hcf136 (high chlorophyll fluorescence 136)的转录组分析

玉米是典型的C₄作物, 其光合作用由花环结构的两种细胞(叶肉细胞和维管束鞘细胞)共同完成。玉米hcf136 (high chlorophyll fluorescence 136)突变体叶肉细胞叶绿体不能形成基粒从而丧失了PSII活性, 但维管束鞘细胞的叶绿体发育不受影响, 是研究玉米C₄光合机理的好材料。本研究利用转录组测序(RNA-Seq)技术, 通过对高光和低光下野生型和hcf136突变体不同叶片部位进行转录组分析发现, PSII相关基因的转录未发生明显差异, 表明PSII复合体的缺失是非转录水平变化所引起。此外, 突变体中淀粉合成受阻, 糖降解、糖转运及Cu²⁺转运等代谢过程加剧, 且一些转录因子表达发生显著变化。该结果对进一步深入研究玉米HCF136基因的功能提供了参考。     

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。     

水稻条斑花叶突变体st(t)的鉴定与遗传定位

利用EMS诱变育成优良籼型恢复系缙恢10号,从其后代中鉴定出一个白色条斑花叶突变体st(t),在三叶期开始表现白斑,拔节期白斑变为不规则线状,一直保持到成熟。突变体叶绿素含量明显下降,类胡萝卜素含量显著升高。透射电镜观察表明,突变体的绿色叶片部位与野生型相比,在细胞结构上无明显差异,叶绿体发育正常;突变体的白化部位细胞结构异常,质体内多含有积聚在一起的嗜锇小球,不能发育出正常叶绿体所具有的类囊体和基质片层结构。遗传分析表明该性状受一对隐性核基因调控,利用1500株西农1A/st(t)的F2隐性定位群体,最终把St(t)基因定位在第6染色体SSR标记RM19745和RM19762之间,遗传距离分别为0.07cM和0.27cM,根据9311基因组序列推测,两标记之间的物理距离约为345kb。这为St(t)基因的图位克隆和分子标记辅助育种奠定了基础。     

水稻条斑花叶突变体生态st(t) 的鉴定与遗传定位

利用EMS诱变育成优良籼型恢复系缙恢10号,从其后代中鉴定出一个白色条斑花叶突变体st(t),在三叶期开始表现白斑,拔节期白斑变为不规则线状,一直保持到成熟。突变体叶绿素含量明显下降,类胡萝卜素含量显著升高。透射电镜观察表明,突变体的绿色叶片部位与野生型相比,在细胞结构上无明显差异,叶绿体发育正常;突变体的白化部位细胞结构异常,质体内多含有积聚在一起的嗜锇小球,不能发育出正常叶绿体所具有的类囊体和基质片层结构。遗传分析表明该性状受一对隐性核基因调控,利用1 500株西农1A/st(t)的F₂隐性定位群体,最终把St(t)基因定位在第6染色体SSR标记RM19745和RM19762之间,遗传距离分别为0.07 cM和0.27 cM,根据9311基因组序列推测,两标记之间的物理距离约为345 kb。这为St(t)基因的图位克隆和分子标记辅助育种奠定了基础。     

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。     

水稻白条纹叶突变体wsl1的遗传分析及基因精细定位

从粳稻日本晴和籼稻R1128杂交衍生的重组自交系群体中获得一个稳定遗传的白条纹叶突变体wsl1(white stripe leaf 1),世代为F10。与亲本R1128相比,突变体wsl1表现出白条纹叶,同时叶脉呈现白化,该性状在苗期就出现并持续整个生育期;突变体的株高、每穗总粒数、剑叶长、生育期显著增加,而结实率显著下降,其他农艺性状没有显著变化。分蘖期突变体wsl1的叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素含量较杂交亲本R1128显著下降;透射电镜观察表明,与野生型相比,突变体的叶绿体形状异常,不规则。遗传分析表明,该突变性状由1对隐性核基因控制。精细定位后发现,目标基因WSL1位于第1染色体短臂上标记M1-54与标记M1-70之间,两者相距89.7kb。生物信息学分析表明候选区间内共有8个开放阅读框,暂未发现已报道的叶色相关基因;其中LOC_Os01g02080编码肽基脯氨酰顺反异构酶,GO(Gene Ontology)分类显示其可能与类囊体形成有关,后续将通过比较测序、qRT-PCR等分子实验来确定候选基因。     

谷子黄叶色突变体ylm-1的精细定位与功能分析

谷子叶色突变体在研究C₄光能利用效率和叶绿素代谢机制方面具有重要作用。为探究谷子叶色突变的分子机制,利用甲基磺酸乙酯（EMS）处理谷子品种豫谷1号,获得1个稳定遗传的黄叶色突变体ylm-1。通过表型和遗传分析及遗传背景检测,同时利用突变位点图谱（MutMap）技术对突变基因进行精细定位。结果表明,ylm-1整个生育期叶色均为淡黄色;ylm-1与野生型遗传背景相同且受1对隐性核基因控制;MutMap精细定位到第9号染色体关联区间内共13个非同义突变基因,其中,Seita.9G249900是一个编码与红叶绿素代谢还原酶（RCCR）相关的基因,该基因位于第9号染色体19 937 988与19 940 620bp之间,含有2个外显子和1个内含子,在第2外显子361bp处发生A/T碱基突变,导致1个谷氨酸（E）变成天冬氨酸（D）。根据突变碱基设计了dCAPS标记,进一步验证了ylm-1候选基因突变位点。黄叶色突变体ylm-1的鉴定与基因功能分析将为该基因的有效利用、功能验证及作用机制研究奠定理论与技术基础。     

水稻黄绿叶基因Yellow-Green Leaf 6 (YGL6)的表达模式与蛋白定位

叶色突变既可作为形态标记用于杂交稻育种, 又是研究光合系统的结构和功能、叶绿素生物合成及其调控机制的理想材料。EMS (ethyl methane sulfonate)诱变籼稻恢复系“缙恢10号”获得1个稳定遗传的黄绿叶突变体, 暂命名为ygl6 (yellow-green leaf 6)。前期我们通过图位克隆筛选出候选基因Os12g23180, 通过遗传互补实验证实了黄绿叶基因YGL6为Os12g23180, BLASTp分析表明YGL6基因编码NAD(P)-结合的Rossmann折叠超家族蛋白质, 属于短链脱氢酶/还原酶家族, 推断为异黄酮还原酶、糖脱水酶或mRNA结合蛋白。利用qRT-PCR进行表达模式的分析表明YGL6基因仅在绿色组织如心叶、成熟叶、叶鞘和绿色颖壳中表达, 尤其以心叶的表达量最高, 同时YGL6基因表达还受光照的诱导。构建亚细胞定位载体, 转水稻原生质体结果表明YGL6蛋白定位于叶绿体。本研究丰富了水稻突变体库, 为YGL6基因的功能分析奠定了基础。     

水稻新黄绿叶基因YGL9的分子定位

叶色突变体是研究高等植物光合作用、叶绿素代谢途径、叶绿体结构与功能分子机制的理想材料。本研究从EMS(ethyl methane sulfonate)处理的缙恢10号(Oryza sativa L.ssp.indica)诱变群体中发现了一个苗期呈现黄绿色、抽穗期渐变为淡绿色的叶色突变体,命名为yellow green leaf 9(ygl9)。与野生型相比,ygl9苗期和分蘖期光合色素极显著降低,抽穗期光合色素显著降低,气孔长度、气孔导度和蒸腾速率极显著增加,净光合速率无明显变化。透射电镜观察表明,ygl9的嗜锇小体增多、基粒模糊、基质片层减少且疏松,但叶绿体结构基本完整。遗传分析显示该突变性状受1对隐性核基因调控。利用西农1A/ygl9 F2群体中的759株隐性单株,最终将YGL9定位在第3染色体短臂SSR标记S03-1和In Del标记Ind03-19之间,遗传距离分别为0.13 c M和0.07 c M,物理距离为63 kb。本研究为YGL9基因的克隆和功能分析奠定了基础。     

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.