一个水稻白化致死突变基因的精细定位和遗传研究

从粳稻品种日本晴经⁶⁰Co诱变的M₁代材料中发现了一个白化致死突变体,该突变体从萌芽后一直表现白化,3叶期后逐渐衰亡。遗传分析表明,该突变表型受一对隐性核基因控制,将该白化突变体暂定名为 al14。与野生型相比, al14突变体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 al14突变体不能形成完整的叶绿体,只有原片层体结构。对叶绿体编码基因的表达分析发现,突变体中光系统Ⅰ和光系统Ⅱ基因表达明显下调,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,但是PsbN(photosystem Ⅱ protein N)却上调表达水平最高,达到118.23倍。利用 al14 突变体与黄华占杂交获得的F₂代分离群体进行基因定位,将该基因定位于水稻第6染色体上约40 kb的范围。目前,该范围内没有叶色相关基因的报道,可能为一新的调控叶绿体发育的基因。     

水稻白条纹叶及白穗突变体wlp6的鉴定与基因定位

目的 叶色突变体是研究水稻光合作用,叶绿素生物合成和遗传发育调控机理的重要材料。发掘水稻叶色突变体,是水稻功能基因组学研究的重要遗传基础。方法 在昌恢121中发现了一份白条纹叶及抽穗期白穗突变体,经过连续多代自交能稳定遗传,暂命名为wlp6(white striped leaf and white panicle 6)。在南昌分早、中和晚3季播种wlp6与野生型种子,考查了中稻与晚稻的部分农艺性状;测定3叶期、分蘖期、抽穗期叶片及颖壳的叶绿素含量;通过电镜观察抽穗期叶肉细胞发育情况。在光照培养箱中进行温光敏感实验;将wlp6与昌恢121及02428正反交,观察F₁植株表型,对F₂分离群体进行卡方测验,分析突变体遗传规律;以wlp6/02428衍生的F₂群体为材料,利用BSA法进行基因定位。结果 wlp6自第1片叶到成熟,叶片均呈白条纹,抽穗期颖壳及枝梗失绿,高温天气穗转绿。突变体株高、有效穗数和每穗粒数在早稻季和中稻季均显著低于野生型,晚稻季wlp6的结实率和千粒重也显著低降低。叶绿素含量测定表明,wlp6叶片叶绿素含量在不同生育期及不同季均显著低于野生型,早稻和晚稻季种植的wlp6颖壳叶绿素含量也比野生型低。电镜观察抽穗期的叶肉细胞发现,wlp6叶绿体数目减少,体积变小,没有分化出明显的片层结构。温光敏感实验表明,突变体对光照强弱钝感,叶色受温度和日照长短影响,随着温度升高和日照时间变长突变体叶绿素含量有上升趋势。遗传分析表明,该性状受隐性核基因控制,利用wlp6/02428得到的616个F₂单株将WLP6定位于第6染色体短臂InDel标记R-7与R-8间,物理距离137 kb,此区间预测了21个候选基因。经候选基因分析及测序发现,其中LOC_Os06g14620编码一个核糖核酸还原酶小亚基,编码区第142和158位碱基由T替换为C,第288位插入了碱基A,碱基的插入导致翻译提前终止,因此推测LOC_Os06g14620是WLP6的候选基因。结论 LOC_Os06g14620是已经克隆的白条纹叶基因St1的候选基因,推测WLP6与St1等位,但突变位点不同,且表型也有差异。     

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。     

水稻白化转绿和穗顶端退化突变体vpa1的遗传分析和基因定位

目的 通过对水稻转绿和穗顶端退化等突变体的研究,可以鉴定更多与叶绿体发育和穗发育相关的基因。方法 在常规种植条件下比较突变体vpa1（virescent and panicle abortion 1)表型及主要农艺性状差异,利用分离群体分析和图位克隆法进行相关基因定位。结果 突变体vpa1表现苗期白化,并逐渐转绿恢复成正常叶色,抽穗后可明显观查到穗顶端退化表型。vpa1的主要农艺性状除了结实率以外,株高、穗长、每穗实粒数等均较野生型显著下降。遗传分析表明白化转绿和穗顶端退化表型受独立的两个隐性基因控制。控制白化转绿叶性状的Osv16定位于第3染色体RM3441和RM3029之间约125kb物理区间内,区间内未见白化转绿性状相关基因的报道。控制穗顶端退化性状的Ospaa10定位于第1染色体RM11157和RM5972之间,区间内物理距离约190kb,区间内未见穗顶端退化相关基因的报道。结论 Osv16和Ospaa10两个基因的突变导致vpa1的叶色和穗型同时出现变异,为白化转绿基因Osv16和穗顶端退化基因Ospaa10的克隆和功能研究打下了基础。     

水稻温敏转绿突变体osv15的鉴定和遗传分析

【目的】本研究旨在鉴定和克隆水稻温敏转绿新基因,揭示其参与叶绿体发生发育和光合作用的分子机制,为高光效育种提供理论支撑。【方法】利用辐射诱变的方法,从粳稻品种日本晴中筛选获得叶片黄化突变体osv15,并对其表型、农艺性状和遗传方式进行详细分析。构建了突变体与Kasalath的F₂群体,利用多态性分子标记对目的基因进行定位和测序分析。【结果】osv15幼苗期在22℃低温下叶片黄化,叶绿素含量仅为野生型的10%,光化学效率下降,叶绿体结构异常;随着温度的升高,osv15的叶色由黄转绿,30℃时叶绿素含量恢复到野生型的68%,光化学效率和叶绿体发育与野生型相近。在自然环境下,osv15突变体从苗期至成熟期均表现为叶片黄化,且株高、分蘖数和产量等农艺性状与野生型相比差异显著。遗传分析表明osv15突变体的表型由一对隐性核基因控制。将OsV15基因定位到第6染色体多态性标记S4和S5之间84 kb的区间内,定位区间测序发现突变体中编码分子伴侣蛋白的基因Cpn60β1(LOC_Os06g02380)发生单碱基缺失。【结论】osv15是一个新的水稻温敏转绿突变体,Cpn60β1可能为突变基因。     

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。     

水稻穗顶部小穗退化突变体paa1-2的表型与等位基因序列分析

水稻穗顶部小穗退化在水稻生产中普遍存在,严重影响了水稻产量。本文对水稻穗顶部小穗退化突变体paa1-2进行表型观察,同时测序分析突变体paa1-2中已报道的TUTOU1和PAA1基因序列。结果表明,突变体paa1-2穗顶部退化表型是在幼穗发育6期后产生的。突变体paa1-2和野生型的TUTOU1基因序列一致,然而其PAA1基因存在突变,在第1512~1515 bp处存在4个碱基缺失,导致基因移码突变并使得蛋白翻译提前终止,PAA1-2可能是已报道PAA1基因的新等位突变基因。     

一个水稻新型叶色突变体的形态结构与遗传定位

 所用水稻叶色突变体为自然突变,并命名为白淮稻7号,其叶色表型为绿 白 绿,且突变表型只有在移栽等因素引起的机械损伤信号胁迫下才会产生。研究结果表明,叶色转白前,突变体生长态势、叶色、叶绿素a含量和叶绿体超显微结构与野生型差异不大;叶色转白后,突变体总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量都显著低于野生型和叶色转白前,而叶绿体中的类囊体逐渐降解,基粒片层减少、基粒数量明显减少,且在成熟后突变体叶色黄化、植株变矮小。遗传分析表明,突变性状由1对隐性核基因控制。以该突变体与江西1587的F2群体为定位群体,将突变基因定位于水稻第11染色体分子标记L59.2 7和L64.8 11之间大约740.5 kb的区间内。认为该突变基因是一个新的水稻叶色突变基因,暂命名为GWGL。     

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。     

叶枕距标记法研究低温对粳型光温敏核不育系育性转换的影响

用日均温20℃低温处理3个采用剑叶叶枕距标记幼穗发育时期的粳型光温敏核不育系G317S、G321S和G326S,研究低温对不同发育时期粳型光温敏核不育系育性的影响.结果表明:用20℃低温处理3d,3个粳型光温敏核不育系花粉不育度明显降低,平均自交结实率为66.41％;3个粳型光温敏核不育系育性敏感期所对应的剑叶叶枕距为-4 ～4 cm,而剑叶叶枕距＜-4 cm或＞4 cm时,各不育系育性稳定;剑叶叶枕距为-4～ -2 cm和2～4 cm时各不育系不同穗位颖花的花粉不育度比较接近,而剑叶叶枕距为-2～2 cm时,各不育系不同穗位颖花的花粉不育度表现为穗上部＜穗中部＜穗下部.     

水稻淡黄叶突变体安农标810S基因表达量的初步研究

以水稻光温敏核不育系安农810S的自然淡黄叶突变体安农标810S及其野生型为材料，运用cDNA芯片技术，分析突变体和野生型的基因差异表达。结果表明，突变体有40多个与叶绿体蛋白相关的基因表达量明显增加，但是只有一个与叶绿体色素相关的基因即编码衰老诱导叶绿体延缓绿色蛋白（SGR）的基因野生型表达量明显大于突变体，这可能是突变型叶色变黄的原因。     

水稻回交群体剑叶性状综合评价及QTL定位

【目的】通过对水稻剑叶性状的综合评价,明确剑叶相关性状间及与6个农艺性状的关系。检测剑叶相关性状的QTL,为优良株型品种选育,剑叶性状基因的精细定位和克隆奠定基础。【方法】以日本优质粳稻品种越光和葡萄牙粳稻地方种Bertone构建的回交群体两个世代为实验材料,利用BC₃F₁群体基因型构建遗传连锁图谱;测定亲本和BC₃F₂群体各株系剑叶SPAD、剑叶长、剑叶宽,计算剑叶长宽比、剑叶面积;利用隶属函数和标准差系数赋予权重法获得剑叶性状综合评价值(D值),分析其与6个农艺性状间的关系。分别利用单标记分析(SPA)和区间作图(IM)检测水稻剑叶相关性状QTL。【结果】在抽穗灌浆期,两亲本剑叶SPAD值呈现先升高后降低的动态变化。BC₃F₂群体的5个剑叶相关性状变异丰富,总体表现趋向轮回亲本越光。4个剑叶形态性状间相关性均达到极显著水平,与剑叶SPAD的相关性不显著。主成分和逐步线性回归分析表明剑叶宽、剑叶SPAD、剑叶长、剑叶面积是影响剑叶综合评价值(D值)的主要因子。高D值株系的株高、穗长、茎基粗和单株产量均极显著高于低D值株系,两者的分蘖数和有效穗数差异不显著。共检测到18个控制剑叶性状的QTL,分布在水稻第1、4、7和8染色体上,贡献率分布范围为4.00%~28.00%(SPA)和3.41%~27.00%(IM),除qFLSPAD1之外的17个QTL增效基因均来自Bertone。在第8染色体上的RM22720-RM404区间发现1个QTL簇,含6个主效QTL,分别为qFLL8.1、qFLL8.2、qFLA8.1、qFLA8.2、qD8.1和qD8.2。【结论】获得了剑叶宽、剑叶SPAD、剑叶长和剑叶面积4个评价剑叶性状的关键指标;明确了剑叶性状与单株产量之间的正相关关系;检测到18个剑叶相关性状QTL,位于第8染色体RM22720-RM404区间的QTL簇,是影响剑叶性状的1个重要染色体区域。     

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。     

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。     

临界温度双低两用不育水稻的筛选研究

针对目前应用的两用不育系繁殖中可育温度范围较窄的缺点而提出了临界温度双低两用不育水稻（即引起水稻生殖障碍的生理不育临界温度和诱导育性转换的不育临界温度均低）的概念。概述了筛选双低两用不育水稻的理论依据、研究进展和筛选方法。     

水稻黄叶早衰突变体osyes1的生理特性和基因定位

【目的】叶片是水稻进行光合作用最重要的器官。叶色突变体是研究光合作用、叶绿素合成代谢和叶绿体发育的重要材料。【方法】利用⁶⁰Co辐射诱变中籼恢复系自选1号,获得黄叶早衰突变体osyes1。幼苗期对突变体和野生型进行外源H₂O₂处理。抽穗期对突变体和野生型叶片进行超氧化物歧化酶活性、过氧化氢酶活性、活性氧含量、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、叶绿素含量、净光合速率测定以及透射电镜观察。成熟期考查突变体和野生型的主要农艺性状。以osyes1/02428的F₂群体中的隐性单株为作图群体,利用图位克隆方法定位OsYES1基因。【结果】osyes1的突变性状始于3~4叶期,水稻抽穗后,所有叶片均表现为黄叶衰老症状,致使突变体株高、穗长、每穗粒数及结实率极显著低于野生型对照。与野生型对照相比,突变体幼苗对外源H₂O₂更敏感。生理分析表明,孕穗期野生型倒3叶的叶绿素含量、过氧化物酶和过氧化氢酶活性极显著低于倒2叶和剑叶,而突变体的含量则极显著低于野生型且依次极显著降低;与野生型相比,突变体剑叶、倒2叶和倒3叶的丙二醛、H₂O₂和O₂^-含量极显著增加,而可溶性蛋白含量则相反。遗传分析表明,osyes1受一对隐性核基因控制,利用图位克隆技术将OsYES1基因定位于第7染色体短臂的RM21353与RM21384之间,物理距离为708 kb。【结论】由于osyes1叶片过早黄化衰老导致与产量相关的重要农艺性状显著下降。OsYES1基因定位在第7染色体两个SSR标记(RM21353和RM21384)之间的708 kb的物理区间内。     

水稻淡黄叶隐性标记不育系育种进展

概述了杂交水稻种子纯度鉴定的主要方法以及水稻淡黄叶隐性叶色标记不育系的特点和应用价值。自从2006年水稻淡黄叶隐性标记光温敏不育系安农标810S育成以来,以该不育系为标记基因供体,采用常规杂交转育的方法,初步育成了标泰S、标88S、标CS、1166S和H159A等多个淡黄叶标记新不育系。介绍了这些不育系的主要特性及所配部分组合的表现。