鸟苷酸激酶OsGK1对水稻种子发育至关重要

【目的】对水稻粉质皱缩突变体fse2进行表型分析及基因克隆,为阐明水稻淀粉合成机制以及胚的发育奠定基础。【方法】fse2来自粳稻品种滇粳优1号的MNU(N-甲基-N-亚硝基脲)诱变突变体库。本研究考查了突变体fse2籽粒的理化性状,利用扫描电镜和半薄切片观察了淀粉颗粒的结构;构建了fse2与N22的F₂群体,通过图位克隆及转基因互补验证确定目标基因;通过qRT-PCR以及GUS活性染色对FSE2进行组织表达分析;免疫印迹分析了突变体中淀粉合成相关基因以及线粒体基因的蛋白变化。【结果】fse2籽粒粉质皱缩,千粒重显著下降;胚乳中淀粉颗粒变小变圆,排列松散,不能形成正常的复合淀粉颗粒;突变体中总淀粉、直链淀粉含量均显著下降,脂肪含量显著上升,突变体淀粉的糊化特性发生明显改变。FSE2编码一个线粒体和质体双定位的鸟苷酸激酶(guanylate kinase),命名为OsGK1。OsGK1在各器官中组成型表达,并在花后6 d的胚乳中表达水平最高。突变体胚乳中淀粉合成相关蛋白水平显著降低,尤其是AGPS2b和PHOI。此外,突变体fse2的胚发育严重受损,导致种子纯合致死;线粒体定位的AOX积累显著增强,而野生型中几乎检测不到,表明线粒体呼吸途径受损。【结论】由于OsGK1的功能缺陷,导致水稻种子中线粒体和造粉体发育异常,进而产生了胚致死以及胚乳粉质皱缩的表型,因此OsGK1对水稻种子的发育至关重要。     

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。     

水稻粉质皱缩胚乳突变体fse4的表型分析与基因克隆

【目的】水稻种子主要以淀粉形式储藏能量。淀粉合成需要多种酶类和调控因子参与，机制较为复杂。本研究利用水稻胚乳发育缺陷突变体，克隆和鉴定新的调控淀粉合成相关基因，旨在为研究淀粉合成及其调控提供理论依据。【方法】从化学诱变剂甲基亚硝基脲（1-methyl-1-nitroso-urea, MNU）处理的宁粳3号(Ningjing 3, WT)突变体库中筛选到一个能稳定遗传的胚乳粉质皱缩突变体，命名为fse4 (floury and shrunken 4 )。与籼稻品种Dular杂交获得F1种子（F2），通过图位克隆的策略确定FSE4候选基因。利用杂合植株（FSE4fse4）分离出的粉质种子，观察形态学特征，分析其理化性质。使用扫描电镜和半薄切片技术观察胚乳结构。使用qRT-PCR和免疫印迹分析淀粉合成相关基因表达模式和淀粉合成相关酶类的蛋白积累量。利用全自动氨基酸分析仪测定成熟胚乳各氨基酸含量。【结果】突变体fse4籽粒宽度、厚度以及千粒重显著下降，同时胚乳中总淀粉、总蛋白、直链淀粉含量亦显著下降，而脂肪含量显著上升；淀粉黏度、崩解值和消减值显著低于野生型。突变体fse4中多为单粒型淀粉颗粒，且排列分散。FSE4定位于第5染色体长臂约252 kb的区间内，测序发现编码Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因 （Delta 1-pyrroline-5-carboxylate synthetase, P5CS）第1外显子上发生单碱基替换，导致一保守的氨基酸发生变异。突变体fse4中大部分淀粉合成相关基因表达量下调，多种淀粉合成相关蛋白积累量减少。突变体fse4米粉中多种氨基酸含量发生显著变化，游离氨基酸含量是其野生型的3.6倍。此外，外源喷施脯氨酸能部分恢复突变体fse4种子萌发缺陷表型。【结论】FSE4编码脯氨酸合成关键限速酶P5CS，该基因对胚乳中氨基酸的合成及代谢起重要的调控作用，并影响淀粉的合成与积累。     

利用CRISPR/Cas9技术编辑AFP1基因提高水稻耐逆性

目的 为鉴定水稻AFP1在非生物胁迫响应中的作用,创制非生物胁迫抗性的水稻新材料。方法 以优异籼稻恢复系华占为转化受体,利用CRISPR/Cas9技术创制afp1突变体,并对afp1突变体的耐逆性进行初步鉴定。结果 AFP1靶点1和靶点2的编辑效率分别为66.67%和75.00%。所有突变株系中,突变类型仅有插入和缺失突变,90%突变株系的突变长度为小片段突变（<5bp）。获得了6种无转基因成分的afp1纯合突变体。正常条件下,afp1突变体株高和结实率降低,有效分蘖增加,穗长显著升高,单株产量在-4.06%和11.75%之间变化。和野生型相比,afp1突变体的ABA敏感性和叶片水分散失率降低,耐干旱、热和渗透胁迫能力提高。结论 编辑AFP1基因可提高水稻多种非生物胁迫抗性。     

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。     

水稻雌性败育基因FA的图位克隆

目的 对水稻胚囊突变体的表型观察、遗传定位和基因克隆,将为研究植物生殖发育奠定理论基础。方法 从粳稻品种宁粳4号突变体库中筛选出一个雌性败育突变体female abortion(fa),对野生型和突变体不同发育时期的胚囊进行细胞学观察并统计胚囊类型。以突变体杂合型为母本,N22为父本构建定位群体,对该表型进行遗传分析,采用图位克隆方法精确定位目的基因。结果 表型分析显示,突变体雌蕊在外观上没有表现出差异,但成熟时植株完全不育。与野生型相比, 该突变体胚囊发育异常,不能形成七细胞八核胚囊结构,而且形成多种类型的异常胚囊。遗传分析表明,该突变性状受一对隐性核基因控制。我们将该基因初定位在第1染色体的分子标记L1和L3之间,通过扩大定位群体,最终将基因定位在分子标记L10和L11之间,物理距离为117 kb。测序分析发现该区间内LOC_{_}Os01g68870外显子上有一个单碱基替换,由胸腺嘧啶(T)替换成胞嘧啶(C),氨基酸由亮氨酸变为脯氨酸,从而导致该表型的出现。qRT-PCR结果显示,相对于OsMADS13、OsAPC6、OsTDL1A基因在突变体fa胚囊中表达量而言,OsDEES1基因在突变体fa胚囊中表达量变化最为显著,FA可能是OsDEES1的上游基因。亚细胞定位结果显示,该蛋白定位于质膜。结论 FA是多孢囊基因MULTIPLE SPOROCYTE 1(MSP1)的新等位基因。本研究进一步明确了该基因对于水稻胚囊发育的重要性,可为探明它所在的调控网络体系提供新的线索。     

两个垩白突变体的鉴定及突变基因的图位克隆

【目的】研究两个水稻垩白突变体胚乳垩白的形成机制,为稻米品质改良提供理论基础。【方法】以从中花11的EMS突变体库中筛选出的两个稳定遗传的垩白突变体eb6、eb7为材料,对其进行农艺性状、稻米理化性质和遗传学分析,并利用eb6与南京11衍生的F2群体对控制垩白的基因进行图位克隆。同时对候选基因的表达模式及淀粉合成相关基因在突变体及野生型中表达情况进行了分析。【结果】与野生型相比,两个突变体胚乳中央部位呈现白色且不透明,淀粉复合颗粒形状不规则且排列疏松,而突变体胚乳边缘部位与野生型无异,都为半透明状,淀粉复合颗粒呈多面体且排列致密。相对于野生型,突变体eb6、eb7成熟种子中的直链淀粉含量和胶稠度显著降低,蛋白质含量显著升高。RVA谱分析显示突变体淀粉黏滞性明显低于野生型。同时,支链淀粉聚合度分析显示突变体eb6中聚合度(DP)小于16的短链显著增加,DP为16~23的中长链显著减少。遗传分析表明突变体eb6、eb7胚乳垩白表型由单隐性核基因控制,并且它们为一对等位突变体。利用突变体eb6与南京11杂交衍生的F2群体将突变体基因定位在第1染色体长臂上物理距离86.6 kb的区间内。该区间包含22个开放阅读框(ORF),其中ORF13编码腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶大亚基2(Os AGPL2)。序列分析发现eb6与eb7分别在Os AGPL2第3、第7外显子上发生1个单碱基替换,并分别导致一个氨基酸替换。RT-PCR及原位杂交结果显示,Os AGPL2主要在水稻发育中的籽粒中表达。同时Os AGPL2的突变导致了多个淀粉合成相关基因在水稻籽粒灌浆过程中的表达模式发生改变。【结论】突变体eb6、eb7籽粒胚乳出现严重垩白表型为Os AGPL2突变所致。本研究进一步证明了Os AGPL2在调控水稻籽粒胚乳中淀粉的合成、淀粉复合颗粒的形成及稻米理化性质的平衡中起着重要的作用。     

超表达蔗糖转运蛋白基因OsSUT1对水稻形态和生理的影响

目的 磷对植物细胞内蔗糖和淀粉合成有重要影响,它们之间的关系还有许多方面有待阐明。方法 本研究利用转基因技术获得OsSUT1超表达材料,通过水培和盆栽实验研究了超表达该基因对蔗糖、磷含量以及植株形态和生理性状的影响。结果 转录水平上的表达分析显示,缺磷诱导OsSUT1在水稻根系中表达。水培实验显示,与野生型相比,正常供磷条件下OsSUT1超表达导致水稻植株地上部蔗糖含量下降,同时水稻植株内的磷含量升高;而在缺磷条件下植株体内蔗糖及磷含量均无显著变化。盆栽实验显示,超表达OsSUT1提高了水稻的分蘖数、有效分蘖数、磷含量、粒长和粒宽。结论 这些结果说明OsSUT1对水稻的蔗糖和磷含量以及种子的生长发育有重要作用。     

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。     

Tryptophanyl-tRNA Synthetase Gene WRS1 Regulates Rice Seed Development

【Objective】Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) are closely related to the transmission of genetic information. Besides translation, aaRSs in plants participate in gametogenesis and embryo development, early plastid development, immune signal perception and disease defense. In this study, we used a rice endosperm defective mutant to analyze the function of tryptophanyl-tRNA synthase (WRS1) during seed development, proving that WRS1 gene encodes a key factor affecting rice endosperm development. 【Method】In this study, a stably-inherited rice floury endosperm mutant (wrs1) was screened from the mutant library of indica cultivar N22 (Oryza sativa subsp. indica) induced by ethyl methane sulfonate (EMS). Map-based cloning and complementation test identified the target gene. Morphological observation and starch physicochemical properties of wrs1 mature seeds were analyzed. Semi-thin sections were prepared to observe the developing endosperm structure with a scanning electron microscope. qRT-PCR and GUS staining were performed to analyze the expression of WRS1. The expression of starch synthesis related genes in the endosperm at 12 days after flowering was determined by qRT-PCR, and these protein expression levels in mature seed were detected by immunoblotting. The free amino acid contents of mature seeds were measured with a fully automatic amino acid analyzer. 【Result】The seedlings of wrs1 were featured by obvious delay in development and finally withered and died. The floury grains isolated from the heterozygous mutant (WRS1wrs1) showed shrunken belly, decreased grain thickness and thousand-grain weight. Total starch contents, the peak viscosity and breakdown viscosity of pasting starch were lower in wrs1. The compound starch granules in developing endosperm of wrs1 were smaller and loosely arranged. WRS1 was restricted to the 183 kb region of the long arm of chromosome 12. Sequencing revealed a single base substitution in exon 6 of the tryptophanyl-tRNA synthetase gene (WRS1), resulting in a substitution of methionine. The expression of most starch synthesis-related genes in wrs1 was down-regulated, while these proteins showed different accumulation levels. The contents of proteins in wrs1 grains were decreased, while free amino acids contents were significantly increased. 【Conclusion】WRS1 encodes tryptophanyl-tRNA synthase. Mutation of this gene affects amino acid homeostasis and protein synthesis in rice endosperm, resulting in abnormal expression of the genes in starch synthesis pathway which affects starch synthesis and accumulation, and eventually lead to seed development defects.     

利用QTL-Seq定位粳稻整精米率QTL

[目的]稻米整精米率是加工品质的重要评价指标之一,其QTL定位将为提升稻米品质提供理论依据.[方法]通过两个粒型相近、整精米率差异极大的粳稻材料构建的F2分离群体为材料,利用QTL-Seq方法对分离群体中的高整精米率单株和低整精米率单株进行混池重测序以定位粳稻整精米率QTL位点.[结果]经过QTL-Seq分析发现在第8...     

利用CRISPR/Cas9技术高效创制长粒香型水稻

【目的】CRISPR/Cas9基因编辑技术已成为水稻分子育种的重要手段。为了促进水稻育种的发展,本研究以非香型粳稻品种龙粳11为试验材料,对GS3、GS9和Badh2基因进行编辑,以期获得能稳定遗传的长粒香水稻材料。【方法】利用CRISPR/Cas9技术,以GS3、GS9和Badh2为靶基因,构建敲除载体pYLCRISPR/Cas9-GS3/ GS9/Badh2-gRNA,通过农杆菌介导法,在龙粳11的GS3、GS9和Badh2基因中引入了特定的突变。【结果】T₂代无转基因的gs3/gs9/badh2纯合突变体与野生型龙粳11相比,粒长增加26.43%~27.01%,单株产量增加10.82%~12.11%,千粒重增加18.34%~41.36%,稻米变香,高效地将圆粒水稻变成长粒香型水稻。【结论】利用CRISPR/Cas9技术获得能够稳定遗传并具有长粒香品质的纯合突变株系,为组合多个品质性状提供了一种方便有效的方法,从育种角度加快了新品系创制过程。     

姊妹系间杂交快速培育优良食味半糯粳稻新品种的育种效果

[目的]优良食味半糯粳稻由于食味品质优良,在长三角地区受到广大农户和消费者的青睐,已成为该地区优质稻米品牌打造的主力品种.为了加快新品种培育速度,我们尝试通过生育期不同的优良食味半糯粳稻姊妹系间杂交的方法培育半糯粳稻新品种.[方法]以来源于武香粳14/关东194的中熟晚粳稻南粳46(全生育期165～170 d)与迟熟中...     

不同籼稻品种对低磷响应的差异及其农艺生理性状

[目的]研究不同籼稻品种对低磷响应的差异及其农艺生理性状.[方法]以12个江苏省近80年来各阶段在生产上应用的具有代表性的中熟籼稻品种为材料,进行全生育期水培种植,设置低磷(磷浓度为标准营养液中磷浓度的1/20)处理,以正常磷处理(标准培养液配方)为对照.[结果]将耐低磷指数作为评价籼稻品种耐低磷性的指标,并将供试品种...     

水稻类病斑突变体lm8015-2的鉴定与基因的精细定位

[目的]为进一步解析水稻抗病分子机制,对类病斑突变体lm8015-2进行了鉴定.[方法]利用EMS诱变籼稻中恢8015,从其后代中鉴定出一个类病斑突变体lm8015-2.对突变体lm8015-2及其野生型的叶片进行超氧化物歧化酶活性、过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢含量、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、光合色素含量...     

不同透明度水稻籽粒横断面扫描电镜分析

摘 要：【目的】探索单淀粉粒断面观察方法,并阐明稻米透明度与直链淀粉含量的关系以及造成稻米透明度下降的淀粉结构基础。【方法】采用扫描电镜对经过不同处理的具有不同透明度的籼稻和粳稻胚乳横断面进行淀粉粒结构观察研究。【结果】籼稻和粳稻稻米的透明度在直链淀粉含量低于15%的软米中明显下降。通过比较不同籽粒横断面断开方式,发现直接机械断裂法无法断开单个淀粉粒,机械断裂加玻璃刀刮刻法可以断开单个淀粉粒但断面结构变形且无法定量分析。液氮脆断法可以观察到单个断裂的淀粉粒以及其中的空腔。比较籼稻和粳稻胚乳横断面淀粉粒的排列方式和单个淀粉粒内部结构,表明所有品种稻米胚乳淀粉粒均规则且紧凑排列,但所有暗胚乳稻米籽粒横断面中淀粉粒内部存在明显的空腔且糯稻淀粉粒空腔的数目和大小均明显高于暗胚乳稻米。进一步通过梯度烘干实验,证明稻米淀粉粒中的空腔数目和大小随着水分的降低而增多和变大。【结论】液氮直接脆断法是观察水稻单个淀粉粒断面的有效方法。稻米透明度与胚乳淀粉粒的排列紧密程度无关而与稻米的含水量以及单个淀粉粒中间的气腔数目和大小直接相关。此外,直链淀粉含量越低,淀粉粒中间的空腔数目越多,孔径越大。