水稻种子耐储藏性状QTLs挖掘及候选基因分析

为挖掘水稻种子耐储藏性状相关基因,分别以华占(HZ)/热研(Nekken2)和天丰(TF)/热研(Nekken2)为亲本杂交产生F 1代,连续自交多代后得到的2套重组自交系(recombination inbred lines,RILs)群体为实验材料,统计2套群体分别储藏1年和2年的发芽率及其比率数据.利用实验室前期已构建好的分子连锁图谱,对水稻种子耐储藏性状的QTLs进行初步定位分析.结果表明:在HZ-RIL中检测到10个QTLs,分布于水稻第1,2,4,6,8和10号染色体上,其中位于8号染色体上的1个QTL位点LOD值高达5.48;在TF-RIL中同样也检测到10个QTLs,分别位于水稻第2,4,8,9,10和11号染色体上;对检测到的QTLs区间进行候选基因的筛选和分析,共筛选到可能与水稻耐储藏性状相关的11个候选基因.以上结果为挖掘新的水稻耐储藏基因及分子育种实践提供了物质基础,对培育水稻耐储藏优良品种具有重要意义.

水稻耐盐的生理机制与遗传育种研究进展

水稻作为世界上重要的粮食作物之一,面临着土壤盐碱化加剧、可用耕地面积减少等问题.盐胁迫已经成为影响水稻生长发育及高产、稳产的非生物胁迫主要因素之一,因此,培育具有耐盐胁迫能力的水稻品种在水稻育种方面具有现实意义.近年来,数量遗传及分子标记技术不断发展,通过遗传、生化及分子生物学等手段,水稻耐盐胁迫的相关基因或数量性状位点(quantitative trait loci,QTLs)被不断发掘.在前人的研究基础上,综述了水稻耐盐胁迫的调控机制及相关遗传育种的研究进展,并结合现有研究状况剖析了水稻耐盐胁迫育种中面临的问题,以期为提高水稻耐盐性和耐盐胁迫水稻品种的培育提供重要的理论依据.

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H_(2)O_(2)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。

水稻糙米率QTL检测及候选基因分析

为挖掘水稻糙米率相关基因,以粳稻品种热研(Nekken)为母本,籼稻品种华占(HZ)为父本,杂交获得F_(1)代,连续自交多代后得到120个重组自交系(recombination inbred lines,RILs)群体,以其为实验材料,称出糙米质量,计算糙米率.利用已构建好的高密度遗传图谱,对水稻糙米率的数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)进行定位分析.结果表明:共检测到4个QTL,分别位于水稻第5,8,10,12号染色体上;同时,对这些区间的候选基因进行筛选和分析,并通过qRT-PCR验证发现,LOC_Os08g01450基因很可能是影响水稻糙米率的新基因.这些结果为挖掘新的糙米率基因提供了新线索.

水稻根系性状QTL定位及候选基因表达分析

为发掘水稻根系性状相关基因,以籼稻品种华占(HZ)为父本、粳稻品种热研(Nekken2)为母本,杂交并衍生得到的重组自交系(recombination inbred lines,RILs)群体为实验材料,通过扫描测量重组自交系在三叶期时根系的性状.在已构建好的均匀分布于12条染色体的高密度遗传图谱基础上,对水稻根系性状的QTL进行初步定位及分析.结果表明:共检测到3个与总根长相关的QTL,分别位于水稻第2,5,10号染色体上,3个与根表面积相关的QTL,分别位于水稻第2,4,5号染色体上,6个与根平均直径相关的QTL,分别位于4,5,9,10和11号染色体上;其中总根长与根表面积QTL在第5号染色体上区间重合,根表面积与根平均直径QTL在第4号染色体上区间重合;同时对检测的QTL区间内的候选基因进行筛选、归纳和分析,并通过qRT-PCR分析,发现总根长LOC_Os05g40180基因、根表面积LOC_Os11g24240基因、根平均直径LOC_Os04g52030基因很可能是影响水稻根系性状的新基因.以上结果为发掘根系性状、培育理想株型进而提高水稻产量及品质的影响具有一定的参考价值.

基于CRISPR-Cas9基因编辑技术在作物中的应用

CRISPR-Cas9系统是由成规律的间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeat,CRISPR)及其相关蛋白构成,广泛存在于细菌和古细菌中,该系统作为一种特异性免疫保护,可抵御病毒、噬菌体的二次侵染。CRISPR-Cas9技术是继锌指核酸酶(zinc finger nucleases,ZFNs)和类转录激活因子效应物核酸酶(transcription activator like effector nucleases,TALENs)技术之后的第三代新型靶向基因组编辑技术。CRISPR-Cas9技术具有灵活、高效、生产成本低且特异性高等优点,极大地促进了基因功能方面的研究。CRISPR-Cas9技术经过不断的完善和发展,目前该技术已广泛应用在各个领域。本文介绍了CRISPR-Cas9技术的产生、工作机制及优势;综述了CRISPR-Cas9技术在基因敲除、基因敲入、基因调控和基因组方面的应用以及在水稻、小麦、玉米、大豆和马铃薯等重要粮食作物以及对作物驯化的应用;分析了CRISPR-Cas9技术目前面临的问题和挑战,并展望了CRISPR-Cas9技术的发展及应用前景。

水稻叶绿素含量QTL定位与候选基因表达分析

水稻(Oryza sativa)是我国主要粮食作物之一。提高水稻叶片叶绿素含量,进而提高其光合作用效率是实现高产稳产的重要途径之一。该研究以父系籼稻品种华占(HZ)、母系粳稻品种热研2号(Nekken2)及其构建的120个重组自交系(RILs)为实验材料,在分蘖期和成熟期分别对亲本及其后代剑叶的叶绿素含量(SPAD值)进行测定,同时基于已构建的高密度遗传连锁图谱进行QTL定位。结果共挖掘到20个与叶绿素含量相关的QTLs(分蘖期7个,成熟期13个),LOD值最高达4.77。利用qRT-PCR方法检测QTL区间内与叶绿素含量相关的候选基因的表达,发现LOC_Os06g11780、LOC_Os06g12360、LOC_Os06g39716、LOC_Os08g42610、LOC_Os02g18500、LOC_Os03g21240、LOC_Os03g21400、LOC_Os03g21780、LOC_Os03g30950及LOC_Os03g40550基因的表达量在双亲间差异显著。结合基因表达量及亲本叶绿素表型数据,推测LOC_Os06g11780、LOC_Os06g12360和LOC_Os08g42610的高表达极大地提高了水稻叶绿素含量,进而有效提高植物光合产能。研究结果为筛选和培育高光能利用效率的水稻新品种提供了有利的遗传资源,并为揭示水稻叶绿素含量的动态变化规律及分子调控机制奠定了重要基础。

DMT1编码一个丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶调控水稻分蘖并参与干旱胁迫响应

水稻分蘖的形成是一个复杂的过程,受到环境及遗传因素的影响,合适的分蘖可以显著提高水稻产量.本研究利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)诱变粳稻秀水11得到一份矮化、多分蘖突变体,将其命名为dwarf and multiple tillers 1(dmt1),并对其进行表型观察,生理生化分析,遗传分析,基因定位和激素处理.结果发现,在dmt1在分蘖期出现株高变矮,叶片面积变小,分蘖数增多等特征.遗传分析表明,该dmt1为单隐性核基因控制,图位克隆的结果显示, DMT1位于第4染色体上,编码一个丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶,是NAL1的等位基因.亚细胞定位的结果表明, DMT1蛋白在细胞核、细胞质和叶绿体上均有表达.为探究该基因突变是否会影响水稻对激素的敏感程度,本研究通过施加外源激素发现dmt1地上部分对NAA敏感程度降低,而地下部分对于GA3敏感程度升高.并且在dmt1中生长素合成相关基因表达量降低.通过干旱处理发现dmt1的耐旱能力下降,在干旱胁迫下dmt1的发芽率降低.由实验可得, DMT1突变会导致植株产生株高变矮,分蘖增多的表型,通过qRT-PCR发现可能是由于生长素合成障碍引起的表型.这为研究水稻分蘖机制的遗传网络提供了新的信息.

水稻籽粒维生素E QTL挖掘及候选基因分析

维生素E(VE)是稻米营养品质的重要指标。水稻(Oryza sativa)是我国种植最广泛的粮食作物,增加其籽粒的VE含量是实现国民营养强化的一条便捷有效的途径。该研究以籼稻华占(HZ)为父本,粳稻热研2号(Nekken2)为母本,构建120个重组自交系(RILs)群体。采用高效液相色谱法(HPLC)对RILs群体的VE各组分含量进行测定,并基于构建的高密度分子遗传图谱进行QTL定位,谱系分析后挖掘到122个VE总量和分量相关QTLs,分布在12条染色体上。其中qT3α/to2-1的LOD值高达10.32,qT3α2-1的LOD值高达9.91,另有多个控制各异构体含量的主效QTLs,且区间内包含OsGGR1、OsGGR2、OsTC及OsγTMT等VE生物合成基因。通过qRT-PCR检测亲本中VE合成基因的表达量,发现在华占中候选基因的表达量均极显著高于热研2号,推测这些基因的高表达是华占生育酚及生育三烯酚含量高于热研2号的原因。研究挖掘到的QTL数目较多,LOD值也较大,为进一步筛选和培育高VE含量的水稻新品种奠定了分子基础,同时为揭示水稻VE生物合成的分子调控机制提供了重要基因资源。

水稻籽粒镉积累QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryzasativa)是全世界重要的经济作物之一,稻田镉(Cd)污染和镉积累问题严重威胁世界水稻的产量和品质以及人类健康,如何降低水稻中镉积累已成为热点问题。以籼稻品种华占(HZ)为父本、粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本,连续自交多代后得到120个重组自交系群体,对其镉积累进行检测和分析,同时利用遗传图谱进行QTL作图。结果共检测到7个QTLs,分别位于水稻第2、3、9和12号染色体上,其中1个LOD值高达4.97。对这些QTL区间内与耐金属离子胁迫相关的候选基因进行定量分析,发现LOCOs02g50240、LOCOs02g52780、LOCOs09g31200、LOCOs09g35030和LOCOs09g37949这5个基因在双亲间的表达量差异显著,结合亲本对不同金属离子的浓度积累数据,推测LOCOs02g50240、LOCOs09g31200及LOCOs09g35030的高表达可能极大地提高了水稻对镉离子的吸收和胁迫耐受能力。通过QTL挖掘和分析,发现这些基因与水稻籽粒的镉积累有关,可能影响水稻耐镉胁迫的能力。研究结果为进一步筛选和培育耐镉胁迫的水稻品种创造了条件,为阐明水稻镉积累的分子调控机制奠定了基础。

水稻黄绿叶调控基因YGL18的克隆与功能解析

叶色突变体往往伴随着叶绿素含量变化及叶绿体结构异常,是研究叶绿体发育与光合作用相关基因功能的重要材料。该研究通过甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻(Oryzasativasubsp.indica)品种华占(HZ)获得黄绿叶突变体,将其命名为ygl18(yellow-green leaf 18)。与野生型相比,黄绿叶突变体ygl18自三叶期起叶片开始变黄且程度不断加深,同时伴随着光合速率与叶绿素含量下降,且结实率、千粒重及有效穗数均显著降低。透射电镜观察结果显示,ygl18的叶绿体结构紊乱,基质片层疏松,发育受到抑制,与叶片出现黄绿色表型一致。遗传分析表明,ygl18突变性状受1对隐性等位核基因控制,这对等位基因位于水稻第3号染色体长臂标记InDel2和InDel3之间115.2 kb范围内。进一步研究发现该突变体表型是编码铁氧还蛋白FdC2的基因LOC_Os03g48040的5’UTR发生突变所致。通过CRISPR转基因实验验证了该基因对表型的控制作用。研究结果揭示了叶色调控网络的遗传基础,可为今后选育高光效水稻品种提供新线索。

水稻叶片水势的QTL定位与候选基因分析

为探究叶片水势(LWP)相关基因在水稻(Oryzasativa)抗旱中的作用及其遗传机制,以热研2号(Nekken2)和华占(HZ)为亲本以及构建的120个重组自交系(RILs)群体为实验材料,对水稻分蘖期叶片水势进行检测,并利用前期基于高通量测序构建的分子遗传连锁图谱进行数量性状基因座(QTL)分析。结果表明,共检测到5个与水稻分蘖期叶片水势相关的QTLs,分别位于第2、3、4、11和12号染色体上,LOD值均达2.5以上,其中位于4号染色体物理距离24066261–30847136 bp内QTL的LOD值高达5.15。对这些QTL区间内与水势相关的候选基因进行定量分析,发现LOCOs02g56630、LOCOs02g57720、LOCOs02g57580、LOCOs04g43730、LOCOs04g46490、LOCOs04g44570和LOCOs04g44060这7个基因在双亲间表达量差异显著。位于4号染色体QTL区间内LOCOs04g46490基因的表达在两亲本间存在显著差异。对基因LOCOs04g46490进行测序分析,发现该基因在两亲本间共存在6处差异,从而导致氨基酸序列的改变。通过QTL挖掘及相关基因表达分析,发现这些基因与水稻叶片水势调控相关,可能间接影响水稻的抗旱性。检测到的QTL位点对水势相关基因精细定位和克隆具有重要参考价值,有助于进一步理解水稻叶片水势的遗传基础,并为培育耐旱水稻新品种提供有利的基因资源。

水稻剑叶形态QTL定位及候选基因分析

叶片是水稻的重要器官,是进行光合作用的主要场所,而叶长、叶宽、叶面积等剑叶形态相关性状能够直接影响叶片的光合效率.研究水稻剑叶形态相关性状的QTL(quantitative trait loci)位点,并通过遗传育种的手段对水稻剑叶形态进行改良,可以为培育理想株型的水稻提供理论依据.本研究以籼稻品种华占(HZ)为父本,粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本,杂交获得F1代后,连续自交多代得到120个重组自交系(recombinant inbred lines,RIL)群体,将其作为实验材料.在相同且适宜的条件下培养后,对水稻分蘖期和成熟期剑叶叶长、叶宽、叶面积等性状进行考察分析,同时利用该RIL群体构建遗传图谱,对水稻分蘖期和成熟期剑叶叶长、叶宽、叶面积性状的QTL进行定位分析,共检测到35个剑叶形态相关性状的QTL.其中包含6个与剑叶叶长相关的QTL(分蘖期5个、成熟期1个),其中一个的LOD值高达6.92;8个与剑叶叶宽相关的QTL(只在分蘖期检测到),其中一个的LOD值高达4.51;21个与剑叶叶面积相关的QTL(分蘖期12个、成熟期9个),其中两个的LOD值分别高达6.37和4.06.对这些QTL区间内与剑叶叶长、叶宽、叶面积相关的候选基因进行定量分析,发现LOCOs02g52040,LOCOs03g46610,LOCOs04g52230,LOCOs04g44150,LOCOs04g52479,LOCOs09g37400,LOCOs12g42020这7个基因在双亲间的表达量差异显著,结合亲本剑叶叶长、叶宽、叶面积的数据结果,推测LOCOs04g52230,LOCOs04g44150,LOCOs09g37400,LOCOs12g42020的高表达可能会促进水稻剑叶的增宽增长,叶面积增大,而LOCOs02g52040,LOCOs03g46610,LOCOs04g52479的高表达可能抑制水稻剑叶的生长.本研究通过QTL分析,挖掘了调控水稻剑叶叶长、叶宽及叶面积的QTL位点,为培育株型优良的水稻新品种提供了参考.

水稻抽穗期QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryza sativa)抽穗期是决定产量和品质的重要性状,在育种、制种及引种驯化过程中发挥重要作用。将热研2号(O.sativa subsp.japonica cv.‘Nekken2’)和华占(O.sativa subsp.indica cv.‘HZ’)杂交获得F_(1)代,经连续多代自交得到120个重组自交系(RILs)群体。在常规水肥管理条件下,对120个RILs株系的抽穗时间进行统计分析。利用已构建好的高密度遗传图谱,对水稻抽穗期相关性状进行QTL定位分析,结果共检测到11个QTLs,分别位于第1、3、4、5、6、8和12号染色体上,其中1个LOD值高达5.75。通过分析QTLs区间内的候选基因,筛选出可能影响两亲本抽穗期的相关基因,并利用实时定量PCR进行基因表达量分析,发现LOC_Os03g03070、LOC_Os03g50310、LOC_Os03g55389、LOC_Os04g55510、LOC_Os08g07740和LOC_Os08g01670共6个基因在双亲间的表达量差异显著,其中LOC_Os03g50310在Nekken2中的表达量比HZ高3.6倍。对双亲间候选基因LOC_Os03g50310进行测序分析,发现该基因在5′UTR、CDS区及3′UTR存在4处差异,其中CDS区的单核苷酸多态性(SNP)差异引发单个氨基酸改变。研究通过挖掘水稻抽穗期QTL位点为进一步克隆水稻抽穗期相关基因和品种选育提供了新线索。