水稻穗顶部退化突变体L-05261的遗传分析

稻穗顶部小穗退化降低单株产量,严重影响水稻单产。对穗顶部明显退化材料L-05261的研究表明,小穗退化可能与稻穗内部过氧化氢的积累有关。2个非穗顶部退化品种和2个轻微穗顶部退化品种与L-05261杂交所得F1植株稻穗顶部都呈现穗退化表型,F2群体的小穗退化率均呈连续分布,但表型偏向非穗退化亲本。在组合L-05261×IRAT129F2群体中,顶部小穗退化与非退化单株的比例适合63︰1;同一组合的BC1F1回交群体中,顶部小穗退化与非退化植株比例接近7:1。表明穗顶部小穗退化表型受3对或3对以上显性或部分显性基因控制。利用上述群体中的182个单株,在第3、第4、第5、第8染色体上分别检测到qPAA3、qPAA4、qPAA5和qPAA84个QTL,它们之间不存在互作,合计可解释46.32%的表型变异,其余的表型变异可能是由环境条件的变化造成的。

与SP1互作的水稻穗顶部退化基因qPAA3的精细定位

【目的】水稻顶部小穗退化减少了单穗的总枝梗数和总粒数,严重影响单株产量,是水稻生产上的一个不利性状。因其遗传基础复杂,受环境影响较大,控制顶部小穗退化的相关基因克隆研究报道极少,该不利性状发生的分子机制及其遗传网络还不得而知。对顶部小穗退化基因进行精细定位,可为穗顶部基因的克隆奠定基础;开发的紧密连锁分子标记,也可以运用于分子育种实践,对这一不利性状进行早期识别和淘汰。【方法】首先对小穗突变体sp进行精细定位。用sp分别与粳稻品种ITA182和籼稻品种J160杂交构建2个遗传定位群体。为了研究不同穗退化突变体之间的关系,再以小穗突变体sp和穗顶部退化材料05261杂交,获得农艺性状稳定的拟双突变体(表型与sp相似)。通过连续自交,纯合拟双突变体的遗传背景。再以高代的拟双突变体为非轮回亲本,穗顶部正常品种IRAT129为轮回亲本,构建含有双突变体的BC1F2亚群体。其中一个亚群体14C2017既表现单基因的穗退化性状分离,又出现小穗和穗顶部退化的双突变体表型,被用作顶部小穗退化基因的精细定位材料。【结果】水稻小穗性状是由1对隐性基因(sp)控制的。利用混池方法将SP(t)初步定位于第11染色体分子标记RM26281与RM7391之间;利用新开发的60对SSR分子标记,将其定位在标记sc50和sc66之间。在此区间内设计引物,最终将SP(t)定位在标记sc24和sc66之间,物理距离为54.3 kb范围内。测序结果表明,突变体在该区间内有15.03 kb的大片段缺失,导致基因SP1的编码序列缺失。对拟双突变体的表型分析表明,sp与一个穗顶部退化基因存在互作。利用亚群体14C2017作为克隆与SP1互作基因的遗传分离群体,利用分布于全基因组的239对引物,筛选出在拟双突变体和IRAT129之间有多态的引物114对,将目标基因精细定位于第3染色体SSR标记RM6929和RM1319之间,物理距离为97.3 kb范围内,该候选基因属于早先报道的QTL——q PAA3。【结论】水稻sp的小穗性状是由基因SP1引起的缺失突变。与SP1互作的q PAA3定位于第3染色体SSR标记RM6929和RM1319之间,物理距离为97.3 kb范围内。

利用一个F_(2∶3)单基因分离群体精细定位水稻穗顶部退化基因ATS1

水稻穗顶部退化(PAA,panicle apical abortion)是一种典型的数量性状,极容易受环境条件的影响。Ats1是一个来自于秋光和七山占的染色体片段置换系,先前的连锁分析发现,它在第8号染色体上带有一个穗顶部退化基因ATS1(Aborted Top Spikelet 1),与先前定位的qPAA8位置近似。通过比较北京地区2018年与其他年份的气候差异,以及在不同生长环境条件下Ats1的穗顶部退化表型时发现,穗顶部退化表型与生长环境条件高度关联。在2018年的高温生长条件下,Ats1穗顶部退化程度相对减轻,说明高温降低了Ats1穗顶部退化表型的发生率。此外,通过IRAT129和Ats1杂交配置的F_(2)群体的遗传分析,发现穗顶部退化的遗传分离明显偏离单基因显性遗传的3退化∶1正常的分离比例,说明Ats1置换系中可能还存在其他穗顶部退化基因。基于F_(2∶3)家系群的表型分析,筛选出单基因分离家系18C4013,进一步将ATS1基因定位于57 kb区域内,为最终克隆该基因奠定了基础,其表型鉴定及单基因家系分离的方法可以被进一步用于其他受环境条件影响的复杂性状的基因精细定位。

水稻穗顶部退化基因PAA2的精细定位

鉴定和克隆水稻穗顶部退化突变体新基因,对研究小穗顶部退化的分子机制及克服育种和生产实践中因穗顶部退化引起的产量损失具有重要的理论和现实意义。本研究报道了一个来源于中花11的穗顶部退化突变体,暂命名为Panicle Apical Abortion 2(paa2)。该突变体的穗顶部小穗发育异常、退化,后期退化部分脱落,稻穗形成秃尖,使穗粒数减少。遗传分析表明该突变体受1个显性基因控制。利用群体分离分析法(BSA,bulked segregation analysis)将PAA2基因定位在2号染色体的长臂端L2-33和L2-50之间,物理距离为80 kb的范围内。该研究结果为PAA2基因的图位克隆奠定了基础。

水稻穗顶部退化突变体tutou3的基因精细定位

水稻穗顶部退化在水稻生产中时有发生,影响水稻的穗粒数,严重时会导致水稻产量下降。目前,虽然从水稻穗顶部退化突变体中已经鉴定出了一些基因如PAA1、PAA2、TUT1等,但是对穗顶部退化发生的分子机制的认知仍十分有限。本研究报道了一个穗顶部退化的隐性突变体tutou3的基因定位及克隆结果。该突变体在营养生长时期表现为株高变矮,穗发育后期穗顶部发生严重退化,每穗实粒数、穗长、千粒重极显著降低。遗传分析表明,tutou3受1对隐性基因控制。利用tutou3×IRAT129杂交组合F2分离群体中的856个穗顶部退化极端个体,将基因TUTOU3定位在了4号染色体长臂端的29 kb区间内,测序研究发现,区间内一个编码质膜H+-ATP酶基因LOC_Os04g56160的第8外显子存在1个C→A单碱基替换,导致第608个氨基酸从丙氨酸突变为天冬氨酸。qRT-PCR分析发现,TUTOU3基因在水稻中呈组成型表达,在突变体中该基因表达量下降。诱发穗顶部细胞程序性死亡的基因OsVPE2和OsVPE3在突变体tutou3中表达量极显著上升。对TUTOU3基因的深入研究将会揭示H+-ATP酶在穗顶部细胞的生长发育中的作用,有助于深入阐明穗顶部退化在细胞水平上发生的机制。

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1512~1515bp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。

水稻顶部小穗退化性状的QTL分析

利用水稻籼粳亚种间组合越光与桂朝2号构建的重组自交系群体,在3种环境下对水稻穗顶部小穗退化性状进行了数量性状基因座(QTL)分析。重组自交系群体中穗顶部小穗退化性状的表型均呈连续分布,表现为数量性状遗传,并出现了超亲分离。在RIL群体中共检测到6个QTL,分别位于水稻第1、2、3、5、6和7染色体上,贡献率为4.49%～9.74%。其中,在两地都分别检测到的qASA2位于第2染色体上RM3355―RM263区间;位于第1染色体标记区间RM6451―OSR13的qASA1,LOD值达3.27,其增效等位基因来自桂朝2号。

一个水稻穗部突变体zhao1的遗传和连锁分析

穗顶部退化型在生产中十分常见,它影响穗粒数、结实率和单株产量,需要在育种实践中尽量避免;而直立密穗型是一种能够适应密植栽培的穗型。分离和克隆这两个性状的相关基因对水稻的分子设计育种具有重要意义。本研究报道了一个水稻穗部突变体zhao1的研究结果。zhao1表现为密穗和穗顶部退化的双重表型,利用该材料与IRAT129杂交,F2群体中分离出穗型和顶部退化两个独立遗传的性状。遗传分析表明,直立密穗性状为单基因显性性状,而穗顶部退化性状可能涉及不多于两对的基因。分别对这两个性状开展了连锁分析和图位克隆,发现密穗性状的候选基因为DEP1,其突变方式与dep1的突变方式相同。穗顶部退化性状的连锁和图位克隆结果将穗顶部退化候选基因确定在第3号染色体6.85~6.93 Mb区间内。该区间包含8个推测的基因,其中基因LOC_Os03g12790的表达量下调了27倍,是可能的候选基因,为最终克隆穗顶部退化候选基因奠定了基础。

水稻穂顶部颖花退化T-DNA插入突变体的分子鉴定及表型特征分析

水稻穗部是重要的农艺性状之一,穂顶部颖花退化会导致水稻产量大幅下降。本研究对水稻穗退化T-DNA突变体进行分子鉴定和表型分析,旨在进一步探明水稻穗发育的调控机制。我们从水稻突变体库POSTECH RISD(Rice T-DNA Insertion Sequence Database)中筛选到了3个T-DNA插入突变体,paa1、paa2和paa3。这些突变体中T-DNA分别插入到水稻穂顶部颖花退化候选基因LOCOs04g56160的第1个内含子、第8个外显子和3′端非翻译区。分别在T-DNA插入位点两侧水稻基因组和T-DNA片段上共设计3条引物,利用PCR方法鉴定出paa1、paa2和paa3突变纯合体与杂合体。3个突变杂合体自交后代(T3)植株表型与基因型共分离分析结果显示,paa1及paa2植株的穗顶部颖花退化表型与基因型相吻合,而paa3植株的颖花发育正常。paa2与PAA-Hwa(LOCOs04g56160基因点突变体,表型为穗顶部颖花退化)杂交,F1代植株表现为穂顶部颖花退化。农艺性状调查结果表明,paa1及paa2与对照品种相比在株高、穗长、单株有效分蘖数等所有农艺性状上存在显著差异,然而paa3仅在部分农艺性状上表现差异。以上结果表明paa1和paa2为穗顶部颖花退化T-DNA插入突变体,LOCOs04g56160为水稻穗顶部颖花退化调控基因,该结果为水稻穗发育研究奠定了理论基础。