水稻颖壳异常突变体ah1的鉴定与候选基因分析

【目的】水稻是世界性的粮食作物,其籽粒形态直接影响水稻的最终产量和营养品质,进而影响其经济价值。此外,水稻花发育与籽粒形态又具有复杂的相关性,探究新的水稻花发育调控基因及其分子调控机制可以为培育籽粒更大、更饱满的水稻品种奠定基础。【方法】在利用甲基磺酸乙酯(ethyl methyl sulfonate,EMS)诱变西大1B(籼稻保持系)得到的突变体库中鉴定到一个颖壳和浆片发育异常且矮化的突变体abnormal hull 1(ah1);观察并统计野生型和突变体的农艺性状;选取各个时期的小穗,对突变体的组织学、形态学变化进行分析;采用ah1和籼稻温敏不育系56S构建F2分离群体,并将其用于遗传分析和基因定位;提取野生型和突变体的幼穗RNA并将其反转录为cDNA,对花发育调控基因和ABA合成关键基因的表达量进行RT-qPCR分析。【结果】农艺性状分析表明,突变体ah1各节间的大幅缩短直接导致其矮化;同时,突变体的小穗畸形严重,结实率极低。组织学和形态学分析发现,ah1小穗主要表现为内外稃、浆片和雄蕊等花器官发生了不同程度的退化,部分严重的小穗出现了花器官特征和花分生组织确定性的改变,且伴随大面积的白化,根据其退化程度的不同可分为一般和严重2种类型。遗传分析发现分离群体中野生型和突变体的比值为3:1,表明ah1突变性状受1个隐性基因控制。AH1定位于第1染色体上的分子标记RM6716和RM128之间,物理距离近8 Mb,对突变体进行重测序分析后发现该区间内的LOC_Os01g53450和LOC_Os01g51860在野生型和突变体之间出现了变异,因此,将这两个基因暂定为候选基因。RT-qPCR分析表明,在突变体幼穗早期发育过程中,各花器官发育调控基因的表达量发生了显著的变化;同时,ABA合成关键基因OsNCED1/OsNCED2/OsNCED3/OsNCED4/OsNCED5的表达严重受阻。【结论】AH1对于维持水稻内外稃等花器官的形态建成起到至关重要的作用,将LOC_Os01g53450和LOC_Os01g51860暂定为候选基因。

水稻穗发育与高产育种

水稻是全球最重要的粮食作物之一,其穗发育对于产量有重大影响。穗部器官主要包括枝梗、小穗和小花;其中,枝梗属于花序结构,其数量、长度和分布等对穗型起决定性作用,并最终决定“每穗粒数”;而小花最外轮花器官颖壳的发育也在很大程度上决定了粒型,进而影响“千粒重”;除此之外,浆片、雌雄蕊等花器官的发育也会决定开花习性、育性等影响“杂种优势”利用的性状[1-3]。

水稻CSSL-Z481代换片段携带的穗部性状QTL分析及次级代换系培育

【背景】粮食安全是保障国家安全的重要基础,水稻是人民赖以生存的主要粮食作物,提高其产量是重要的育种目标。水稻产量由每株有效穗数、每穗实粒数和粒重等性状构成,其中,粒重与籽粒形状、充实程度等密切相关。但这些性状都是由多基因控制,遗传基础复杂。染色体片段代换系(CSSL)可将这些复杂性状的QTL较准确地分解为单个孟得尔因子研究,且与育种工作紧密衔接,因而是理想的遗传研究和育种材料。【目的】前期以4代换片段的水稻染色体片段代换系Z481精细定位了一个易落粒基因SH6,但Z481与受体日本晴间还存在多个显著差异的穗部性状。明晰控制这些差异性状的QTL在代换片段上如何分布,并分解为单片段代换系,对目标QTL的图位克隆及应用于水稻分子设计育种有重要应用价值。【方法】利用受体亲本日本晴与Z481杂交构建的次级F2分离群体以SAS9.3统计软件的混合线性模型(mixed linear model,MLM)法进行穗部性状QTL定位(P<0.05),然后,根据基因型和表型,从F2选择42个单株在F3株系利用MAS法培育单片段及双片段代换系,并利用IBM SPSS Statistics 25.0的ONE-WAY ANOVA和TWO-WAY ANOVA分析及LSD和Duncans多重比较(P<0.05)分析这些单片段代换系(SSSL)和双片段代换系(DSSL)的QTL加性和上位性效应。【结果】以日本晴/Z481构建的次级F2群体共定位出12个控制水稻穗部性状的QTL,并培育出相应QTL的11个单片段代换系(S1—S11)和3个双片段代换系(D1—D3)。其中,有8个QTL(qGL1、qGL3、qGL6、qGW1、qGW3、qRLW1、qRLW3和qRLW6)可被单片段代换系所验证,表明这些QTL遗传稳定。此外,利用单片段代换系鉴定到qGL1-2、qGL1-3、qGL3-2等33个QTL。其中,qNSB1-1等15个可能为新鉴定的QTL。且利用3个DSSL分析了非等位QTL间的上位性效应,结果表明,不同QTL聚合会产生不同的上位性效应,如qGL3(a=1.26)和qGL6-2(a=0.86)聚合产生了-0.77的上位性效应,据DSSL遗传模型,D2的粒长遗传效应(1.35)产生了更长的粒长表型;qGWT3-2(a=3.18)和qGWT6-2(a=3.39)聚合产生了-5.46的上位性效应,则D2的千粒重遗传效应(1.11)产生了更小的籽粒。【结论】Z481的4个代换片段上共携带45个水稻穗部性状的QTL,并进一步分解到11个次级单片段代换系上,单片段代换系具有比F2群体更高的QTL检测效率。利用SSSL和DSSL解析的水稻穗部性状QTL的加性效应和上位性效应,有助于根据这些遗传信息预测设计基因型的表型,从而选择合适的SSSL进行育种设计。

基于水稻长大粒染色体片段代换系Z66的粒型QTL的鉴定及其聚合分析

水稻籽粒大小是一个复杂的农艺性状,受多基因控制。染色体片段代换系是创造自然变异的有效手段,也是复杂性状研究的理想材料。本研究构建了一个新的水稻长大粒染色体片段代换系Z66,Z66以日本晴的基因组为遗传背景,含有来自R225的12个代换片段,平均代换长度为3.32Mb。然后,以日本晴/Z66创建的次级F2群体定位出12个控制水稻籽粒大小的QTL,并培育出具有目标QTL的5个新单片段代换系(S1~S5)和4个新双片段代换系(D1~D4)。其中有9个QTL(qGL3、qGL7、qGL10、qGW6、qGW10、qRLW3、qRLW10、qGWT3、qGWT10)可被单片段代换系所验证,表明这些QTL遗传稳定。此外,还利用单片段代换系鉴定到6个新的QTL(qGL9-2、qGW9-2、qRLW6、qRLW7、qRLW9-2、qGWT7)。在这18个QTL中,qGL9-2、qRLW9-1、qRLW9-2、qGW9-2、qGWT9-2可能是新鉴定的QTL。双基因聚合分析表明,不同QTL间聚合产生不同的上位性效应。如qRLW3(a=0.21)和qRLW9-2(a=0.08)聚合产生了0.10的上位性效应,使D2具有比受体日本晴、S1(qRLW3)和S4(qRLW9-2)更大的谷粒长宽比,且差异显著。qGWT3(a=3.99)和qGWT10(a=3.98)聚合产生了-5.35的上位性效应,其遗传效应(2.62)使D3的千粒重比日本晴显著增加,而比S1(qGWT3)和S5(qGWT10)显著减少。了解QTL间的互作效应可对未来基因型的表型进行预测,从而对实现智能型设计育种至关重要。

水稻籽粒伸长突变体lgdp的鉴定与基因定位

水稻粒形与产量和营养品质密切相关,挖掘水稻粒形发育相关基因并解析其分子机制,对提高水稻产量、改善籽粒营养品质具有重要意义。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate,EMS)处理籼稻品种西大1B,获得了1个水稻粒形突变体,命名为long grain and degenerated palea(lgdp)。lgdp表现出外稃伸长,从而导致籽粒长度增加的特征,进一步扫描电镜分析发现,lgdp籽粒变长主要原因是其外稃细胞数目极显著增加。遗传分析表明该性状受1对隐性基因调控;利用lgdp与ZH11杂交构建的F2分离群体,通过BSA法将目标基因定位在3号染色体分子标记ZLN43和ZLN-1之间,物理距离大约810 kb。通过转录测序和PCR分析初步确认LGDP候选基因编码一个MADS-box基因。qPCR分析表明,LGDP可能通过负向调控GW7/GL7、GS3、TGW6等水稻粒长正向调控因子的表达,从而影响了颖壳细胞数目的增殖,进而影响籽粒长度。本研究结果为应用LGDP基因改良水稻粒形提供了新的资源。

水稻短宽粒基因SWG1的图位克隆

【目的】水稻产量由单位面积有效穗数、每穗粒数和粒重3个因素构成,其中,粒重主要由水稻的籽粒形态决定。筛选和鉴定新的粒型突变材料和基因,可为产量性状的分子设计育种奠定基础。【方法】在籼稻保持系西大1B(XD1B)的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变群体中鉴定到一个短宽粒突变体short and widen grain 1(swg1);分析籽粒形态和其他农艺性状,并对颖壳进行组织细胞学观察分析;运用BSA法进行基因定位;通过遗传互补试验确定候选基因;采用qRT-PCR分析该基因的表达模式及其他粒型相关基因和细胞发育基因的表达水平。【结果】农艺性状分析发现,与野生型相比,swg1突变体粒长显著降低,粒宽显著增加,表现出短宽粒的表型;进一步组织和细胞学分析,发现突变体颖壳纵向细胞变短是粒长变短的主要原因,而粒宽增加是由于颖壳横向细胞数目和细胞大小同时增加。遗传分析结果表明,该突变性状受隐性单基因控制,通过图位克隆与遗传互补验证,确定候选基因为LOC_Os07g42410,编码一个植物特异转录因子。qRT-PCR分析发现该基因表达无明显的组织特异性,在茎、叶、幼穗中表达强烈。通过对已知粒型相关基因、细胞周期和细胞扩展相关基因进行分析,发现通过正向调控颖壳横向细胞数目和(或)细胞大小决定粒宽的GS5和GW8在突变体中上调明显,而正向调控纵向细胞数目和大小并负向调控横向细胞数目和大小的GW7/GL7在突变体明显下调;另外,部分与细胞周期和细胞扩展相关的基因也在突变体和野生型之间的表达也呈现显著差异。【结论】SWG1编码一个植物特异的转录因子,通过调控粒型基因(GS5、GW8和GW7/GL7等)影响颖壳的细胞增殖和细胞扩展,从而决定水稻籽粒长度和宽度。

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。

水稻高秆染色体片段代换系Z1377的鉴定及重要农艺性状QTL定位

株高是水稻重要的农艺性状,往往与产量相关性状密切关联,在水稻育种中有重要利用价值。本研究以日本晴为受体、缙恢35为供体亲本,经表型和分子标记双重选择,鉴定了一个水稻高秆染色体片段代换系Z1377。Z1377共含有18个代换片段,平均代换长度为2.95Mb。与日本晴相比,Z1377的株高、倒一节间至倒四节间长、穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、粒长、每穗实粒数、总粒数显著增加;粒宽显著变细,有效穗数、结实率显著减少,但仍达86.75%。用日本晴与Z1377杂交构建的次级F2群体共检测到16个相关QTL,分布于第2、第3、第4、第5、第6、第7和第9染色体。其中有8个可能与已克隆基因等位,如GW2、EUI1、ZFP185等,另8个如q PH3等尚未见报道。Z1377的株高由一个主效QTL (q PH3)和一个微效QTL (q PH5)控制,其中q PH3的贡献率达28.59%。而且,在F2群体中,高秆和矮秆基本呈现双峰分布,经卡平方测验,符合3∶1分离比,表明高秆对矮秆显性,并主要由q PH3负责。这将为该主效基因的精细定位和克隆奠定基础,同时为进一步选育含2~3个代换片段的中高优良染色体片段代换系并应用于育种奠定基础。

增加穗粒数的水稻染色体代换系Z747鉴定及相关性状QTL定位

增加穗粒数对水稻高产品种培育至关重要。其遗传基础复杂,由多基因控制。水稻染色体片段代换系可以将多基因控制的复杂性状分解,因而是理想的遗传研究材料。本研究通过高代回交和自交结合分子标记辅助选择方法,鉴定了一个以日本晴为受体、西恢18为供体亲本的、含有15个代换片段的增加穗粒数的水稻染色体片段代换系Z747,平均代换长度为4.49 Mb。与受体日本晴相比, Z747的每穗总粒数、一次枝梗数、二次枝梗数、穗长和粒长显著增加,粒宽显著变窄、结实率显著降低,但结实率仍为81%。进一步以日本晴和Z747杂交构建的次级F2群体鉴定出46个相关性状的QTL,分布于水稻1号、2号、3号、5号、6号、9号、11号和12号染色体上。其中qGPP12、qPH-3-1、qPH-3-2等12个QTL可能与已克隆的基因等位, qSPP9等34个可能是新鉴定的QTL。Z747的每穗总粒数由2个具有增加粒数效应的QTL (qSPP3和qSPP5)和1个具有减少粒数效应的QTL (qSPP9)控制。研究结果对主效QTL的精细定位和克隆、以及有利基因的单片段代换系培育有重要意义。

优良水稻染色体片段代换系Z746的鉴定及重要农艺性状QTL定位及其验证

粒型、株高及穗部组成性状与产量形成密切相关,是水稻重要农艺性状,但遗传基础复杂。染色体片段代换系是用于复杂性状遗传研究的良好材料。本研究鉴定了一个以日本晴为受体、西恢18为供体亲本的水稻优良染色体片段代换系Z746。Z746携带来自西恢18的7个代换片段,平均代换长度为3.99 Mb,其株高、粒长和穗部性状均与受体存在显著差异。进一步通过日本晴与Z746杂交构建的次级F2群体共检测到36个相关QTL,分布于2号、3号、4号、6号和11号染色体。其中5个可能与已克隆基因等位,如qPH3-1等,8个可被多次检出,表明这些是遗传稳定的主效QTL。Z746的粒长主要由4个QTL(qGL3、qGL4、qGL2、qGL6)控制,其中qGL3和qGL4对粒长变异的贡献率分别为60.28%和27.47%。株高由5个QTL控制,穗长由4个QTL控制,每穗粒数由2个QTL控制,千粒重由2个QTL控制。然后以MAS在F3共选出8个单片段代换系,并以此在F4进行了相关QTL验证,共有24个QTL可被8个单片段代换系(SSSL)检出,重复检出率为66.7%,表明这些QTL遗传稳定。本研究为目的QTL的进一步遗传机制研究及分子设计育种奠定了良好基础。

水稻短根白化突变体sra1生理生化分析及基因定位

叶色突变体是研究光合作用及叶绿素合成与降解途径的理想材料,有助于了解高等植物叶绿体发育和光合作用的调控机制。利用甲基磺酸乙酯(EMS)处理西农1B,获得一个短根白化突变体sra1 (short radicle and albino 1),从出芽至第三叶期叶片始终为白色,胚根较同时期野生型明显变短。对相同位置的叶片观察发现,西农1B叶肉细胞叶绿体含量丰富且膜系统发育完整,而sra1叶肉细胞液泡化严重,叶绿体数目明显减少或没有,基粒类囊体垛叠松散且稀少。生理生化分析发现sra1叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量接近于零,净光合速率为负值。遗传分析表明该短根白化表型由单个隐性核基因控制,最终将SRA1定位于水稻第3染色体长臂InDel标记Z-20和Z-42间,物理距离约657 kb,是一个未报道的新基因。

景观专用稻西大黄叶2号的选育及栽培技术

彩叶稻是颜色具有观赏性的专用水稻,对于满足人们的营养价值需求及特色观赏价值具有重要的作用。“西大黄叶2号”是西南大学与成都市农林科学院以“R2163”作为母本,“缙恢10号”为父本进行杂交,选育出的观赏性较好的彩叶稻。2022年通过重庆市品种审定。在区试中全生育期133-177 d,平均生育期150.8 d左右,平均产量为302.325kg/667m^(2),比对照平均产量增加15.42%。该品种叶片颜色一致性较好、抗稻瘟病、米质较好、产量较对照稳定增加。适宜在重庆市海拔800m以下地区种植。