水稻淡绿叶基因PGL11的鉴定与精细定位

发布时间：2019-10-12 22:05

【摘要】：【目的】叶片是水稻进行光合作用的主要场所,叶片颜色的变化与水稻的生长发育直接相关。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】利用EMS诱变日本晴获得一个能稳定遗传的淡绿叶突变体,暂命名为pgl11(pale green leaf 11)。在不同生育期测定野生型与突变体的叶绿素含量。在苗期,取野生型与突变体叶片进行叶绿体结构的透射电镜观察。在分蘖期,测定野生型与突变体的光合参数并观察气孔结构。在成熟期,测定野生型和pgl11的主要农艺性状。以pgl11为母本,南京6号为父本构建相应的F2群体,采用图位克隆的方法,对该基因进行定位。【结果】从苗期开始,突变体pgl11的每一片新叶均表现为淡绿色,叶绿素含量显著降低,叶绿体发育异常。随着叶片的生长,叶色由淡绿逐渐转绿,至抽穗期时叶绿素含量亦无明显差异。pgl11还表现光合速率、气孔导度明显下降,胞间CO_2浓度上升。扫描电镜观察发现,突变体pgl11的气孔发育异常。与野生型相比,突变体的农艺性状如株高、剑叶宽、二次枝梗数、每穗粒数、粒长、粒宽、千粒重以及结实率等均显著降低。对叶绿素合成、光合作用以及质体发育相关基因的表达量测定表明,突变体pgl11中参与叶绿体转录和翻译相关基因的表达量显著升高,而叶绿素合成和光合作用相关基因的表达量显著下降。遗传分析表明,该突变表型受一对隐性核基因控制。通过图位克隆的方法将该基因定位于第1染色体上的C6和C8标记之间,物理距离约为110 kb。【结论】该定位区间内未见有叶色相关基因报道,推测PGL11基因可能是一个新的水稻叶色基因。
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492中国水稻科学(ChinJRiceSci)第31卷第5期(2017年9月)2结果与分析2.1突变体pgl11表型及农艺性状分析在自然生长条件下，突变体pgl11从出芽开始叶片即表现淡绿(图1-A)，随着叶片的发育，新叶从叶尖到叶基部逐渐变绿(图1-B)，到抽穗期叶片颜色完全恢复绿色(图1-C)。调查结果显示，突变体的抽穗期较野生型推迟一周，其农艺性状除分蘖数、剑叶长、穗长及一次枝梗数未发生明显变化外，株高、剑叶宽、二次枝梗数、每穗粒数、粒宽、千粒重以及结实率等性状均存在极显著差异(表2)。2.2突变体pgl11叶绿素含量的变化由于突变体pgl11叶片颜色在发育过程中出现转绿现象，因此，我们对野生型和突变体pgl11苗期、分蘖期和抽穗期叶片的叶绿素含量进行了测定。结果表明，在苗期突变体叶绿素含量显著下降；到分蘖期，二者差异减小；抽穗期时，野生型与突变体的叶绿素含量则无明显差异。其中，突变体pgl11苗期的叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量分别较野生型下降了77.25%、80.06%和51.88%(图2-A)。在分蘖期，突变体pgl11的叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量则分别降低了22.2%、28.7%和12.5%(图2-B)。而到了抽穗期，野生型与突变体pgl11的光合色素含量差异不显著(图2-C)。2.3突变体pgl11的光合参数分析为了分析突变体pgl11光合作用是否受到影响，，A,B,C分别为苗期(bar=2.5cm)、分蘖期和抽穗期野生型与突变体(bar=10cm)。A,B,C,PhenotypeofWTandpgl11mutantattheseedlingstage(bar=2.5cm),thetilleringstageandtheheadingstage(bar=10cm),respectively.图1野生型和突变体pgl11在不同生育期的表型Fig.1.Phenotypesofthewildtype(WT)andthepgl11mutantatvariousgrowthstage.表2野生型WT和突变体pgl11的基本农艺性状(平均数±标准差,n=3)Table2．Agro

L11的鉴定与精细定位493我们对分蘖期野生型和突变体pgl11剑叶的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速度等4个光合指标进行测定。结果表明，突变体除了胞间CO2浓度有所增加外，其余3个参数均出现显著下降。其中，突变体pgl11剑叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度分别下降了约32.3%、34.3%和21.9%，差异均达极显著水平，而胞间CO2浓度上升了16.84%(表3)。扫描电镜观察野生型和突变体pgl11叶片气孔结构发现，突变体pgl11的气孔收缩并呈带状下陷，且下陷的气孔口周围没有硅质化乳突，部分气孔发育不完全(图3)。说明PGL11突变后导气孔发育异常，光合作用受到明显影响，主要体现在胞间CO2浓度显著提高，而净光合速率和气孔导度显著降低。2.4叶绿体结构的显微观察为了进一步确定突变体pgl11叶绿体发育是否异常，我们分别对野生型与突变体pgl11的4叶期叶片进行透射电镜观察。结果表明，野生型叶肉细胞中叶绿体数目较多且体积较大，基质较浓厚，基粒片层垛叠正常，具有正常的片层结构(图4-A,B)，而突变体pgl11中叶肉细胞中的叶绿体数目明显减少且体积减小，没有正常的基粒垛叠及成形的淀粉粒堆积，甚至有的细胞中没有叶绿体结构(图4-C,D)。该结果表明PGL11基因突变影响了水稻叶肉细胞中叶绿体结构的正常发育。2.5PGL11的遗传分析和基因定位为了进一步明确突变体pgl11的遗传特性，将突变体pgl11分别与籼稻品种培矮64和南京6号进行杂交。结果表明，突变体pgl11与培矮64的F1为正常表型，F2分离出的正常表型和淡绿叶表型植株分别为413株和141株，经卡方检验符合3∶Chla－叶绿素a;Chlb－叶绿素b;Car－类胡萝卜素。*,**分别表示野生型与突变体在0.05和0.01水平下差异显著(t检验)。下同。A,BandCrefertotheseedli
【作者单位】： 中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室;江西省农业科学院水稻研究所;
【基金】：中央级公益性科研院所专项 中国农科院科技创新工程资助项目 国家自然科学基金资助项目(31661143006,91435105)
【分类号】：S511


本文编号：2548284