水稻粒型QTLqGW12的精细定位和粒长调控基因SG4的克隆与功能验证

发布时间：2020-09-01 13:11

　　水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一,占全世界人口热量摄入的21%。近年来,随着全球人口的激增,耕地面积的逐年减少,土地流转与非粮化趋势加剧,粮食短缺仍旧是困扰许多国家的重大问题。因此,开展水稻遗传育种研究一直成为国家的重中之重,保持粮食的稳产及高产成为农作物品种选育的首要目标并亟需解决。水稻的产量性状是由多基因决定的复杂性状,主要受单株有效穗数、每穗有效粒数和千粒重3个因素共同调控,千粒重遗传力最高,主要由灌浆程度和粒型控制,粒型性状又由粒长、粒宽和粒厚共同构成。此外,粒型还是重要的品质性状,在中国南部、美国及东南亚各国,消费者通常会更偏爱细长粒水稻。而日本、朝鲜半岛和中国北方更倾向于短圆粒水稻。因此,改良水稻粒型是提高产量和改善稻米品质的有效途径。本研究的第一份材料是利用一个来自中国广东的传统地方品种T5486(籼稻品种)作为亲本之一,与典型的粳稻品种日本晴杂交,构建BC1F2群体,利用186个单株,选取间隔均匀且能够覆盖整个基因组的标记共177对,通过QTL Mapmaker 3.0和QTL Network2.1计算,获得一张覆盖了总遗传距离为2294.2 c M,标记间平均距离12.96 c M的遗传图谱,定位到4个粒型QTL,选取未报道的q GW12作为研究目标,继续构建次级遗传图谱,计算显示,在标记SH78和SH93之间存在一个主效的粒宽位点,该位点贡献率为52.08%,可促进粒宽增加0.79 mm。同时辅以图位克隆手段,进行精细定位,最终将基因定位在SH78和SH98之间23.9 kb的物理距离范围内,该区间共预测到3个开放阅读框。这为对该基因的进一步克隆和功能分析打下了坚实的基础。本研究的另一个粒型材料是来自日本晴背景、经过组培诱变获得的小圆粒突变体small grain 4(sg4),该突变体表现为叶色深绿、叶片直立、成熟后可见节间数目增多(sg4具有6个节间,日本晴具有4个)、株高略微变高、生育期推迟、小圆粒等性状。遗传分析显示,该突变性状受纯合隐性单基因控制。通过图位克隆发现,在突变体sg4背景下,候选基因LOC_Os04g39430.1的起始密码子前一个碱基处发现8 bp的碱基插入,转基因互补实验显示,互补阳性植株能恢复到野生型表型,表明LOC_Os04g39430.1即为SG4基因,该基因编码BR生物合成过程的关键酶,与已报道的D11等位。因此,我们开展了一系列BR敏感性测试,结果显示,突变体暗形态建成受阻;随着2,4-e BL浓度的增加,sg4的第二叶夹角变化超过日本晴;突变体根卷曲,呈波浪形生长,表明sg4对BR敏感。但是在第二叶鞘和胚芽鞘伸长方面,却没有明显变化,说明这些部位对BR不敏感,因此,sg4对BR的反应有组织特异性。对BR生物合成和信号途径的相关基因进行表达分析显示,BR生物合成基因在突变体中的表达量较野生型有所降低,信号调节途径的正调控基因在突变体中表达量升高,表明sg4是BR缺失突变体。随后,解剖学观察证明,sg4的粒长变短是由细胞长度变短所导致,I2-IK实验也显示,sg4的花粉育性降低。对上述两种基因的克隆,为分子标记辅助选择提高水稻产量和改良品质提供重要的基因资源,对它们在群体中的自然变异基因型的深入挖掘,有助于分析各种等位基因型的功能,解析粒型的构成,为全面理解粒型的遗传机理,实现粒型的设计育种提供帮助。
【学位单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S511;Q943.2

【参考文献】