水稻株分倍体遗传分化基因定位分析

水稻株分倍体遗传分化基因定位分析

这是水稻和小麦等主要作物的重要形态之一。它直接影响到品种的数量，并影响单位面积的产量。水稻分蘖是水稻株型的两大构成因素(株高和分蘖)之一,不论是国际水稻研究所的“超高产新株型”,还是“中国超级稻”、“超级杂交稻”,其核心基本上都涵盖了水稻的分蘖数。同时分蘖又是水稻等单子叶植物在生长发育过程中一种特殊的分枝方式,水稻分蘖已经成为研究单子叶植物分枝的模式系统。近年来,对水稻分蘖力的遗传研究已成为国内外的热点,主要有两类研究:一类是以某一分离群体为材料的数量性状研究;另一类是以突变体为材料的质量性状研究。随着水稻分子生物学及其基因组研究的快速发展,国内外许多实验室正在进行水稻分蘖相关基因的克隆及功能研究,这对深入理解水稻分蘖发生的分子机理具有重大意义。同时,新的水稻分蘖基因的挖掘与分离将有助于探索水稻分蘖乃至植物界分枝的分子生物学机理,并可以将这些机理运用到水稻的育种中去,来控制水稻植株的分蘖数和群体大小,提高水稻的单位面积产量。1稻中主导3个群体对蝌蚪的遗传稳定性在2003年以前,分蘖数目大多作为由多基因控制的数量性状进行研究,随后研究多元化,研究者利用不同的分离群体对水稻的分蘖力进行研究。Xu等对水稻分蘖遗传规律进行研究时,发现植株的强分蘖能力受2个或多个部分显性基因调控,并利用Pal/IR42的F2分离群体构建含有104个AFLP标记的遗传图谱,通过定位分析,分别在3、4和8号染色体上各定位了一个控制分蘖的QTL。但是,水稻分蘖除受自身遗传因素决定外,还与外界复杂的环境因素有关,有些与分蘖相关的QTLs仅在某一发育时期表达,很不稳定,因此,科研工作者采用更加科学的方法对分蘖的数量性状进行研究。Yan等应用双单倍体群体在第1染色体上检测到1个与分蘖相关的QTL,能在整个生育期中发挥作用。Wu等将水稻的整个分蘖时期分为7个时段,利用H359/Acc8558的重组自交系(RIL)群体对分蘖数进行了QTL定位分析,最终分别在1、3和5号染色体上定位了5个QTLs,其中有3个QTLs在整个分蘖期间都起作用,而其他2个只在分蘖开始前和开始后起作用。Li等利用珍汕97和明恢63的F2群体,连续2年在两个地点均在第7染色体上检测到2个与分蘖有关的QTLs。Xing等利用珍汕97和明恢63的RIL群体在连续两年的检测中都在第7染色体上检测到了一个影响增加分蘖数目的QTL(tp7)。Kennard等利用美国野生稻Johnson×DolaLake的F2和F3群体对分蘖性状行了联合定位研究,在F2和F3两个世代中都检测到的QTLs有5个,后人发现位于1号染色体RZ237标记附近的QTL和Arite等定位的矮秆多分蘖基因d-10处在相同区域。任翔等连续8个时间段对MH63/B5重组自交系的187个株系分蘖增加数进行检测,发现4个QTL位点在不同时间段对分蘖能力有贡献,分别位于第2、5、8、9号4条染色体上,同时检测到该群体中影响分蘖能力的上位效应广泛存在,在多个时间段其贡献率甚至大于单独的QTL座位,并在第1和第2染色体上成簇分布。Liu等利用9个单片段置换系,通过多年多地点并在9个不同的生长阶段对分蘖性状进行检测,共检测到9个稳定影响分蘖的QTLs,分别位于第1、2、3、6和8号5条染色体上。随后,他们又用129个双单体株系,在水稻发育的7个阶段通过多种方法综合检测,仍检测到这9个稳定影响分蘖的QTLs。到目前为止,已发现了将近50个稳定影响水稻分蘖的数量性状位点(QTLs)。但是,还没有克隆出一个控制分蘖数目的QTL。2体外诱变体的分子鉴定自2003年李家洋课题组克隆出水稻单蘖基因以后,越来越多的人开始把水稻分蘖看作质量性状,不断挖掘新的分蘖突变体,并对其进行深入的研究,到目前为止,已鉴定出将近30个与水稻分蘖相关的突变体。获得水稻分蘖突变体的途径主要有自发突变、γ-射线或EMS等物理和化学诱变,以及T-DNA或Ds插入突变等。不管采用何种方法获得的分蘖突变体,从分蘖数多少上可以分为三类:无分蘖、少分蘖(分蘖数2~5)和多分蘖(分蘖数大于30)。前两类分蘖突变体数量较少,到目前为止共有12个。无蘖突变体moc1(monocum1)为自发产生的单秆突变体,也是目前报道的唯一一个水稻无蘖突变体,只有一个主秆而不形成任何分蘖。Li等将MOC1基因精细定位在第6染色体长臂上,并克隆了该基因。孙丙耀等在水稻Ds插入突变株筛选过程中,发现1个双分蘖突变体dt1(doubletillersmutant),该突变体在同一分蘖节形成大、小2个分蘖,并且这两个分蘖均可正常抽穗形成有效分蘖,随后他们采用TAIL-PCR技术克隆了该基因。Iwata等报道了7个少分蘖突变体rcn1-rcn7(reducedculm-number),随后Jiang等在日本晴的EMS诱变后代中获得了两份少分蘖突变体rcn8和rcn9,并将这两个隐性少分蘖基因分别定位于第1染色体的长臂和第6染色体的短臂上。唐家斌等从籼粳杂交组合“圭630/02428”的花培后代中获得一份少分蘖突变体G069,其主要特征是分蘖速度慢,最高分蘖数少,成熟叶片叶尖、叶缘黄化,并把该少分蘖基因ftl(fewtillering1)定位于第2染色体上。Fujita等在粳稻品种Aikawa1中发现了一株低分蘖突变体Ltn(low-tillernumber),并将其精细定位于第8号染色体上。第三类多分蘖突变体数量较多,具不完全统计已有将近20个。王永胜等通过采用EMS诱变处理,筛选得到一株极度分蘖突变体ext37(Excessivetilleringmutant),该突变体表现为叶细、色淡、植株矮化和极度分蘖,在将近一年的营养生长过程中,分蘖总数达到2000多个。Jiang等也发现一株极度分蘖突变体(分蘖数达121)命名为ext-M1B,其表现为极度分蘖、叶细、色淡、穗子短小和植株矮化,遗传分析表明,该突变体受单隐性核基因控制,并通过分子定位将该基因定位于水稻第6染色体短臂上。Ishikawa等鉴定出5个与多分蘖相关的水稻突变体d3、d10、d14、d7和d27,这些突变体的表型都呈现分蘖增多且植株高度降低,与之对应的基因均被定位,有些已被克隆。Zou等分离出另一个矮生多蘖突变体htd1(hightilleringdwarf1),并将相应基因HTD1定位于第4染色体30kb范围内。江海湃等通过350Gy的60Co-γ射线辐射选育出一个多分蘖矮秆突变体htd1-2(high-tilleringdwarf1-2),并将HTD1-2(HIGH-TILLERINGDWARF1-2)定位在水稻第4号染色体上。高振宇等从EMS化学诱变的籼稻IR64后代中筛选到一稳定遗传的多蘖矮秆且叶色加深突变体,暂命名为tddl(t),并将相应基因TDDL(T)锁定在水稻第4号染色体长臂上。Zhou等鉴定了另一个多分蘖突变体mt1(multipletilleringmutant),并克隆了相应基因MT1。Liu等从转基因株系中鉴定了另一个多蘖突变体htd2,并克隆了其相应的基因HTD2。Gao等通过EMS法获得了一个多蘖矮秆突变体d88,并克隆了其基因D88。以上这些水稻多蘖突变体,大多数分蘖增加的同时都伴随着矮化、丛生、结实率下降。李万昌等2010年报道了一个显性多分蘖突变体ht1,该突变体在整个生育期最显著的特点就是分蘖数目多,且株高和结实率不受影响,并将该显性多蘖基因HT1精细定位于第10染色体上。这是目前唯一报道的分蘖数显著增加而株高不受影响的多分蘖突变体。3水稻多回收基因编码水稻中通过图位克隆方法已相继克隆了11个影响水稻分蘖的基因,1个为无蘖基因MOC1,其它几个均为多蘖矮秆基因。2003年中国科学家利用图位克隆方法分离出水稻中第一个与分蘖有关的基因MOC1(MONOCULM1),功能分析证实该基因是水稻分蘖过程中的关键调控基因,其编码的MOC1蛋白属于GRAS家族转录因子,在分蘖芽形成和伸长两个阶段都起重要作用。同年,Takeda等克隆出与水稻分蘖有关的第二个基因OsTB1(OrazysativaTEOSINTEBRANCHED1),其编码一个TCP结构域的转录因子,基因功能研究发现,OsTB1是侧芽生长的负调节因子,主要控制从腋芽原基到侧枝形成的生长过程。水稻中OsTB1的功能是作为分枝的负调节蛋白,明显受MOC1调节。随后,科研工作者又相继克隆了几个影响水稻多蘖矮秆的基因:D3、D10、D14、D27、HTD1、MT1、HTD2、D88[9,21,22,25,26,27,30,31]。经过序列比对发现D3、HTD1和D10(和MT1等位)分别是拟南芥中参与控制分枝(moreaxillarygrowth)系列的MAX2、MAX3和MAX4的同源基因。D3基因编码F盒富含亮氨酸重复的转录因子,D10和MT1基因编码类胡萝卜素双加氧裂解酶8,HTD1基因编码类胡萝卜素双加氧裂解酶7。D14和D27参与了独角素内酯的合成代谢。D14和D88编码一种α-β折叠水解酶超家族中的一种蛋白,参与植物激素的信号传递,在独角素内酯合成的下游起作用,D27编码一种新的含铁蛋白,在MAX/RMS/D途径中起作用,直接参与了独角素内酯的合成代谢。HTD2是esterase/lipase/thioesterase基因家族中的基因,其功能缺失后,HTD1、D3和D10的表达显著增加,通过独脚金萌发素内酯途径调控分蘖。Kosuke等克隆了多蘖矮秆基因FC1,其编码一种TCP家族的转录因子,FC1的表达受细胞分裂素的负调节,不依赖于独脚金萌发素内酯的途径。4基因表达对水稻蝌蚪的影响随着分子生物学和遗传学的发展,对水稻分蘖基因的研究会愈来愈深入,为最终利用这些基因提供坚实的理论基础。但是,通过对水稻中已经克隆的这些分蘖相关基因的表达分析表明,水稻分蘖是一个复杂的生物现象,这些基因不是通过一个共同的信号途径影响水稻分蘖的发生,而是存在多条途径影响着分蘖的发生。一般认为生长素、细胞分裂素、独脚金萌发素内酯在决定腋芽生长