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水稻细长秆突变体sr10的鉴定与基因定位
委刚, 陈单阳, 任德勇, 杨宏霞, 伍靖雯, 冯萍, 王楠
作物学报    2022, 48 (8): 2125-2133.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2022.12052
摘要   (129 HTML10 PDF(pc) (9908KB)(97)  

本研究报道的突变体sr10 (slender rice 10)是由籼稻保持系西农1B经甲酰磺酸乙酯(EMS)诱变而成, 表现为茎细长, 雄性不育。细胞学观察显示, sr10细胞变长, 维管束变少。冷冻切片和叶绿素含量测定表明, sr10的叶绿素含量大幅下降, 导致光合速率下降, 但气孔导度的降低可能提高其抗旱性。通过激素含量测定发现, sr10中IAA和GA3水平显著升高, 而ABA含量显著降低。qRT-PCR分析表明, GAs通路相关基因表达下调, IAA通路相关基因表达异常。遗传分析表明, sr10的突变表型受单个隐性核基因控制。SR10定位于3号染色体的分子标记LIND12和28.5~4之间的175.7 kb的区域内。本研究结果为SR10的克隆和功能分析奠定了基础。


引物
Primer
正向序列
Forward primer(5'→3')
反向序列
Reverse primer(5'→3')
OsActin ACCACTTCGACCGCCACTACT ACGCCTAAGCCTGCTGGTT
OsIAA3 GACGCAGCAGAAGGAGGAT GACGTCCCATTCGAGATGTT
OsIAA6 CCAATTCGATCCTTCAGGAG CACAGCAAGGTGCAGATGAC
OsIAA10 GGTTGCTGGATGGGTGAAGG CCAGCTCACCTACGAGGACAGG
OsIAA11 GCGCTGGTGAAGGTGAGCAT AGAGATGACCTGGAGTACGT
iaa21 GAAGGCACAGGTGGTAGGATG GGTGAATCAAATGGGAAGTCAGG
OsIAA23 GTACCTGCGCAAGGTGGAC GTTCGTCGAGTCCTGCAAG
OsSAUR39 TACAGCTGATGGAGAGCGATT TTGGATTCACAGGTGAGGAAA
OsPIN3t CGGCTCTACCACAAGGGATTG TGTACTACATCCTTCTTGGACTATGA
OsTIR1 ATTACATCCTCTCAGGCTGC CATGAACGATCCTGGAAGGT
GA2ox1 ACCACTACCCTCCATCATGCAACA AGGCTAGCAATGGTGGGAATCTGA
GA2ox4 CTGCAGGTGATGACGAACGG TGGAGCAGAGGATCGCGCCGCT
GA3ox2 CGCCTCTGGCCCAAGT GAGTTGCTGAGGTTGTTCTTGAG
GA20ox2 GCCAATGGGGAGGGTGT TGTCGCTGACGATCATGG
SLR1 TGCCCGCCATGCTTCCAC GCTGACCCGTCGGCTGCT
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表S2 本研究所用的qRT-PCR引物
正文中引用本图/表的段落
对控制水稻株高的遗传机制的探索是目前水稻遗传学和基因组学的研究热点[1]。目前已鉴定出许多与株高相关的基因, 例如, 基因Ghd7Ghd2的过表达可以显著提高水稻株高, 在提高全球水稻产量潜力和适应性方面发挥着非常重要的作用[2-3]。分蘖对水稻等单子叶作物的产量影响很大[4], 在水稻中, 分蘖数几乎总是与株高成反比, 分蘖数的增加通常伴随着株高的降低。然而, 这种关系是可塑的, 因为水稻最终的株高和分蘖数取决于许多内源和环境因素(如植物激素信号)[5]。赤霉素(gibberellic acid, GA)与其他植物激素如生长素之间的相互作用在控制植物株高方面起着重要作用[6]。许多矮化突变体缺乏赤霉素生物合成或感知能力[7]。例如, dwl1是一个矮秆水稻的新突变体, 其对GA不敏感[8]; 矮秆基因D-h可能参与GA信号通路[9]。水稻分蘖也与内源激素关系密切, DWT1是控制水稻分蘖生长所必需的, 其表达水平与GA信号转导相关[10]。此外, 水稻雄性不育也被报道与内源激素密切相关[11]。
根据天根生化科技(北京)有限公司提供的总RNA提取纯化试剂盒说明书进行总RNA的提取。cDNA合成试剂盒由宝日医生物技术(北京)有限公司生产。采用2-ΔΔCT方法分析基因表达的相对变化[19]。所用的qRT-PCR引物列于附表2。
通过扫描电镜对sr10的倒一叶叶肉细胞观察发现, sr10的叶面表皮和背面保卫细胞都变窄并呈现出拉伸的状态(图2-a~d), 这可以很好地解释sr10叶片变长和变窄的原因。此外, sr10的鞘部细胞明显长于WT (图2-e~h), 因此sr10表现为茎杆显著变长。利用石蜡切片技术观察了灌浆期WT和sr10倒一节间横切面的细胞状态, 发现与WT相比, sr10的茎明显变细, 维管束明显变少, 约减少38.68% (图2-i, j)。
以F2群体中990个突变植株中的229个单株作为初定位群体, 发现目的基因与3号染色体上的分子标记ZTQ67存在连锁关系。对标记ZTQ67两侧相邻的引物进行进一步分析, 最终将目的基因初步定位于ZTQ67和LIND16之间。进一步扩大群体和开发新的分子标记(附表2), 最终将SR10定位于标记LIND12和28.5~4之间, 物理距离为175.7 kb (图5)。区间内有20个注释基因(附表4), 其中有2个已克隆基因, 但测序并未发现任何差异。
具有GA生物合成缺陷的植物表现出典型的GA缺陷表型, 如矮化、根生长受抑制和雄性不育, GA3促进茎伸长, 但抑制分蘖[42]。与WT相比, sr10叶片中GA3水平升高, 因此sr10茎变细, 分蘖减少。过表达GA2oxs是降低转基因植物中GA水平的一种简单方法[43]。因此, GA2oxs表达的降低会导致GA水平的升高。sr10OsGA2ox1OsGA2ox4表达水平极显著降低, 这可能是sr10中GA3水平升高的原因之一。GA3下调OsGA3ox2的表达[44], sr10OsGA3ox2的表达量明显降低, 这可能是GA3水平升高引起的。OsGA20ox2/SD1蛋白引导赤霉素(主要是GA4)的合成[45], GA4主要在植物生殖生长中发挥作用, 因此, Ga2ox1OsGA20ox2表达的下调极为显著, 可能影响sr10雄性生殖器官的发育, 导致表型完全不育。
本文的其它图/表