水稻株分倍體遺傳分化基因定位分析

水稻株分倍體遺傳分化基因定位分析

這是水稻和小麥等主要作物的重要形態(tài)之一。它直接影響到品種的數(shù)量，并影響單位面積的產(chǎn)量。水稻分蘗是水稻株型的兩大構(gòu)成因素(株高和分蘗)之一,不論是國際水稻研究所的“超高產(chǎn)新株型”,還是“中國超級稻”、“超級雜交稻”,其核心基本上都涵蓋了水稻的分蘗數(shù)。同時分蘗又是水稻等單子葉植物在生長發(fā)育過程中一種特殊的分枝方式,水稻分蘗已經(jīng)成為研究單子葉植物分枝的模式系統(tǒng)。近年來,對水稻分蘗力的遺傳研究已成為國內(nèi)外的熱點(diǎn),主要有兩類研究:一類是以某一分離群體為材料的數(shù)量性狀研究;另一類是以突變體為材料的質(zhì)量性狀研究。隨著水稻分子生物學(xué)及其基因組研究的快速發(fā)展,國內(nèi)外許多實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行水稻分蘗相關(guān)基因的克隆及功能研究,這對深入理解水稻分蘗發(fā)生的分子機(jī)理具有重大意義。同時,新的水稻分蘗基因的挖掘與分離將有助于探索水稻分蘗乃至植物界分枝的分子生物學(xué)機(jī)理,并可以將這些機(jī)理運(yùn)用到水稻的育種中去,來控制水稻植株的分蘗數(shù)和群體大小,提高水稻的單位面積產(chǎn)量。1稻中主導(dǎo)3個群體對蝌蚪的遺傳穩(wěn)定性在2003年以前,分蘗數(shù)目大多作為由多基因控制的數(shù)量性狀進(jìn)行研究,隨后研究多元化,研究者利用不同的分離群體對水稻的分蘗力進(jìn)行研究。Xu等對水稻分蘗遺傳規(guī)律進(jìn)行研究時,發(fā)現(xiàn)植株的強(qiáng)分蘗能力受2個或多個部分顯性基因調(diào)控,并利用Pal/IR42的F2分離群體構(gòu)建含有104個AFLP標(biāo)記的遺傳圖譜,通過定位分析,分別在3、4和8號染色體上各定位了一個控制分蘗的QTL。但是,水稻分蘗除受自身遺傳因素決定外,還與外界復(fù)雜的環(huán)境因素有關(guān),有些與分蘗相關(guān)的QTLs僅在某一發(fā)育時期表達(dá),很不穩(wěn)定,因此,科研工作者采用更加科學(xué)的方法對分蘗的數(shù)量性狀進(jìn)行研究。Yan等應(yīng)用雙單倍體群體在第1染色體上檢測到1個與分蘗相關(guān)的QTL,能在整個生育期中發(fā)揮作用。Wu等將水稻的整個分蘗時期分為7個時段,利用H359/Acc8558的重組自交系(RIL)群體對分蘗數(shù)進(jìn)行了QTL定位分析,最終分別在1、3和5號染色體上定位了5個QTLs,其中有3個QTLs在整個分蘗期間都起作用,而其他2個只在分蘗開始前和開始后起作用。Li等利用珍汕97和明恢63的F2群體,連續(xù)2年在兩個地點(diǎn)均在第7染色體上檢測到2個與分蘗有關(guān)的QTLs。Xing等利用珍汕97和明恢63的RIL群體在連續(xù)兩年的檢測中都在第7染色體上檢測到了一個影響增加分蘗數(shù)目的QTL(tp7)。Kennard等利用美國野生稻Johnson×DolaLake的F2和F3群體對分蘗性狀行了聯(lián)合定位研究,在F2和F3兩個世代中都檢測到的QTLs有5個,后人發(fā)現(xiàn)位于1號染色體RZ237標(biāo)記附近的QTL和Arite等定位的矮稈多分蘗基因d-10處在相同區(qū)域。任翔等連續(xù)8個時間段對MH63/B5重組自交系的187個株系分蘗增加數(shù)進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)4個QTL位點(diǎn)在不同時間段對分蘗能力有貢獻(xiàn),分別位于第2、5、8、9號4條染色體上,同時檢測到該群體中影響分蘗能力的上位效應(yīng)廣泛存在,在多個時間段其貢獻(xiàn)率甚至大于單獨(dú)的QTL座位,并在第1和第2染色體上成簇分布。Liu等利用9個單片段置換系,通過多年多地點(diǎn)并在9個不同的生長階段對分蘗性狀進(jìn)行檢測,共檢測到9個穩(wěn)定影響分蘗的QTLs,分別位于第1、2、3、6和8號5條染色體上。隨后,他們又用129個雙單體株系,在水稻發(fā)育的7個階段通過多種方法綜合檢測,仍檢測到這9個穩(wěn)定影響分蘗的QTLs。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)了將近50個穩(wěn)定影響水稻分蘗的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTLs)。但是,還沒有克隆出一個控制分蘗數(shù)目的QTL。2體外誘變體的分子鑒定自2003年李家洋課題組克隆出水稻單蘗基因以后,越來越多的人開始把水稻分蘗看作質(zhì)量性狀,不斷挖掘新的分蘗突變體,并對其進(jìn)行深入的研究,到目前為止,已鑒定出將近30個與水稻分蘗相關(guān)的突變體。獲得水稻分蘗突變體的途徑主要有自發(fā)突變、γ-射線或EMS等物理和化學(xué)誘變,以及T-DNA或Ds插入突變等。不管采用何種方法獲得的分蘗突變體,從分蘗數(shù)多少上可以分為三類:無分蘗、少分蘗(分蘗數(shù)2~5)和多分蘗(分蘗數(shù)大于30)。前兩類分蘗突變體數(shù)量較少,到目前為止共有12個。無蘗突變體moc1(monocum1)為自發(fā)產(chǎn)生的單稈突變體,也是目前報道的唯一一個水稻無蘗突變體,只有一個主稈而不形成任何分蘗。Li等將MOC1基因精細(xì)定位在第6染色體長臂上,并克隆了該基因。孫丙耀等在水稻Ds插入突變株篩選過程中,發(fā)現(xiàn)1個雙分蘗突變體dt1(doubletillersmutant),該突變體在同一分蘗節(jié)形成大、小2個分蘗,并且這兩個分蘗均可正常抽穗形成有效分蘗,隨后他們采用TAIL-PCR技術(shù)克隆了該基因。Iwata等報道了7個少分蘗突變體rcn1-rcn7(reducedculm-number),隨后Jiang等在日本晴的EMS誘變后代中獲得了兩份少分蘗突變體rcn8和rcn9,并將這兩個隱性少分蘗基因分別定位于第1染色體的長臂和第6染色體的短臂上。唐家斌等從秈粳雜交組合“圭630/02428”的花培后代中獲得一份少分蘗突變體G069,其主要特征是分蘗速度慢,最高分蘗數(shù)少,成熟葉片葉尖、葉緣黃化,并把該少分蘗基因ftl(fewtillering1)定位于第2染色體上。Fujita等在粳稻品種Aikawa1中發(fā)現(xiàn)了一株低分蘗突變體Ltn(low-tillernumber),并將其精細(xì)定位于第8號染色體上。第三類多分蘗突變體數(shù)量較多,具不完全統(tǒng)計已有將近20個。王永勝等通過采用EMS誘變處理,篩選得到一株極度分蘗突變體ext37(Excessivetilleringmutant),該突變體表現(xiàn)為葉細(xì)、色淡、植株矮化和極度分蘗,在將近一年的營養(yǎng)生長過程中,分蘗總數(shù)達(dá)到2000多個。Jiang等也發(fā)現(xiàn)一株極度分蘗突變體(分蘗數(shù)達(dá)121)命名為ext-M1B,其表現(xiàn)為極度分蘗、葉細(xì)、色淡、穗子短小和植株矮化,遺傳分析表明,該突變體受單隱性核基因控制,并通過分子定位將該基因定位于水稻第6染色體短臂上。Ishikawa等鑒定出5個與多分蘗相關(guān)的水稻突變體d3、d10、d14、d7和d27,這些突變體的表型都呈現(xiàn)分蘗增多且植株高度降低,與之對應(yīng)的基因均被定位,有些已被克隆。Zou等分離出另一個矮生多蘗突變體htd1(hightilleringdwarf1),并將相應(yīng)基因HTD1定位于第4染色體30kb范圍內(nèi)。江海湃等通過350Gy的60Co-γ射線輻射選育出一個多分蘗矮稈突變體htd1-2(high-tilleringdwarf1-2),并將HTD1-2(HIGH-TILLERINGDWARF1-2)定位在水稻第4號染色體上。高振宇等從EMS化學(xué)誘變的秈稻IR64后代中篩選到一穩(wěn)定遺傳的多蘗矮稈且葉色加深突變體,暫命名為tddl(t),并將相應(yīng)基因TDDL(T)鎖定在水稻第4號染色體長臂上。Zhou等鑒定了另一個多分蘗突變體mt1(multipletilleringmutant),并克隆了相應(yīng)基因MT1。Liu等從轉(zhuǎn)基因株系中鑒定了另一個多蘗突變體htd2,并克隆了其相應(yīng)的基因HTD2。Gao等通過EMS法獲得了一個多蘗矮稈突變體d88,并克隆了其基因D88。以上這些水稻多蘗突變體,大多數(shù)分蘗增加的同時都伴隨著矮化、叢生、結(jié)實(shí)率下降。李萬昌等2010年報道了一個顯性多分蘗突變體ht1,該突變體在整個生育期最顯著的特點(diǎn)就是分蘗數(shù)目多,且株高和結(jié)實(shí)率不受影響,并將該顯性多蘗基因HT1精細(xì)定位于第10染色體上。這是目前唯一報道的分蘗數(shù)顯著增加而株高不受影響的多分蘗突變體。3水稻多回收基因編碼水稻中通過圖位克隆方法已相繼克隆了11個影響水稻分蘗的基因,1個為無蘗基因MOC1,其它幾個均為多蘗矮稈基因。2003年中國科學(xué)家利用圖位克隆方法分離出水稻中第一個與分蘗有關(guān)的基因MOC1(MONOCULM1),功能分析證實(shí)該基因是水稻分蘗過程中的關(guān)鍵調(diào)控基因,其編碼的MOC1蛋白屬于GRAS家族轉(zhuǎn)錄因子,在分蘗芽形成和伸長兩個階段都起重要作用。同年,Takeda等克隆出與水稻分蘗有關(guān)的第二個基因OsTB1(OrazysativaTEOSINTEBRANCHED1),其編碼一個TCP結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子,基因功能研究發(fā)現(xiàn),OsTB1是側(cè)芽生長的負(fù)調(diào)節(jié)因子,主要控制從腋芽原基到側(cè)枝形成的生長過程。水稻中OsTB1的功能是作為分枝的負(fù)調(diào)節(jié)蛋白,明顯受MOC1調(diào)節(jié)。隨后,科研工作者又相繼克隆了幾個影響水稻多蘗矮稈的基因:D3、D10、D14、D27、HTD1、MT1、HTD2、D88[9,21,22,25,26,27,30,31]。經(jīng)過序列比對發(fā)現(xiàn)D3、HTD1和D10(和MT1等位)分別是擬南芥中參與控制分枝(moreaxillarygrowth)系列的MAX2、MAX3和MAX4的同源基因。D3基因編碼F盒富含亮氨酸重復(fù)的轉(zhuǎn)錄因子,D10和MT1基因編碼類胡蘿卜素雙加氧裂解酶8,HTD1基因編碼類胡蘿卜素雙加氧裂解酶7。D14和D27參與了獨(dú)角素內(nèi)酯的合成代謝。D14和D88編碼一種α-β折疊水解酶超家族中的一種蛋白,參與植物激素的信號傳遞,在獨(dú)角素內(nèi)酯合成的下游起作用,D27編碼一種新的含鐵蛋白,在MAX/RMS/D途徑中起作用,直接參與了獨(dú)角素內(nèi)酯的合成代謝。HTD2是esterase/lipase/thioesterase基因家族中的基因,其功能缺失后,HTD1、D3和D10的表達(dá)顯著增加,通過獨(dú)腳金萌發(fā)素內(nèi)酯途徑調(diào)控分蘗。Kosuke等克隆了多蘗矮稈基因FC1,其編碼一種TCP家族的轉(zhuǎn)錄因子,FC1的表達(dá)受細(xì)胞分裂素的負(fù)調(diào)節(jié),不依賴于獨(dú)腳金萌發(fā)素內(nèi)酯的途徑。4基因表達(dá)對水稻蝌蚪的影響隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的發(fā)展,對水稻分蘗基因的研究會愈來愈深入,為最終利用這些基因提供堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。但是,通過對水稻中已經(jīng)克隆的這些分蘗相關(guān)基因的表達(dá)分析表明,水稻分蘗是一個復(fù)雜的生物現(xiàn)象,這些基因不是通過一個共同的信號途徑影響水稻分蘗的發(fā)生,而是存在多條途徑影響著分蘗的發(fā)生。一般認(rèn)為生長素、細(xì)胞分裂素、獨(dú)腳金萌發(fā)素內(nèi)酯在決定腋芽生長