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水稻穗退化突变体spd11和黄化转绿突变体d78的遗传分析与基因克隆

钟萍  
【摘要】:1.水稻穗退化突变体spd11的遗传分析与基因定位水稻产量主要由4个重要因素决定,单位面积有效穗数、每穗着粒数、千粒重、以及结实率,而穗作为产量的最终表达部位,与水稻产量息息相关。开展穗部性状相关基因的发掘、克隆及功能研究有利于探明水稻穗部发育调控机制,对指导培育高产水稻品种具有重要意义。本实验利用甲基磺酸乙酯(EMS)处理粳稻品种中花11的直立密穗突变体dense and erect panicle 2获得一份穗退化突变体spdll,并对其农艺性状、遗传规律、基因定位及候选基因进行研究,主要结果如下:(1)大田条件下,与其对照亲本相比,spdll植株剑叶长度增加23%;穗部一次枝梗明显缩短,且一次枝梗数量减少58%;小穗几乎完全退化为白色絮状物,偶尔可见个别退化不完全的颖花着生,且该颖花仅由一个完全闭合的颖壳组成,不能正常结实。除此以外,spdll的分蘖数及剑叶宽等农艺性状无显著差异。(2)spdll的突变性状由一对隐性核基因控制,利用分子标记将该突变基因定位于第1染色体长臂两个In/Del标记ch1-2295和ch1-2299之间约43.2 kb的区域内,遗传距离分别为0.23 cM和0.46 cM。(3)测序分析发现,spdll突变体中OsLOG基因编码区第116位碱基G突变为碱基A,造成编码蛋白的第39位半胱氨酸(C)突变为酪氨酸(Y)。对已报道的多个log等位突变体的突变位点和突变表型严重程度的比对分析表明,spd11突变位点可能处于OsLOG蛋白功能的关键位点。SPD11可能是细胞分裂素激活酶基因OsLOG的等位基因。2.水稻黄化转绿突变体d78的遗传分析与基因克隆高等植物叶绿素作为参与叶片光合作用的重要色素,影响着作物的生长发育和产量形成。叶色突变体是开展光合作用研究的理想材料,它在植物的光合色素合成、叶绿体结构功能分化与发育等基础研究中具有重要作用。本研究通过EMS诱变粳稻品种日本晴,得到一份黄化转绿突变体d78,并对其农艺性状、光合色素含量、叶绿体结构、遗传规律、突变基因定位克隆及功能互补进行研究,主要结果如下:(1)d78突变体在苗期表现为淡黄色,随后叶片随着生育进程逐渐转绿,直至成熟期其叶色与野生型相比仍然偏黄。d78在苗期生长较为缓慢,抽穗期比野生型推迟。d78每株有效穗数与野生型相比显著减少(-39.9%),穗长以及千粒重分别减少7.1%和10.7%,株高、每穗着粒数和结实率则没有明显差异。(2)与野生型相比,苗期到抽穗期d78的总叶绿素含量减少26.4%-41.9%,Ch1a含量减少25.3%-42.9%,Ch1 b含量减少30.7%-37.9%,类胡萝卜素含量减少14.8%-20.3%。d78叶肉细胞的叶绿体形状和大小规则,与野生型相比并无明显变化,但d78的叶绿体内腔膨胀,叶绿体内部基粒垛叠减少且排列松散,类囊体膜排列混乱,嗜饿颗粒数量增加。(3)d78的突变性状由一对隐性核基因控制,利用分子标记将该突变基因定位于第1染色体长臂两个In/Del标记Z2和Z3之间约66.0 kb的染色体区域内,遗传距离分别为0.19 cM和0.10 cM。(4)对定位区间内15个预测基因进行遴选,发现其中一个基因编码叶绿体前体物质。测序分析发现,d78中该基因编码区第741碱基由G突变为A,造成编码其蛋白第250位色氨酸(W)的密码子突变为终止子。D78基因编码一个含有393个氨基酸的蛋白质,该蛋白质N端有一个由23个氨基酸残基组成的叶绿体定位信号,同时该蛋白还含有一个由23个氨基酸残基组成的跨膜结构域。(5)从野生型中扩增出野生型D78基因CDS全长,连接到植物双元表达载体pCAMBIA2300-actin上,利用农杆菌介导转化法,将该基因转入d78突变体,获得的阳性转基因植株均表现绿色,从而验证了该基因功能。


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