一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因hw-1(t)的鉴定

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作物学报,农作物,期刊,一级学报,写作

作物学报ACTAAGRONOMICA

ISSN0496 3490;CODENTSHPA9

SINICA

2012,38(1):23—35

http://www.chinacrops.org/zwxb/

E—mail:xbzw@chinajournal.net.cn

DoI:10.3724/SP.J.1006.2012.00023

一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因hw.10)的鉴定

涛”

宣料

黄永相刘永柱张建国陈志强+

慧8

华南农业大学/国家植物航天育种工程技术研究中心,广东广州510642

要:通过空间诱变从光身稻品种Francis的M2群体中发现1株叶色白化转绿、多分蘖矮秆突变体hfa.J。hfa—J

在三叶期之前完全白化,随后转绿。白化转绿表型受生长发育和温度调控。亚细胞结构观察发现hfa.J叶绿体发育异常抑制叶绿素合成,造成光合效率降低,产生白化表型。hfa.j的多分蘖表型是由于高节位分蘖芽激活所致,初步鉴

定与苗期叶片IAA(吲哚乙酸)含量无关。hfa.J的矮生性则由节问长度缩短所致,与苗期GA(赤霉素)的合成和信号

传导无关。遗传分析表明hfa.J的白化转绿、多分蘖矮秆表型受单隐性核基因hw.1(0控制。利用hfa—J与粳稻品种02428杂交获得的F2群体将hw.1(0定位在水稻第4染色体长臂上两个InDel标记HW27和HW7间46.9kb的物理距离内,该区域有13个阅读框架,其中LOC—Os04957320编码IMMUTANTS蛋白,推测为hw—j例的候选基因。

关键词:水稻;白化转绿;多分蘖矮秆;hw.J㈨精细定位

MutantGenehw一1(0forGreen-revertibleAlbino,High

TilleringandDwarfinRice(OryzasativaL.)

Characterizationsof

GUOTao++,HUANGXuan++,HUANGYong.Xiang,LIUYong—Zhu,ZHANGJian—Guo,CHENand

Zhi—Qiang+,

WANG

Hui+

SouthChinaAgriculturalUniversity/NationalEngineeringResearchCenterofPlantSpaceBreeding,Guangzhou510642,China

Abstract:Arice(OryzasativaL.)mutanthfa一1exhibitinggreen.revertiblealbino,high.tilleringdwarfwasdetectedfrompopulationof

all

M2

AmericanvarietyFrancisby

space

mutagenesis.hfa一1displayeddistinctivealbinobefore3rdleaf

stage

butfi.

nallyturnedtonormalgreenafter3rdleafstage,andtheexpressionofthisphenotypewasconditionallycon廿oHedbydevelop—mentandtemperature.Examiningultrastmctureandmeasuringchlorophyllcontentindicatedthathfa.1abnormaldevelopmentofchloroplast.which

resultedininhibitingchlorophyllsynthesisanddecreasing

to

showedalbinoduetophotosyntheticefncienc弘

Moreover’theincreasedtillernumberofhfa一1Wasascribed

mones

initiatemorehigher-ordertillerbuds.Furtherendogenoushor-

mightnotresultfrominhibitingthe

synthesisofIAA.hl

addition.thedwarfismofhfa一1WasWasindependentofbiosynthesisandsignaltransductionofGA.Geneticanalysisindicatedthatthephenotypeofgreen-revertiblealbino.high—tilleringdwarfinhfa.1Wascontrolledbyarecessivenucleicgene,namelyhw—J(f).UsingalargeF2mappingpopulationderivedfromacrossbetweenhfa一1andanjaponicaricevariety,02428,hw—J(f)Wasfinemappedintoa46.9kbofphysicaldistancebetweentwoIIlDelmarkers,H、Ⅳ27andHW7onchromosome4.where13openreadingframeswerepredicted.InthemappingintervalLOCOs04957320encodeda

thatthe

analysisdemonstrated

enhancedtilleringcapacityofhfa.1causedbyshorteninginternodesand

IMMI7TANTSprotein,whichWasthemostproperlycandidategeneofhw—J“J.

Keywords:Rice(OryzasativaL.);Green—revertiblealbino;Higll-tilleringdwarf;hw—Jf砂;Finemapping

叶色突变是高等植物中常见的现象,多在苗期表达,易于识别,因此苗期叶色常作为叶色突变体

主要分为白化(albino)、黄化(xanthan)、浅绿(vinds)、条纹(striata)、斑点(trgrina)5大类型【11。由于叶色突变多数与叶绿素的代谢相关,根据突变体的生理机

的分类标准。水稻苗期叶色突变体的表型多种多样,

本研究由国家自然科学基金项目(30771313)和国家科技支撑计划项目(2008BAD97802)资助。

+通讯作者(Correspondingauthors):王慧,E—mail:wanghui@scau.edu.cn;陈志强,E.mail:chenlin@scau.edu.cn第一作者联系方式:E-mail:guo.tao@vip.163.corn,Tel:020—38604903

“同等贡献(Contributed

equallytothe

work)

Received(收稿日期):2011—05-04;Accepted(接受Et期):2011—09 12;Publishedonline(网络出版Et期):2011-11—07.

URL:http:Hwww.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20111107.1048.013.html

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理,也可分为总叶绿素增加型、缺总叶绿素型、缺叶绿素a型和缺叶绿素b型【2】。此外,还可根据温度对叶色的影响分类,例如吴殿星等[31将白化叶色突变体分为高温表达型、低温表达型和温钝型。

叶色突变通常影响植株的光合效率,造成作物减产,过去常被认为是无意义的突变。近年来,叶色突变的应用价值被重新认识,并受到越来越多的关注。在育种工作中,叶色变异可作为标记性状,简化杂交种子生产程序[41;某些叶色突变体具有特殊的优良性状,为作物遗传育种提供优异的种质资源【5】。在基础理论研究中,叶色突变体是植物光合作用[6】、光形态建成‘7JpJ,及抗病机制嘲等一系列代谢过程的理想实验材料。

叶色突变可直接或间接影响植物激素的合成,

改变内源激素的含量,并导致突变体表型异常。如

缺乏GA(赤霉素)的拟南芥白化突变体dxr表现为植株矮化【91。测定叶色突变体内源激素含量,不但可增加对激素合成途径的了解[101,还有利于激素生物合

成相关基因的克隆。水稻Osabal突变体叶色灰绿,受干旱胁迫时体内ABA(脱落酸)含量增加,Agrawal等[111通过正向遗传学方法从中分离到参与ABA生

物合成的基因OsTATC。因此,叶色突变体也是激素

生理研究的有用材料。

植物叶色突变的分子机理较为复杂,对其发生机制的推测主要有以下几种观点:(1)叶绿素合成和

降解途径中相关基因的突变[12-13];(2)血红素。光敏

色素生色团生物途径中基因突变[141;(3)编码叶绿体蛋白的基因突变【1习;(4)与光合系统无直接关系基因突变‘16】。目前高等植物的叶色突变机理研究多见于拟南芥,而水稻则明显滞后。已报道的水稻苗期叶色突变基因超过80个,其中大多数受隐性核基因控制,30多个已进行了染色体定位,仅有少数几个被克隆(http://www.shigen.nig.acjp/riceloryzabaseltopltop.jsp)。显然,水稻叶色突变机理的研究仍有待深入开展。

白化转绿是叶色白化突变的一个特例,主要表现为苗期白化,随后叶色逐渐转绿,最终叶色恢复正常。已报道的白化转绿突变体超过10个‘17’281。尽管白化转绿突变体的叶色表型不尽相同,但转绿后

多数农艺性状与野生型相似。本课题组通过空间诱

变获得一株白化转绿突变体hfa.J,它与以往报道的不同,除了白化转绿表型外,还伴随多分蘖矮秆等

农艺性状的变化。本研究拟通过农艺和生理性状调查、亚细胞结构观察以及基因定位研究白化转绿突变体hfa—J,为水稻白化转绿机制提供部分理论依据。

1材料与方法

1.1水稻材料

2003年利用返回式卫星搭载美国光身稻品种Francis干种子于太空飞行18d(卫星倾斜角度630,近地距离和高地距离分别为175km和320km,辐射剂量为2.656mGy)。将空间诱变种子与对照一起萌发,移植M,代单株,成熟时收获单株主穗,混合主穗种子得到M:代种子。移植M2代单株,常规田

问管理,在M2群体中发现一株白化转绿、多分蘖矮

秆突变体。经过连续4代的自交繁殖获得稳定突变

株系,命名为hfa.J。将|};I向。J分别与Francis和02428杂交获得2个F2群体用于遗传分析。其中hfa。lx

02428

F2群体同时用于突变基因的精细定位,包含3

317个单株。

1.2外源赤霉素处理

采用微滴法分析外源赤霉素处理对苗高的影响【291。取突变体hfa.J和亲本Francis种子各30粒,用3%NaCl0溶液浸泡消毒30min,蒸馏水冲洗3次,30。C培养2d。将萌发种子置1%琼脂培养基上,30"C光照培养。在水稻幼苗第2片叶鞘长出2d后,用含10

gL-1

GA3的乙醇溶液处理胚芽鞘,3d后测

量第2片叶鞘长度,求平均值和标准差。对照以ddH20代替GA3处理胚芽鞘,其余操作同上。

,7

1.3

m淀粉酶活性测定

采用碘熏蒸法测定n一淀粉酶活性【301。

制配0.2%马铃薯淀粉和2%琼脂溶液,含10

mmolL-1的NaAc和2mmolL-1的CaCl2,pH5.3。

高压灭菌,冷却到50"C以下,加入适量氨苄青霉素,

加入GA3使浓度为1岬olL-1(对照不加GA3),制备

琼脂平板。种子去壳,用30%的NaCl0表面灭菌30min,再用蒸馏水清洗6次。将种子切成两半,无胚的一半垂直放在凝固的琼脂平板上,用封口膜密封培养皿,30℃黑暗条件下培养4d。用12蒸汽熏蒸使培养皿中的琼脂平板染色,有淀粉酶分泌的半粒种j子周围由于淀粉的降解而呈现无色透明,没有淀粉酶分泌的则转变为蓝紫色。

1.4

IAA和GA的提取及含量测定

根据Dobrev的HPLC法f3lJ稍加修改提取和测定

植物激素认A(吲哚乙酸)和GA。分别从3株六叶期

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第1期郭涛等:一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因hw-l(tffl9鉴定

幼苗取等量新鲜叶片,加液氮研磨,按10mL

g-1加

入预冷(一20。C)酒精/水混合液(5/1,v/v),_4℃过夜萃取。8000xg离心15min使固液相分离,重新萃取不溶性残渣12h。将2次萃取的上清液混合,真空旋转干燥至第二相。加入等体积石油醚,过滤15

min

除去油脂和部分植物色素;重复抽提两次,弃石油醚相。用等体积的乙酸乙酯萃取水相2次,弃水相,真空干燥有机相。残留物溶于5

mL

100%蚁酸,以

多微孔膜(O.45um)过滤。每个样本取20uL注入HPLC仪(LC.20AT,Shimadzu,日本),流速1

mL

min~,以UV检测探头在波长254am下连续监控

20

min。流动相由甲醇,水,乙酸(45/54.4/0.6,v/v/v)

组成。分别将IAA和GA3溶于甲醇/水(4/1,v/v)配成标准液(2mg

mL_1),并稀释成5个不同数量级浓

度。

1.5突变体对温度的敏感性

采用相同光强度、光周期和不同温度(15。C、20℃、25℃、30℃、35"C)在人工气候箱(RXZ.280B,江南,中国)中培养突变体和亲本,观察第1~4叶片颜色变化。

1.6净光合率和叶绿素含量测定

在LED光源下采用便携式光合测定仪(Li.6400,Lincoln,美国)于苗期和拔节期测定突变体和亲本

上二叶的净光合率,检测时间为上午8:30—10:00。其后分别从每个处理取3株材料的新鲜叶片,等量混

合(0.1~0.5g),用95%丙酮抽提48h。采用分光光度

计分别测定抽提液在波长645nm和663am下的OD

值。利用AITIOn掣611的方法计算总叶绿素、叶绿素

a和叶绿素b的含量,每个处理重复3次。

1.7叶绿体超微结构观察

将水稻幼苗不同时期的叶片切成小块(3

mln

mm),用4%戊二醛溶液固定(含0.1molL_1pH7.3

磷酸缓冲液和l%锇酸)。再以不同浓度乙醇溶液脱

水,环氧树脂812包埋,超微切片机(UCT,Leica,德

国)切片,电子显微镜(Tecnail2,FEI,荷兰)下观察叶绿体超微结构并照相。

1.8

DNA提取及PCR检测

采用CTAB法【32】提取水稻基因组DNA。PCR

扩增体系含2xPCR

Reaction

Mix10pL(含100

mmolL~KCl、20mmol

L-1

Tris—HCl、3mmolL一1

MgCl2、400mmolL~dNTP),TaqDNA聚合酶(5

“L-1)0.2pL,引物(10pmolL_1)各1pL,模板DNA

uL,超纯水补至20¨L。反应条件为94。C预变性

min;94*C变性30S,55*C退火30S,72*C延伸30

S,

35个循环;72*C延伸7min。扩增产物经8.0%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(电泳缓冲液lxTBE,电压75V时间2.5h),0.1%AgN03染色,BIORAD凝胶成像系统观察、照相、读带。

1.9

SSR标记来源及lnDel标记的开发

选择已公布的SSR标记用于突变基因定位,引

物序列来自http://www.gramene.org/。

按照Shen等[33】的方法,在NCBI(http://www.布的核苷酸序列进行BLAST对比,在已定位区间内‘寻找插入缺失5。20bp的序列,根据其上下游序列1.10连锁分析

采用Michelmore等【34】提出的近等基因池分析法筛选突变基因连锁标记。在F2群体中随机挑选10因池间扩增有差异的标记,再用分离后代单株验证找与突变基因紧密连锁标记在水稻基因组(日本晴)

hfa.1叶色受生长发育和温度调控

三叶期之前,突变体hfa.J的第1和第2片叶为

白色,随后逐渐转绿(图1.A—D),三叶期之后,叶片由叶基到顶端,叶脉至叶缘完全转绿,有时新分蘖叶片也为白色,但很快转绿。相反,突变体亲本而hfa..f的白化转绿表型则受温度调控(图1一E~H),当温度为25—30*C时,叶片完全白化,温度介于

15—20*C时,叶片为黄白色。显然,hfa.J的叶片颜色

同时受植株的生长发育和外界的温度调控。

叶绿素缺失导致nya.1叶片白化

为进一步研究突变体的白化转绿表型,分别于

和亲本叶片的叶绿素含量和净光合速率(表1)。结果

ncbi.nlm.nih.gov/)上对粳稻日本晴和籼稻93.11已公设计InDel标记引物。

个突变表型植株和10个正常表型植株,分别取等量DNA混合,构建两个基因池。通过引物筛选寻找基该多态性标记是否真正与目标基因连锁。利用MAPMAKER作图软件构建目标基因区域的连锁图谱。通过Gramene网站(http://www.gramene.org/)查上的位置,构建覆盖目的基因的物理图谱。用禾本

科基因组自动注释系统(http://www.gramene.org/)预测候选区域的基因组序列可能的编码区(ORF)。

2结果与分析

2.1

Francis叶片在不同生长发育时期均为绿色。人工控温条件下,突变体亲本Francis叶色未受温度影响,2.2

水稻二叶期(白化期)和拔节期(转绿期)测定突变体

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作物学报第38卷

和总叶绿素含量分别只有亲本的3.57%、1.41%和

3.05%,而叶绿素“叶绿素b比值(6.56)显著高于突变体亲本。与叶绿素含量减少相对应,苗期突变体净光合速率比亲本减少35.3%。突变体叶片转绿后,两者的叶绿素含量和净光合速率并没有显著差异,表明突变体的叶绿素含量和净光合速率已经到达正

常水平。上述结果揭示突变体白化是叶绿素缺失的一种表型。

2.3

hfa-1叶绿体结构异常

利用电子显微镜观察不同时期hfa.J和突变体

亲本叶片细胞的超微结构。结果表明,白化期突变

体叶片细胞超微结构与亲本明显不同。不同发育时期亲本的叶绿体均正常发育,含有大量的叶绿体基

围1苗期突变体hfa-I与亲本Francis的裹型Fig.1Pheno圩pesofthemutant蜘-1andthewildtype

Francisatseedlingsta辨A—D:第1-4叶期突变体和亲本表型;E—H:不同温度(15℃、20"(2、25"C、30℃)下突变体和亲本的表型。左边为^向.J,右边

为Francis。

A—D:Phenotypesofthemutantandthewildtypeatthelst-4thleafstages;E—H:Phenotypesofthemutantandthewildtypeunderdifferenttemperatures(15"C。20"(2,25"(2.30℃)Left:^廓一j;Right:

Francis

粒、淀粉粒和整齐排列的类囊体薄片(图2一A)。突变体白化期叶绿体的多数细胞质和细胞器分散到细胞

壁周围,整个细胞严重降解,形成大空隙(图2-B);质体数量少且体积小,除内外膜,其他部位缺失叶绿体基粒和类囊体薄片(图2-c,D)。转绿期突变体部

分质体迅速生长。叶绿体基粒和类囊体薄片数量快速增加;完全转绿后,突变体叶绿体发育恢复正常,

叶绿体变为椭圆形且类囊体膜逐渐增加并按顺序排

表明,二叶期突变体的叶绿素含量和净光合速率明显不同于突变体亲本。突变体叶绿素a、叶绿素b

表1

列(图2.E,F)。上述结果揭示突变体质体发育不良导

致叶绿体结构异常,最终影响叶绿素合成。

Table1Content

突变体^向-1与亲本的叶绿素含量和净光合速率

ofchlorophyllandthephotosyntheticrateofthemutanthfa-1andthe

wild

type(i±锄

”表示极显著差异(1%);‘表示显著差异(5%)。

”Significantdifferenceatthel%levels;‘significantdifferenceatthe5%levels

2.4

hfa.1表现多分蘖矮秆

hfa.J叶片转绿后比亲本提前进入分蘖期,并出

和2次分蘖组成。上述结果表明突变体的分蘖生长模式发生了改变。

现多分蘖表型。田间种植的突变体平均分蘖数为

41.4,比亲本平均分蘖(7.8)增加4.31倍(图3和表2)。移栽后8.7d,^向.』‘主茎第一节开始长分蘖芽,而亲本则迟至移载后19.2d。另外突变体的分蘖天数比

除多分蘖外,hfa.j同时伴随植株矮化(图4.A)。

与亲本(93.28cm±1.17cm)相比,抽穗期hfa—J株高

(67.88cm±0.38cm)减少27.2%。为鉴定h.fa.J的节

间伸长模型,分别测量突变体和亲本的地上部节间及穗长度。结果表明,h.fa.』的穗和所有节间长度均比突变体亲本缩短,其中底部3个节间最为明显。

亲本延长48.9%(40.5±1.0

VS

27.2±1.6)。亲本分蘖主

要发生在第2到第7节,分蘖芽集中在上面3节.而

突变体的分蘖芽却一直长到第8节。此外,突变体主要由2次和3次分蘖组成,而亲本则完全由1次从上到下突变体的穗和节间长度分别减少31.02%、

33.89%、37.55%、59.5l%、50.25%和50.83%(图4.B,

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第1期郭涛等:一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因由俨m肭鉴定

44。5

{萋

一WT

^向一J

IAA诱导的顶端优势影响,去除或削弱IAA活性可以解除顶端优势对分蘖芽生长的抑制o”。本研究测定苗期突变体和亲本IAA的含量。结果显示,突变体IAA的含量分别为(3.80=Eo.55)pgg~。比突变体亲本(3.48

lagg。±0.51Pg

:一一——。==!==二二二283l3437404346495255586I6467707376

DaysafhBwing(d)

围3^加.I的多分蘖特性

Fig.3HightmeringcapacityofhSa I

A:箭头所指为ya-J的第1个分蘖,亲本此时尚未分蘖;B:ya—j与突变体亲本的分蘖数组成;c:蛳,一j和突变体亲本分蘖数的动

态分析。

g-1)略有增加,但无显著

差异(图5)。表明突变体多分蘖表型与苗期叶片内源激素IAA含量无关。

2.6

hfa-1的矮生性与GA的合成和信号传导无

植株的矮化常常与赤霉素(gibberellinacid,GA)

A:Thefirsttillerof帕一』.The

arrowindicatesthefirsttillerin

村h一』.whichisabsentinwildtype(wT)at山isstageB:Tiner

compositionofya-JandWT.C:Dynamicanalysisoftillernumber

between瞧向-JandWT

等植物激素的生物合成或信号传导有关[38-39】。为研究突变体矮生性与GA合成和信号传导间的关系,

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28

作物学报第38卷

总分蘖数T0talNo.0f叫Hs

分蘖节Tilleringnode

有效分蘖数No.ofeffectivetillers

移栽后分蘖天数Daysoftillefingaftertransplantation(d)分蘖持续天数Daysoftfllerthgduration(d)”表示极显著差异(1%);。表示显著差异(5%)。

”Significantdifferenceat1%levels;‘Significantdifferenceat5%levels.

m●m

玎丘坶打

篙;|l~

嵩淼一

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∞蚰舯∞∞蛐柏蛐加m

㈣D脚

,+

图4抽穗期突变体hfa-1和亲本的裹型

Fig.4

Phenotyplc

analysisofthemntanthfa-Iandthewildtype

A:抽穗期ya—J与突变体亲本植株表型,标尺示10cm:B:hfa—I与突变体亲本穗和节间形态;c:hfa—J与突变体亲本穗和节间长度比

例。P:穗。I—v:顶端到底部节间;D:矮秆突变体节间伸长模型口”。

A:pllenotypeofthemutantandwild type(wT)atheadingstage,barl0cmB:PhenotypicexhibitionofpanicleandinternodesofthemutantandthewildtypcC:Comparisonofthecon研butionofpanicleandeachintarnodesto山eplantheightinthemutantandthewildtypc;P:panicle.I_V:血crespectiveinternodesfromtoptobottomD:Internodeselongationpatternsofvariousdct:dwarfmutantsandwildtype”“

GA3诱导下n.淀粉酶活性相似(图6)。上述结果揭示

hfa.J属Ebisu型矮化突变体…】,表明坷h.』的矮生

2O

性与GA的合成和信号传导无关。

2.7

86

hfa-1突变表型受隐性单基因控制

hfa.J的Ml—M6代均出现相同的突变表型,表

明变异表型并非由环境因素造成,而是由基因突变所致。将突变体与表型正常的品种,如野生型亲本Francis和02428杂交,Fl植株的株高、分蘖数和叶色均与表型正常亲本相似。根据叶片颜色,每个F2群体的单株均可划分为两类,其中一类表型正常,

42

图5苗期突变体kfa-I和亲本内源激素(IAA。GA)的含量

Endo-hormones(IAA,GA)contentsof埘h-JandtheFig.5

wildtypeatseedlingstage

另一类与突变体相似,且分离比例符合3:1(表4)。

F2群体的白化植株均伴随多分蘖矮秆性状,而叶色

正常单株的分蘖数和株高均正常。表明多分蘖矮秆

本研究测定了突变体和亲本的内源GA含量及n.淀粉酶活性,并分析外源GAs处理对第2片叶鞘的影

响。结果表明,苗期突变体和亲本内源GA含量分别为(11.00+I.02)Pgg-1和(11.65_+1.59)lagg~,两者

和白化转绿属共分离性状。上述结果表明hya.J的突变表型受一对隐性核基因控制,暂命名为hw一1(0。

2.8

hw-JⅢ基因的定位

为定位白化转绿、多分蘖矮秆基因hw.1(0,首

并无显著差异(图5)。与未施加外源GA3相比,外源

GA,处理下突变体和亲本间第2片叶鞘增加长度和长度比例均相近(表3)。此外,突变体和亲本在外源

先选择408个均匀分布于水稻染色体上的SSR标记,逐个在白化、绿叶基因池间进行多态性分析,然后

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郭涛等:一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因hw-l(t啪鉴定

GA,处理对突变体hfa-I和亲本第2片叶鞘长度的影响

The2ndleafsheathelongationofthemutantya-IandthewildtypewithGAstreatment

表3

29

Table3

表示舔加GA3:—G~表示没有添加GA3。

mean¥GAtreatment;—GA3meanswithoutGA

treatment

个白化单株并用标记RMl7605和RMlll3检测。结果在hw.1(0与RMl7605之间共检测到56个重组,而hw.1(0与RMlll3之间存在11个重组。根据重.组率计算其遗传距离,hw.1(0与2个标记间的距离

分别为1.55cM和0.44cM(图7)。

为了进一步缩小hw.1(0的定位区间,根据粳稻品种日本晴和籼稻品种9311的基因组序列差异,在

RMl7605和RMlll4区间内开发38个InDel标记,

其中7个标记在hfa.j和02428间存在多态性(表5)。连锁分析发现在F2(坷h.1x02428)群体中HW2、

HW21、HWl5、HW3、HW27、HW7与hw一1(0间分

别发生42、30、24、22、9、7和2重组事件,而HW36与hw.1(0间则出现零重组。根据重组结果,最

终将hw.1(0定位在HW27一HW7区间内,遗传距离

圈6蛳1.1和亲本a-淀粉酶诱导实验

lateassayofⅡ amylaseinductiononhfa Iandthe

分别为0.186cM和0.053eM(图7.c)。

2.9

hw-1(0定位区域物理图谱构建

type(wD

b表示舔加GA¨—G~表示投有添加GA3。

wild

fl¥GA

从Gramcne数据库(http://www.gramene.or奶下

载hw.1(0基因所在区域的克隆序列,根据克隆之间

的重叠关系将克隆首尾相连,随后将RMl7605~

RMI

treatment;—GA3meanswithoutGAtreatment.

表4F2群体白化和绿叶檀株的分离

60rs

;egregaUonofalbinoandgreenphntsinBpoputa-

14之间的多态性标记与克隆序列整合,9个与

F2群体

F2popala-

正常表型

Normal

突变表型

Mtttant

/ga.j座位紧密连锁的多态性标记锚定在AL606999、

些女壁9壁

瑚¨∞

(il)

AL606646、AL606619和AL606652四个克隆上(图

8),其中与hw.j俐两侧距离最近的标记HW27和HW7分别锚定在克隆AL606619的29.2kb和73.1

蚴螂煳蛳蛳哪

啪m詈|

勰瑚帆

kb处。最终将hw一1(0座位界定在HW27和HW7之

间46.9kb的物理距离内,对应于日本晴第4染色体序列(5’_3’)33

902708—33949569

个池间表现出多态的标记进一步检测F2群

bp区间(hup://

邑否与hw.1(0存在连锁关系。结果第4号35个供试SSR标记有2个(RMl7605和在基因池间表现多态性。进一步用和RMlll3检测126个F2白化单株,结果.1(0与RMl7605存在15个重组,而与

存在6个重组。hw.1(0被初步定位在一RMlll3区域内(图7)。

WWW.gramene.org/)。

根据禾本科植物基因组自动注释系统(http://

www.gramene.or90预测该区域的基因组序列,得到13个ORF,其中有8个假定的表达蛋I!t(expressed

pro-

tein),4个功能未知的表达蛋白和1个假想蛋白

(hypotheticalprotein)(表6)。功能注释表明LOC—

Os04957320为假定的IMMI丌ANTS蛋白,immutants

882

细定位hw-1Ⅲ,将F2作图群体增加至1

(拥)作为拟南芥的典型叶色突变体,其显著特征为叶

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作物学报第38卷

Table5

与hw.1(0基因连锁的SSR和InDel标记

PCR basedSSRandInDelmarkerslinkedtohw-1(0

反向引物

Reverse

表5

gene

M池r

RMl7595RMl7605HW2HW21HWl5HW3HW27HW36HW7

RMlll3RM559

标记正向引物

ForwardPrimer(5L3。)

起始位点

Startposmon(bp)a

#增岁段

primer(5f_3’)

裟篙

171194255288169299189860289428169

GGGATCACGGAGCTCAAGTACCATTAAGGGCCTGCTCTGTTCTGCTGTCAGCCATCGTCATCGATCCAAGCCTCCCGTCTGCTCCACCATTCATTTCTACTGTCGCATGGTGAGATAGGAGCAACAGGCGTTAGTCTATGGTATGCTTTTCAGACGGTCGTCGTCCTCTTCTCTTCATCGGTTCTTGGGTTGGTGAGCTTCCAGAGCGATGGGTGTCAGTTTGC

GCTCCTCCCAAACCCAAATCCGTCCACTCCTCTCCCTATCATGCAGCCGTCAGTCAGCAAAGGTCAGGGCTCTTCTGCACTCTACTCCGAGATGCCGTCGTTAGGTGAAGGAGACGGGAAAGATTTCGTGGTCTCATAGGTTGAGACGAGAGTTATACTCCT

GCTAACACCGAAAGAGGCAAAGCTAGGGCGCATGTGTATTTCTTCCCGTACGTACACTTGGCCCTATGC

3346848133680591336925573377763433866129338798923390251933923819339495693408597335151595

4对应的粳稻品种日本晴第4染色体的基因组位置。

Thegenomicpositionof

chromosome4inricecultivarNipponbare

RM348

RMl7595

RMl7605

RMl113

RM559

Chr.4N=126

Marker

BMarker

RMl7605HW2HW21HWl5HW3HW27HW36HW7

RMlll3

Geneticdistance

1.4881.1160.7970.6380.2390.186:0.053eM0.292

(c№

BAC

56

4230

24

97

02

11

N=1882

Physicaldistance

Ge∞似呻

10

11

12

13

Fig.7

利用F2作图群体(hfa.1x02428)定位hw.J㈣基因

Mappingofthehw 1(0geneusingtheF2population(hfa-lx02428)

图7

(A)hw一1(0被初步定位在第4染色体SSR标记RMl7605和RMlll3区间内;(B)hw.1(0被精细定位在第4染色体InDel标记HW27和

HW7区间内;(c)通过GRAMENE数据库预测46.9kb区间内有13个候选基因(表6)。

(A)hw一1(0wasmappedtotheintervalbetweenSSRmarkersRMl7605andRMlll3inchromosome4;(B)hw一1(0wasfinemappedto

intervalbetweenInDelmarkersHW27andHW7inchromosome4;(C)Inthe46.9kbregion,13putativegeneswereannotatedin

GRAMENEdatabase(Table61.

the

片斑驳,即同一片叶出现白化和绿色表型。现已探明与拟南芥IM突变体存在诸多相似,推测LOC—Os04957320最有可能为J}1w.J例的候选基因。

拟南芥眺突变体的斑驳表型由单隐I生基因控制,且受

光强和温度调节‘581。拟南芥砌基因突变除了影响叶片表型外,还对植株的其他性状产生广泛的影响,例如植株变矮,根部延迟生长。考虑到hfa—J的突变表型

3讨论

叶绿素合成通路或叶绿体蛋白转移途径上的任

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第1期

涛等:一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因五一盼)的鉴定

表6定位区间基因功能注释

Table6

Geneannotatedin

31

mappingregion

编号基因特性位置

型竺:

12345678910111213

鱼!望!

LOC~Os04957220LOC~Os04957230LOC~Os04957240LOC~Os04957250LOC~Os04957260LOC~Os04957270LOC~Os04957280LOC~Os04957290LOC~Os04957300LOC~Os04957310LOCOs04957320LOC~Os04957330LOC~Os04957340

旦!!!!i旦堕!呈

Ubiquitin—conjugating

enzyme,putative,expressed

RegulatoryproteinRecXfamilyprotein,putative,expressedHypotheticalprotein

Latencyassociatednuclearantigen,putativeExpressedproteinExpressedproteinExpressedprotein

OsFBXl53一F—boxdomaincontainingprotein,expressed

Phosphatidylinositol3一and4-kinasefamilyprotein,putative,expressedThiol—disulphideoxidoreductaseDCC,putative,expressed

生旦!生竺呈

Chr.4:33,902,638—33,905,573Chr.4:33,906,501—33,910,311Chr.4:33,910,630—33,911,740Chr.4:33,913,726 33,914,352Chr.4:33,915,428—33,917,365Chr.4:33,919,573—33,919,779Chr.4:33,921,534—33,922,056Chr.4:33,925,215—33,927,102.Chr.4:33,929,014-33,931,816Chr.4:33,934,397—33,938,496Chr.4:33,937,718-33,940,830

Immutansprotein,putative,expressed

Expressedprotein

AP2domaincontainingprotein,expressed

Chr.4:33,942,870—33,946,059

Chr.4:33,948,761—33,949,333

何障碍均可能抑制叶绿素代谢,而叶绿素代谢变化

常导致叶片颜色改变。因此,叶色突变体对深入分

温下完全白化,低温下黄化,属高温表达型。相反,已报道的白化转绿突变体W25为低温表达型[171,而

析叶绿素代谢相关基因的分子调节机制具有重要的

作用【411。叶色突变体的来源十分广泛,包括自发突变‘鲫、人工诱发突变‘421、插入突变‘43一“1和基因沉默突变【45。461。人工诱发植物基因突变是创造新种质、选育新品种的有效途径。已报道的叶色突变体多数通过化学诱变和辐射诱变获得。尽管目前鲜有关于空间环境诱发水稻叶色突变的系统研究。但空间诱变似乎不失为一种有效的突变途径【4¨。除了本研究发现的白化转绿突变体外,我们还在其他空间诱变实验中获得系列叶色突变体,包括紫叶、淡绿和黄化等。

hfa.J白化期不仅叶绿素a和b的含量显著减少,且叶绿体发育异常。由此推断hfa.j的白化表型并非来自单纯叶绿素合成途径中某一基因的突变,而是叶绿体发育异常导致叶绿素合成受抑制所致。水稻的白化突变多与叶绿体发育异常相关。已知突变体qiufeng的白化转绿表型由基因gra(t)编码区产生C.T

G9则为温度钝感型[231。第三,其他农艺性状不同,

已报道的白化转绿突变体的其他农艺性状多数不受影响,而hfa.J除白化转绿外,还伴随着多分蘖矮秆表型。遗传分析表明hfa.J的白化转绿和多分蘖矮秆表型表现为共分离现象。第四,基因定位的结果不同。已定位的白化转绿基因gra(t)t271、gra一一91、gra.2t201、G9t231分别位于水稻第5、第6、第10、第

1染色体,与hw.JffJ并非位于同一染色体。此外,

在hw.J俐的定位区间内,也尚未有关于其他叶色基因定位和克隆的报道。第五,功能预测表明编码IMMUTANTS蛋白的LOC—Os04957320最有可能为hw.J∽的候选基因,尽管拟南芥中immutants突变体被广泛研究报道,水稻上immutants突变体迄今尚未报道,因此可确定hw一』㈨为新发现的水稻白化转绿基因。

独角金内酯(strigolactones)作为一类新的植物激素能抑制植物侧枝的形成【4s-4引,它与生长素协同控制植物的侧枝生长,以维持植物的株型。由于该激素容易挥发,测定难度特别大,相关研究刚刚起步。但目前已初步探明植物中独脚金内酯的前体是

的替换所致,该基因编码叶绿体蛋白合成延伸因

子【271。Xgla掣锎观察白化突变体all2的叶绿体超微结

构发现,叶绿体几乎不发育,只出现小囊泡状结构。

尽管hfa.J与之前报道的白化转绿突变体[17’281均表现为苗期白化,随后叶色恢复正常,但hfa.』的突变表型与它们存在诸多差异。首先,苗期白化程度及转绿时期不同,hfa.J在常温下苗期完全白化,四叶期完全转绿,而其他突变体要么叶片不完全白化,要么转绿期与hfa.J不同。其次,温度对白化表型产生的影响不同,hfa.?白化表型受温度调控,高

类胡萝卜素,其合成需经过多个步骤[501。已报道的

水稻多分蘖矮秆基因多数参与独脚金内酯合成和信号传导。其中D17/HTD、DIO、D27参与独脚金内酯的合成,而D14/HTD2/D88,D3基因则参与独脚金内酯的信号传导[511。本研究初步探明hfa.J的多分蘖矮化表型与苗期GA和IAA含量无关,推测可

作物学报,农作物,期刊,一级学报,写作

32

作物学报第38卷

能与独脚金内酯有关。这不仅是因为与已报道的多个IMMUTANTS基因,已知拟南芥IM基因编码1个分蘖矮秆基因多参与独脚金内酯的合成与信号传导,类似于线粒体交替氧化酶(AOX)的界面膜蛋白[54-551,更因为独脚金内酯的前体是类胡萝h素。类胡萝h并作为光合系统氧化还原过程中电子传递的接受器素是一类重要的光吸收辅助色素,除了参与光能的行使末端氧化酶功能口“,对质体的新陈代谢起关键捕获外,更重要的作用是通过清除光合作用产生的作用””。拟南芥中IM基因的突变导致苗期八氢番叶绿素三线态、单线态及超氧阴离子等自由基和猝茄红素去饱和途径电子传递受阻,造成叶片中八氢灭叶绿素多余激发能,起到光保护作用[52-53】。缺乏番茄红素积累,而胡萝h素含量锐减。尽管水稻上类胡萝h素不仅影响独脚金内酯的合成,产生多分尚未有关于IM基因的研究报道,但拟南芥和番茄”目蘖矮秆表型,而且容易导致光合系统破坏,造成叶中IM基因的突变均导致叶片颜色及其他性状的变绿体发育不良,产生白化表型。考虑到^向.J的白化异,因此有理由相信水稻上IM的突变也会导致类表型总伴随着多分蘖矮秆表型,推断hw—JffJ基因可

似的表型变异。

能参与类胡萝h素合成。事实上定位区间内ORF功

结合前人对IMMUTANTS以及独脚金内酯的研能预测结果也进一步支持hw一1(0参与类胡萝h素合究结果,我们推测hfa.J白化转绿和多分蘖矮秆的突成的推论。功能预测表明hw.1(0定位区间内含有1

变机制如下(图8)。hfa.』由于IM突变导致苗期光合

(Pbotooxidatlon)

图8^,4-J的白化转绿和多分蘖矮秆模型

n昏8

Modelofgreen-revertible“hiⅡoandhigh-tilleringdwarfinhfa.1

PSII:光合系统Ⅱ;PSI:光合系统I:PQ:质体醌:PDS:八氢番茄红素去饱和酶:CCD:类胡萝h素裂解双加氧酶:

P450:细胞色素P450。

PSI]:photosystemII;PSI:photosystemI:PQ:plastoquinone;PDS:phytoenedesaturase;CCD:carotenoidcleavagedioxygenases;

P450:cytochromeP450.

作物学报,农作物,期刊,一级学报,写作

第1期郭

涛等:一个控制水稻叶色白化转绿及多分蘖矮杆性状基因由w—J∥的鉴定

33

系统II(PSII)的电子传递受阻,PSII能量持续积累,产生大量单线态氧;PSII电子传递受阻同时导致苗期胡萝卜素含量减少,缺少类胡萝卜素保护的叶绿体被单线态氧破坏,产生白化表型。与此同时,由于苗期缺乏类胡萝卜素,独脚金内酯合成不足,从而减少对分蘖芽的抑制,导致突变体产生提前分蘖、多分蘖矮秆表型。尽管IM影响质体醌(PQ)池的电子传递,但IM对PQ池电子传递并非是不可或缺的。植物体内可能存在其他可弥补IM缺失的电子传递途径【561。随着植物的生长发育,其他电子传递途径开始起作用,逐渐修复IM突变造成的损伤。此时类胡萝卜素含量逐渐增加,同时PSII的电子传递也日

趋顺畅,最终使叶片颜色逐渐恢复正常。

尽管上述推导能够将白化与多分蘖矮秆表型的变异有机联系起来。但要验证上述推论,需要补充以下实验。第一,对hw一1(0进行图位克隆,确定突变基因是否为IM基因。第二,不同时期内源类胡萝卜素的含量测定,确定突变体苗期和分蘖期类胡萝卜含量是否低于突变体亲本。第三,苗期施加独脚金内酯的人工合成类似物GR24[591,看能否抑制多分蘖矮秆性状。当然,在技术成熟的情况下,直接测定独脚金内酯的含量将更直截了当。除此之外,目

前并未能排除另一种植物激素一细胞分裂素

(cytokinin,CK)对hfa—J多分蘖表型的影响,因为相关研究已证明CK也参与植物的分枝发育调控[601。对突变体CK含量的测定将有助于进一步阐明hfa.J的多分蘖矮秆突变机制。目前,后续的验证工作正在陆续开展。

结论

从水稻空间诱变后代群体中发现新型白化突变

体hfa—J,其多个突变性状均受单隐性基因hw—J例控制。hw.1(0属新型白化基因,可能编码IMMU—TANTS蛋白,进一步对其图位克隆和功能分析将有助于了解植物生长发育调控的机理。

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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

郭涛, 黄宣, 黄永相, 刘永柱, 张建国, 陈志强, 王慧, GUO Tao, HUANG Xuan, HUANGYong-Xiang, LIU Yong-Zhu, ZHANG Jian-Guo, CHEN Zhi-Qiang, WANG Hui华南农业大学/国家植物航天育种工程技术研究中心,广东广州,510642作物学报

Acta Agronomica Sinica2012,38(1)

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