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一个新的水稻叶形突变体(tll1)的遗传分析与精细定位

2022-09-10 来源:好走旅游网
植物学报Chinese Bufle ̄n ofBotany 2010,45(6):654-661,、^『\Ⅳw.chinbullbotany.com doi:10.3969/j.issn.1674—3466.2010.06.002 ・研究报告・ 一个新的水稻叶形突变体(tu1)的遗传分析与精细定位 鞠培娜’,2方云霞’,邹国兴’一,彭友林’,孙川’,胡江’,董国军’,曾大力1, 郭龙彪’,张光恒’,高振宇’,钱前’ ’中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室,杭州310006; 杭州师范大学生命与环境科学学院,杭州310016 。江西省农业科学院水稻研究所,南昌330200 摘要 利用甲基磺酸乙酯(ethylmethane sulphonate,EMS)诱变粳稻品种日本晴获得了一个遗传稳定的叶形突变体 thread-like leaf 7(til1)。该突变体在杭州表现为矮化、窄叶.极端时仅剩主脉,呈细丝状。将该突变体分别与籼稻品种南京 6号、浙辐802和9311进行正反交配组,遗传分析表明该突变体性状由1对隐性单基因控制。通过SSR和STS分子标记对F2 代分离群体进行遗传定位,将该基因初步定位在第12染色体SSR标记RM247和RM1O1之间。随后利用已公布的粳稻品种日 本晴和籼稻品种931 1的基因组序列,发展了7对有多态的STS标记,最终将该基因定位在FL13和FL14之间约94.3 kb的区 间内.为进一步克隆丁L£_7基因奠定了基础。 关键词遗传分析,叶发育,基因定位,水稻,丝状叶 鞠培娜,方云霞,邹国兴,彭友林,孙川,胡江,董国军,曾大力,郭龙彪,张光恒,高振宇,钱前(2010).一个新的水稻叶 形突变体(f『『7)的遗传分析与精细定位.植物学报45,654-661. 水稻(Oryza sativa)叶片是进行光合作用的主要 营养器官,在植株的生长和产量的形成中起重要作 用。是超高产育种中理想株型的主要组成部分。叶片 oryzabase/top/top.jsp)。通过QTL分析获知RL7和 RL8定位于第5染色体的长臂上(李仕贵等,2000)。 SHALLOT-LIKEI(SLL7)与尺L9为同一基因,该基因 编码一个MYB家族的SHAQKYF转录因子,调控叶片 是基本的侧翼器官(Coen and Meyerowitz,1991), 其发育起始于茎顶端分生组织(shoot apical meris- tem.SAM)周边区的起始细胞,这些细胞的不断分化 形成了叶原基,再经过近.远轴、中一侧轴和基一顶轴3 近远轴的极性(Yah et al。,2008;Zhang et a1.,2009)。 而RLIO(t)一RL12ffJ则分别定位在第4、7和1O染色体 上,其中RLIO(t)和RL11(0已分别被精细定位到31.6 kb和52 kb的区间内(方云霞,2007;施勇烽等,2009; 罗远章等,2009)。近来的研究表明,小分子RNA也参 与调控叶片的发育。其中水稻的O朗GO7编码一个具 有PAZ和Plwl结构域的Argonaute(AGO)家族蛋白。 涉及miRNA或siRNA的靶mRNA的切割,该基因的过 个轴向的极性发育后,形成完整的叶片。这些过程中 的发育异常将直接或间接影响叶片的形态。 叶片的发育是一个复杂的基因调控过程。除了内 在的遗传因素占主导作用外,基因的表达和调控也与 环境因子发生相互作用,导致许多突变体在不同生长 条件下的突变表型也不尽相同(Waites and Hudson, 1 995;Waites et a1.,1 998;Timmermans et a1., 表达与突变体植株均表现为正卷(Shi et a1.,2007)。 通过经典遗传学方法已将窄叶突变体nall-nal7定位 在第4、11、12、4、4、3g1 ̄3染色体上。其中NAL1 1 998)。迄今,已有水稻多个叶形基因的研究报道,主 要集中在卷叶和窄叶的性状上。其中卷叶突变体 ,f7一r』6分别定位在水稻经典遗传图的第1、4、12、1、 编码一个与生长素极性运输相关的蛋白,该基因的突 变导致叶片维管束数目的减少(Qi et a1.,2008)。而 L7与y己,CCA家族同源。编码一个含黄素单氧化 3和7染色体上(http://www.shigen.nig.ac.jp/rice/ 收稿日期:2010-03.10;接受日期:2010-09-03 基金项目:国家自然科学基金(No.307101O3903,30870145/30970171)、973计划(No.2009CB118500)和浙江省自然科学基金 (No.Y3071 08) 通讯作者。E-mail:qianqian188@hotmail.com 鞠培娜等:一个新的水稻叶形突变体(UI1)的遗传分析与精细定位655 酶,涉及生长素的生物合成(Fujino et a1.,2008)。水 稻卷窄叶基因NA尺ROW ^『D尺OL£-ED£-E F 7 (NRL1) ̄JJ编码一个纤维素合成类似酶D4(OsCslD4), 该基因的突变能够影响叶片维管束和泡状细胞的发 育,从而造成窄而卷的表型(Hu et a1.,201O),在同一 区间还定位了NAL3(t)和NALffJ(汪得凯等,2009;李 楠等,2010)。从表型和定位结果看,三者应为同一基 因。 本研究小组通过物理、化学及T.DNA插入诱变等 方法构建了近5万份的水稻突变体库,从大量的叶形 突变体中筛选到一个叶片似丝状的突变材料thread- like leaf I( 7),并与浙辐802、南京6号及931 1分别 进行了正反交配组。遗传分析表明该突变表型由1对 隐性单基因控制。利用已经公布的SSR(simple se- quence repeat)标记和新开发的STS(sequence tagged site)标记对丁L£-7进行分子定位。最终将该基 因定位在第12染色体FL13和FL14之间约94.3 kb的 区间内,为进一步克隆该基因打下了基础。 1材料与方法 1.1水稻材料 本实验所用的突变体t//1是利用甲基磺酸乙酯 (ethylmethane sulphonate,EMS)对粳稻品种日本晴 (Oryza sativa L.japonica‘Nipponbare’)进行诱变后 获得。该突变体在杭州表现为矮化、窄叶,极端时呈 细丝状叶,抽穗后花器官畸形。但在海南陵水,突变 体的叶片和株高与野生型无差异,其穗部的表型也不 明显,育性受影响。可少量结实。用此突变体分别与 浙辐802、南京6号及931 1进行正反交产生杂交F1代。 同年F1代在中国水稻研究所杭州试验场种植后自交 获得F2代。2009年5月在中国水稻研究所富阳试验场 种植。在Ulll南京6号的F2代群体中共获得148株隐性 纯合体用于基因初步定位。 1.2遗传分析 在F2代群体中,调查野生型与突变体的数目,用统计 软件SAS8.0进行相关数据分析。 1.3 DNA的提取和71LLf的初步定位 在苗期。将丝状叶突变体挑出,DNA的提取参照 CTAB方法(Murray and Thompson,1 98O),并略作 修改。运用BSA(bulked segregant analysis)法 (Quarrie et a1.,1 999),选取21个单株构建混合池, 用均匀分布于12条染色体的具多态性的96对简单序 列重复标记(SSR)进行分子标记筛选,获得偏扩增带 型后,再用群体中的突变单株进行扩增,从而筛选出 连锁的分子标记。用3%一5%的琼脂糖凝胶电泳检测 PCR扩增产物,经EB染色后用凝胶成像仪进行观察。 1.4基因的精细定位 根据丁LL7的初步定位结果和国际水稻分析计划公布 的日本晴序 ̄U(http://rgp.dna.affrc.go.jp/IRGSP/),在 目标区域内通过NCBI中的Blast对931 1进行序列比 对(http://blast.ncbi.nIm.nih.gov/Blast.cgi)。找到差异 序列后。结合Primer Primer5软件设计上下游引物, 经过PCR扩增和凝胶电泳检测,挑选出有多态性的 STS标记用于基因的精细定位。 1.5连锁分析 根据电泳检测的结果,将突变体t//1的带型标注为1, 南京6号的带型标注为2,而具有t//1和南京6号双亲带 型的标注为3。通过MapMaker3.0作图软件(Lander et a1.,1987)对定位结果进行连锁分析和遗传作图。 2结果与讨论 2.1 突变体f,,f的表型分析 与野生型相比,突变体植株明显矮化(图1A),原始亲 本日本晴的株高为93.98 ̄1.08 cm。而t//1的株高只有 54.82 ̄1.85 cm(图1 B)。t//1的另一个显著特点是叶片 变窄且在主脉附近分叉,极端时仅剩主脉,呈细丝状 叶,其中分叉可以发生在叶基部、顶端和叶鞘处(图 1 C—E),而丝状叶则更似一整片叶退化而成(图1 F)。 2.2突变体f,Jf的遗传分析 为了研究该突变体的遗传特性,将突变体f,『7分别与 籼稻品种南京6号、浙辐802和9311进行正反交配组。 如表1所示,正反交所有F,代植株的叶形、株高均表 现正常,表明t//1受1对隐性核基因控制。在F2代群体 中出现了明显的分离,分别表现为双亲性状,所有组 合中正常植株和突变表型个体数目的比例都接近3:1, 656植物学报45(6)2010 B’O0 80 60 40 20 V、厂r t//1 一Eo一 £a— c c毋一 图1 H_小晴 ̄]tlll的表 (A)野生型(WT)和突变体(f『『7)的植株:(B)野生型(WT)和突变体( 7)的株高比较:(C卜(F)发生在不 (C)叶基部处丝状:(D)叶顶端处丝状;(E)叶鞘处丝状:(F)叶片丝状 Figure 1 The phenotype of t//l and Nipponbam (A)t//1 and wild.type(v\厂r)Nipponbam plant;(B)Comparison of plant height of t//1 and the wild-type(v\,1-):(C)一(F)The thread.1ike leaves in diferent pads(C)The thread—like at the base of the leaf;(D)The thread—like at the tip of the leaf;(E) The thread-I{ke at the sheath of he tleaf;(Fl The thread・like leaf 表1 突变体t//1的遗传分村 鞠培娜等:一个新的水稻叶形突变体( 7)的遗传分析与精细定位657 经卡方适合度检测O 0l05.1=3.84),符合一对隐性基因 控制的遗传分离模式(表1)。本问表现出多态性(表2)。通过这些分子标记最终将 TLL1定位在FL13 ̄FL14. ̄问约94.3 kb的区间内 (图3)。 2.3 TLL1的基因定位 用均匀分布于12条染色体上的136对公用引物对亲本 进行多态性筛选,共获得96对多态SSR引物。再从 f『『7,南京6号的F2代群体中随机抽取21个隐性个体的 DNA构建混合池,以两亲本和F1代的DNA为对照, 通过有多态性的分子标记筛选后发现,位于第12染 色体短臂的分子标记RM247和RM101在F2代突变体 2.4讨论 叶是植物的侧生器官,叶片的发育从顶端分生组织 (SAM) ̄始分化到形成一片完整的叶,这个过程受到 众多转录因子、生长素及小分子RNA等因子的调控, 通常分为叶原基形成和叶极性建立两个阶段。包括叶 在内的所有地上部分的器官均来自SAM(Tsiantis 池的扩增中表现为明显的偏突变体带型,扩大群体 后确定为紧密连锁,如图2所示。为了进一步精细定 位该基因,我们发展了16对STS标记,其中7对在亲 and Hay,2003)。其中位于SAM中心区具有持续分裂 能力的未分化细胞为植物的干细胞,而叶原基则起始 于SAM周边区的起始细胞,这个过程需要一定浓度 P1 P2 F1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 1617 18 19 2021 22 232425 26 27 28293031 3233 34353637 38 39 图2 RM247标记在F2代部分突变体单株中的带型分离图 P1:南京6号:P2:t//1;F1:南京6号It ̄H;1-39:F2代群体中的突变体单株 Figure 2 Segregation of patterns with the RM247 marker among some F2 plants with t//l phenotype P1:NJ6;P2:t/ll;F1:NJ61UI1;1-39:F2 plants with t//1 phenotype 表2用1 丁LL7基因定位的分予标记 Marker FL5 Primer sequence(5'-3’) F:ATGTTGTT1-ACCC1-1_AGTCTCC R:GAGCCAACACGAATCCACTA BAC clone accession No.BX536967 Product size in Nipponbare bp) 273 FL9 F:GGA丌TCTTT_rGTATTTCATT R:GTCCAGGAACCTAAGCT1-GCAC AL831806 279 FL10 F:CATrCTT_CCCGAGTCCAA BX649218 303 R:CACCCTGTTCCCTCCAT_r FL1 2 F:GGGAGAGATAGAGGATAGAGAG AL732376 1 88 R:T丌GACTAGGTCTTCTTCCC FL13 F:1_rTACACCTGCTA1啊rTGGAA R:T1-GGGCTTGTCACATTCG AL713901 398 FL14 F:CC丁TATCCCGAGTAACTmGC AL831 81 1 383 R:G1TTGCCGATAGTATGGGAG1一r FL1 6 F:ATCACGGGTGTTTCTGGG R:GTGCCAAGCAT CTAAACC AL928749 256 658植物学报45(6)2010 Chr,12 TLLI STS RM2935 RM101 I , l 上 l c4) -lI l(4) (1) (1) l(2) 1 .L l(8) Al 732376 . . 蟊749 B ;49218 _ AL713901] .. -j. BⅪ诗6967 806 ●—-—● 10 kb 图3丁L£_7基因在水稻第12染色体上的精细定位 Figure 3 Fine mapping of丁L£_7 on rice chromosome 1 2 的生长素诱导,所需的生长素主要通过极性运输从其 它组织和细胞中获得(Vogler and Kuhlemeier, 2004)、YAB2和YAB3(Eshed et a1.,2001)基因则决 定了叶发育的远轴化命运。近年来的研究发现, HD_z『尸,,,基因的表达也涉及miRNA。这些突变基因 2003)。而生长素的运输又受; ̄UAUX1/LAX蛋白和PIN 蛋白的调节(Bennett et a1.,1996;Luschnig et a1., 1998;Galweiler et a1.,1998;Muller et a1.。1998; Chen et a1.。1 998;Swarup and Bennett,2003; 通过破坏miRNA165和miRNA166的结合位点,进而 影响叶片的近一远轴极性(Nogueira et a1.,2007)。 本研究中的叶形突变体t//1在杭州田问的表型为 矮化、窄叶,极端时叶片分叉甚至整叶呈细丝状。在 Swarup et a1..2004)。同时生长素信号还受到KNOX 和BREVlPEDICELLUS(BP)基因表达的调控(Reinh— ardt et al。,2003)。在叶原基形成的过程中,SAM的维 持受KNOTTED7一LIKE HOMEOBOX(KNOX)基因家 族活性的控 ̄(Scofield and Murray,2006)。如果这 些基因持续表达,SAM的特征就会一直保持。叶原基 玉米(Zea mays) ̄P,也有2个类似突变体的报道,其 中一个是lea ̄ladelessl(Ibl1)。该突变体受遗传背景 和温度影响,极端情况下节问不拉伸,叶片表现为窄 叶、分叉叶、半叶或丝状叶(Timmermans et aI., 1998)。LBL1是ta—siRNA生物合成的必需基因,能够 直接或间接下调K ̄0脲族基因的表达,在起始细胞 招募和近.远轴发育中起重要作用(Nogueira et a1., 2007)。另一个突变体ragged seedling2(rgd2)也表现 出半叶、裂叶、丝状叶以及辐射状叶的表型,通过对 在近一远轴、基.顶轴和中一侧轴3个轴向的发育,尤其 是近一远轴极性的正确分化,是形成完整平展叶形的 基础。其中PHABULOSA(PHB)、PHAVOLUTA(PH\/) 和REVOLUTA(RE 编码同源结构域.亮氨酸拉链蛋 白(Classll lhomeodomain-leucine zipper,简称HD— 叶原基的扫描电镜观察和叶发育标记基因的表达分 析发现,尺GD2同样作用于起始细胞的招募和叶原基 的生长(Henderson et a1.,2005)。 ZIPIII蛋白)(Zhong and Ye,1999;McConnell et a1., 2001),决定了叶片的近轴化发育。而KANADI (Kerstetter et a1.,2001)、YABBY(Yamaguchi et a1., 我们以f『『7与南京6号杂交所得的F2代群体为材 鞠培娜等:一个新的水稻叶形突变体(tlU)的遗传分析与精细定位659 料,利用新发展的7对多态性STS标记,最终将该基 因定位在第12染色体BAC号为AL83181 1和 AL713901之间约94.3 kb的区间内。通过TIGR网站的 注释信息,发现该区段内共有14个预测基因,包括3 个反转录转座子Try—gypsy ̄家族蛋白相关基因(其中 2个为表达蛋白)、2个leafbladeless基因、1个细胞色 素P450基因和1个磷酸核糖氨一甘氨酸连接酶基因。有 趣的是,这14个基因中有2个leafbladeless基因,对 比玉米中该基因突变后的表型,推测丁LL7很可能就 是这2个基因中的一个。因此,下一步我们将对该区 间特别是这2个leafbladeless基因进行测序,为进一 步克隆该基因打下基础。 参考文献 方云霞(2007).水稻卷叶基因tiro(t)的精细定位研究.硕士论 文.扬州:扬州大学.pp.31—32. 李楠,桑贤春,赵芳明,凌英华。李云峰,杨正林,何光华 f2010).水稻窄叶突变体nal(t)的表型分析与基因定位.植 物学报45,157—161. 李仕贵,何平,王玉平,黎汉云,陈英,周开达,朱立煌 (2000).水稻剑叶性状的遗传分析和基因定位.作物学报 26,261—265. 罗远章,赵芳明。桑贤春,凌英华,杨正林,何光华(2009). 水稻新型卷叶突变体fl12’ffJ的遗传分析和基因定位.作物学 报35,1967—1972. 施勇烽,陈洁,刘文强,黄奇娜,沈波,Leung H,吴建利 (2009).一个新的水稻卷叶突变体的遗传分析与基因定位. 中国科学C辑:生命科学39.407—41 2. 汪得凯,刘合芹,李克磊,李素娟,陶跃之(2009).一个水稻 窄叶突变体的鉴定和基因定位.科学通报54,360—365. 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Key words genetic analysis,leaf development,mapping,rice,thread—like leaf Ju PN,Fang YX,Zou GX,Peng YL,Sun C,Hu J,Dong GJ,Zeng DL,Guo LB,Zhang GH,Gao ZY,Qian Q(201 0) Genetic analysis and ifne mapping of a novel thread-like leaf 7(til1)mutant in rice.Chin Bull Bot 45,654-661. Author for correspondence.E—mail:qianqianl 88@hotmail.com (责任编辑:刘慧君) 

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