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密級(jí) 論文編號(hào) 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 學(xué)位論文 水稻半矮稈和早衰突變體遺傳分析與分子定位 of t) t) in of t) t) in - I - 摘 要 矮生性是水稻重要的產(chǎn)量性狀之一,矮稈水稻品種的選育和推廣是 20 世紀(jì)水稻育種工作的最主要的成就之一。 水稻非 生基因的發(fā)掘和利用歷來(lái)受到水稻遺傳育種學(xué)家的重視, 開(kāi)發(fā)新的水稻矮源并及時(shí)加以利用,是避免矮稈良種遺傳單一化從而帶來(lái)遺傳脆弱性的重要研究課題。 本研究以中花 11 的半矮桿突變體為材料,通過(guò)遺傳分析和改良,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有希望用于水稻育種的一個(gè)新的半矮桿基因。還對(duì)一個(gè)早衰突變體進(jìn)行了遺傳研究,并初步將早衰基因定位在第 11 條染色體上。 1、 對(duì)新花矮和矮中花兩個(gè)突變體的農(nóng)藝性狀和半矮生性狀遺傳進(jìn)行了研究。結(jié)果表明它們的半矮生性都是由一對(duì)基因控制的。其中矮中花中的半矮生基因與 位。而新花矮中的半矮生基因 t)與 等位, t)在 謝調(diào)控路徑中可能位于 下游 。 2、 對(duì)新花矮中的半矮生基因 t)與其他的幾個(gè)半矮生基因的等位性 進(jìn)行了分析。研究表明, t)與 半矮生基因 不等位。在苗期用赤霉素和多效唑進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)新花矮對(duì)它們都很敏感。暗處理試驗(yàn)表明,它是一個(gè)與 關(guān)的突變體。 3、 對(duì)新花矮中的半矮生基因 t)的遺傳性狀表現(xiàn)進(jìn)行了研究, 新花矮不僅有優(yōu)良的農(nóng)藝性狀,而且 t)可以與大粒性、穗粒數(shù)和高結(jié)實(shí)率結(jié)合, t)的副作用可以通過(guò)遺傳背景的改良而得以改善。表明 t)有望在水稻育種中利用。 4、 選擇突變體“ 試驗(yàn)材料,開(kāi)展了遺傳分析及初步分子定位研究 ,表明早衰基因 t)是顯性的,利用 記,采用 體表型為野生型的單株,將 t)定位在第 11 條染色體引物 間的 范圍內(nèi)。 關(guān)鍵詞: 水稻 (.),半矮生基因,遺傳分析,早衰突變體 - is of in of of in in 0th of in of in us by of of in In by a be in of a t) t) 1. 1. of HA ZH by in ZH to HA to is by t) in 2. t) t) to A3 at of t) a in 3. of t) of by t) as of be by of t) be in 4. of by SR 2 t) on of 1,.9 cM .), - 目 錄 第一部分 水稻新半矮生基因的發(fā)掘與研究 第一章 緒 論 . 1 1. 1 水稻矮源概述 . 1 1. 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1 本論文選題的意義和目標(biāo) . 12 第二章 新矮稈突變體農(nóng)藝性狀及株高遺傳 . 13 2. 1 材料和方法 . 13 2. 2 結(jié)果與分析 . 14 2. 3 結(jié)論與討論 . 21 第三章 t)等位性分析與 激素生理研究 . 23 3. 1 材料與方法 . 23 3. 2 結(jié)果與分析 . 24 3. 3 討論 . 28 第四章 半矮生基因 t)的遺傳改良 . 30 半矮生性與大粒性的結(jié)合 . 30 半矮生性與大穗型的結(jié)合 . 32 半矮生性與高結(jié)實(shí)率的結(jié)合 . 33 本章討論 . 34 第二部分 水稻早衰突變體 t)的遺傳及分子定位 第一章 緒 言 . 36 述 . 36 老分子生物學(xué)研究技術(shù)與方法 . 36 植物衰老的幾種假說(shuō) . 37 水稻早衰的研究現(xiàn)狀和意義 . 39 第二章 早衰突變體的發(fā)現(xiàn)及基因 t)的定位 . 40 料與方法 . 40 結(jié)果與分析 . 42 討 論 . 46 研究展望 . 46 參考文獻(xiàn) . 47 - 附 錄 . 54 致 謝 . 55 個(gè) 人 簡(jiǎn) 歷 . 56 - 1 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第一部分 水稻新半矮生基因的發(fā)掘與研究 第一章 緒 論 1. 1 水稻矮源概述 栽培水稻中發(fā)現(xiàn)的含有矮稈、半矮稈基因的種質(zhì)都叫矮源。水稻的矮生性是指成熟期水稻的株高比正常植株縮短的遺傳特性,廣義上可以把矮稈分為半矮稈,矮稈和極矮稈 3 種類型。狹義上,矮稈指成熟期時(shí)的株高等于或小于正常親本株高一半的矮稈變異;半矮稈是指株高介于矮稈和正常高度之間的突變類型(谷福林等, 2003)。 正常的水稻植株,成花誘導(dǎo)的完成伴隨著末梢 4 或 5 個(gè)節(jié)間的伸長(zhǎng),而底部 的其他節(jié)間不伸長(zhǎng),水稻矮稈突變體的分類就是建立在末梢節(jié)間伸長(zhǎng)類型不同的基礎(chǔ)上( et 2003)。( 1969)和 1977)將水稻矮稈突變體分成 5 類: 節(jié)間的伸長(zhǎng)方式與野生型相似,只是各節(jié)間按比例縮短; 2 節(jié)間特定的縮短; 部節(jié)間伸長(zhǎng)程度減少,下部節(jié)間伸長(zhǎng); 上面節(jié)間不伸長(zhǎng)(圖 圖 種不同水稻矮稈突變體節(jié)間伸 長(zhǎng)方式示意圖(引自 1977; 999) 1 of of of 1977; 999) 1. 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 水稻最初的矮稈變異來(lái)源于自然條件下自發(fā)產(chǎn)生的突變,包括所有的突變是生物變異的重要- 2 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 來(lái)源,也是生物進(jìn)化的基礎(chǔ)(江樹(shù) 業(yè), 2003),當(dāng)然自發(fā)突變的頻率較低。除了自然發(fā)生突變產(chǎn)生的矮源以外,人工誘變是創(chuàng)造矮源的重要的方法,如物理因素,化學(xué)藥劑,組織培養(yǎng), 空誘發(fā)及遺傳操作等,均能誘發(fā)矮稈變異。 1934)首先報(bào)道了利用 X 射線誘導(dǎo)一個(gè)粳稻品種產(chǎn)生矮稈突變。其他方法,如射線, 32P 處理等方法都取得了成功。上世紀(jì)八十年代,先后通過(guò) X 射線和 137射臺(tái)中 65 和品種,得到了 多個(gè)半矮生基因( 1994; 1989、 1994)。朱 旭東等( 2004)利用射線對(duì)粳稻品種“中花 11”進(jìn)行輻照,經(jīng) 選獲得各類突變體 431份,為水稻功能基因組研究提供了基礎(chǔ)材料。其中有半矮生、小粒矮生、大粒矮生、多糵矮生、少糵矮生、特矮生、長(zhǎng)劍葉矮生、畸形矮生等多種矮生型,約占總數(shù)的 30。 化學(xué)誘變就是利用化學(xué)物質(zhì)來(lái)處理植物(一般是種子)來(lái)誘發(fā)產(chǎn)生突變?,F(xiàn)在最常用的誘變劑是 導(dǎo)矮稈的效果也很顯著, 產(chǎn)生矮稈的頻率在 右(陸兆新等, 1992)。 ( 2002) 已經(jīng)獲得了 14,000 個(gè)水稻 變?nèi)后w,為水稻定點(diǎn)突變的篩選奠定了基礎(chǔ)。 組織培養(yǎng)的方法,結(jié)合化學(xué)誘變及輻射技術(shù)也是產(chǎn)生矮稈突變的有效方法。此外,重組自交系( 雙單倍體群體( 近等基因系( 群體中也常出現(xiàn)可供利用的突變體。 將某些元件插入到水稻基因組中后,相應(yīng)位點(diǎn)的基因的表達(dá)就可能受到抑制,插入元件同時(shí)又可用作標(biāo)簽,從基因組中分離出相應(yīng)的基因并鑒定其功能。目前,水稻中最為常用的插入元件主要是 座子及反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子等(江樹(shù)業(yè), 2003)。水稻 入突變庫(kù)的構(gòu)建 工作也取得可喜進(jìn)展,如 ( 2000)已經(jīng)篩選出至少 30,000 個(gè) 入突變體;中國(guó)水稻研究所已經(jīng)建成我國(guó)第一個(gè)水稻 入突變體庫(kù),得到 4,500 份突變體材料,表型分析和分子檢測(cè)表明所獲得的植株 95為轉(zhuǎn)基因植株,單位點(diǎn)插入株系占 2/3。 利用返回式衛(wèi)星搭載植物種子進(jìn)行空間誘變處理是近十幾年來(lái)一個(gè)新的誘變方法。徐建龍等利用衛(wèi)星搭載的特早熟粳稻 95誘變后代鑒定出一個(gè)株高 56 效分蘗數(shù)多達(dá) 60 個(gè)以上,株型良好,籽粒正常的多糵矮稈突變體 建龍等, 2003)。 自從印度學(xué)者 1922 年首次報(bào)道了一個(gè)隱性單基因控制的自然矮稈突變系以來(lái),科學(xué)家對(duì)水稻矮稈的遺傳進(jìn)行了廣泛的研究。 粳稻中的矮生性遺傳有兩種情況:一是受隱性單基因控制,并伴有作用較明顯的修飾基因,二是由微效多基因控制(朱立宏等, 1984)。在秈稻中,矮生性多數(shù)是由單隱性基因控制,少數(shù)受 2 至 3 對(duì)隱性基因控制,僅有極少數(shù)的矮源受多基因控制(朱旭東等, 1997)。水稻株高由單一隱性矮稈基因控制時(shí),表現(xiàn)半矮稈或矮稈,受兩對(duì)矮稈基因控制時(shí),植株往往表現(xiàn)為特矮。當(dāng)然,也有特矮 突變體是由一對(duì)矮稈基因控制的。據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,至 2004 年 2 月 稻突變體庫(kù)中收集的水稻矮稈、半矮稈基因分別為 44 個(gè)(編號(hào): 和 16 個(gè)(編號(hào): 原日本水稻基因連鎖群和命名委員會(huì)的 d 編號(hào)( 3 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 中的矮稈、半矮稈基因也編錄在內(nèi)。其中,除了 余的都是隱性基因( )。與其他的一些性狀不同,矮生基因的顯隱性是相對(duì)的,在雜合狀態(tài)下,都有部分的表達(dá)。這和植物內(nèi)源激素復(fù)雜的合成代謝過(guò)程有關(guān)。 度對(duì)矮生水稻的影響 “ 1”是通過(guò)對(duì)品種“ 行射線照射處理而得到的,它是由一個(gè)隱性基因控制的( 1968) 。同時(shí)得到的還有另外一個(gè)比 1 稍高的矮稈突變體“ 后來(lái)作為一個(gè)栽培品種曾在日本北部被廣泛種植。 ( 1981)比較了“ 1”和原品種“ 不同溫度處理下的株高變化:在 25 30 的條件下,“ 株高只有46 為“ 56 %;在 18 23 的條件下,其株高達(dá)到 60 野生性高度的 84%。 ( 1990)研究發(fā)現(xiàn),“ 1”中的矮稈基因和“ 稈中的矮稈基因等位的,后者是用吖丙啶( 理“ 得到的( et 。他們的研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)平均 溫度超過(guò) 26 時(shí),“ 1”節(jié)間的伸長(zhǎng)被抑制,主要影響第三(從最上面數(shù))到第五節(jié)間的伸長(zhǎng),這和 的研究結(jié)果是一致的。由此可以推斷“ 1”中的矮稈基因?qū)Τ嗝顾氐暮铣捎凶璧K作用,在低溫條件下,表達(dá)強(qiáng)烈,導(dǎo)致水稻植株矮化;也有可能存在另外的抑制矮稈基因表達(dá)的基因,該基因在低溫條件下不表達(dá),因此在低溫條件下才表現(xiàn)出矮化。 此外,攜帶矮稈基因 植株在低溫條件下的表型為矮稈小粒,在高溫條件下表現(xiàn)正常。( 2003)的研究結(jié)果表明, k 在總苞期對(duì)提高水稻耐冷性具 有多效性作用,可以用來(lái)培育超耐冷性的水稻品種在天氣冷的地區(qū)種植。 我國(guó)對(duì)矮源的發(fā)掘從 50 年代開(kāi)始就沒(méi)有停止過(guò)。顧銘洪等( 1979)發(fā)現(xiàn)了 因,并育成了含有此基因的品系新桂矮,隨后的研究將 位到第 5 染色體上。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn) 80t) 和 t)(朱立宏等, 1984;萬(wàn)安良等, 1984);還有從矮泰引 t)(梁國(guó)華等, 1995) ;秈稻矮生品種廣叢中的矮生基因 t)(蔣志謙等,1997);對(duì)赤霉素反應(yīng)很敏感的江蘇矮,與 禾矮早的 等位,暫時(shí)將此基因命名為 t)(錢前等, 1997) ;馬良勇等( 2002)發(fā)現(xiàn)的含有 t)新黔矮;徐建龍等( 2003)誘變特早熟粳稻 95定出的多糵矮稈突變體 有吳成等( 2003)在雜交水稻親本恢復(fù)系蜀恢 162 中發(fā)現(xiàn)的小粒矮稈突變體“ 162d”。但是,這些矮稈種質(zhì)在育種中的利用價(jià)值,有待進(jìn)一步的研究。 目前,已經(jīng)發(fā)掘了超過(guò) 60 種的矮稈突變體,大多數(shù)矮稈、半矮稈基因已經(jīng)被 定位到除第 10條染色體以外的 11 條染色體上(表 少數(shù)已經(jīng)進(jìn)行了克隆和分離,矮化機(jī)理已經(jīng)研究清楚。 - 4 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 表 已經(jīng)報(bào)道的矮生、半矮生基因 因 名 稱 基 因 符 號(hào) 基 因 別 稱 代 表 種 質(zhì) 等 位 基 因 連鎖群 參考文獻(xiàn) d2 d3 d5 d7 國(guó)矮 d 8 粒矮 t) t) t) t) t),237dt dC dW d dB t) 大黑 夷矮 多糵矮 多糵矮 多糵矮 夷糯 閉穎大黑 晚力神 62, 雪矮等 三體 青森糯 14 7237 92 白世 州 栽稻 (, 1 4 6 2 7 7 6 1 4 2 3 1 3 6 1 11 11 2 2 4 2 12 et 1998) et 003) et 984) et 984) Yu et 1995 ) et 997) et 984) et 990) Yu et 1995) et 2000) et 2002) 968) et 984) et 2000) et 2002) et 2000) et 991) 1984) et 1995b ) 974) 1984) 1974) Yu et 1995) 1984) et 989) Yu et 1995) et 974) et 989) et 1992) et 1997) - 5 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 * * 葉舌矮 d K8 d 53, D K3 d K5 d K6 d K7 d(x) 粒矮 t) sd(t) t)* t) t) t) t) t) Sd(t) t) 341 107 京 11 號(hào) 新泰矮 一支臘 162d 桂陽(yáng)矮 1號(hào) (, 8 3 11 1 1 3 9 6 7 1 7 1 5 5 4 5 3 5 et 1982) 1984) et 1985) 1984) et 1989b) et 1989b) et 1985) 1976) et 1996) et 1996) et 1996) Wu et 1999) 1993) et 995) et 002) 978b) 978b) 979) 986) 1987) et 996) et 996) 997) 997) et 996) 李欣等( 2001) 李欣等( 2001) 李欣等( 2002) et 003) 梁國(guó)華等( 1994) 以上根據(jù) )、 )、 - 6 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 * 等位基因; * 等位基因; * 等位基因 生基因作用機(jī)理研究與應(yīng)用 最初,有關(guān)水稻矮稈機(jī)理的研究主要限制在對(duì)水稻外部性態(tài)的研究,隨著細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展,對(duì)矮稈機(jī)理的研究深入到細(xì)胞水平。例如, ( 1985)通過(guò)對(duì)近等基因矮稈系的研究,發(fā)現(xiàn)節(jié)間的縮短主要是細(xì)胞數(shù)目的減少造成的,而與細(xì)胞的長(zhǎng)度無(wú)明顯的相關(guān)性?,F(xiàn)在,分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的飛速發(fā)展,對(duì)水稻矮稈機(jī)理的研究已經(jīng)深入到分子水平,特別是后基因組時(shí)代的到來(lái),水稻矮稈作用的分子機(jī)理已經(jīng)逐漸被揭示出來(lái)。 植物激素突變體是研究植物激素合成、代 謝途徑以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要植物材料(韓碧文,1993)。各種各樣的因素會(huì)使植物矮化,但最近通過(guò)對(duì)擬南芥( 其他雙子葉植物矮稈突變體的分子遺傳研究表明,赤霉素( 稱 油菜素類固醇( 稱 決定植物株高的兩個(gè)最重要的因素 (et 2003)。對(duì)水稻矮稈、半矮稈突變體的研究結(jié)果也是如此。 1)、水稻矮生性與赤霉素( 圖 高等植物中赤霉素生物合成與分解代謝的主要途徑 ( . et 2002) he of A) in 的名稱用黑體字表示,在箭頭的下面或右側(cè)。 別轉(zhuǎn)化成 A, - 7 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 in or to of be A1 A8 一個(gè)很大的雙萜類化合物家族,其中一些具有生物活性,可以對(duì)多種發(fā)育過(guò)程,如種子發(fā)芽,莖干伸長(zhǎng),葉的伸展,花和果實(shí)的發(fā)育等進(jìn)行調(diào)控( 995)。 作用特別體現(xiàn)在莖 稈的伸長(zhǎng)中,因?yàn)樗械?陷型的突變體都表現(xiàn)為矮稈( et 997)。最近,編碼 物合成過(guò)程所用的基因(除 化酶)和 解代謝最初步驟已經(jīng)被分離和鑒定出來(lái)。 高等植物體內(nèi)的生物合成,主要有三個(gè)階段: 1)質(zhì)體內(nèi),牻牛兒焦磷酸到內(nèi)根 2)發(fā)生在網(wǎng)膜系統(tǒng)的微粒體細(xì)胞色素 加氧酶催化內(nèi)根 轉(zhuǎn)變; 3)細(xì)胞質(zhì)中 形成( . et 002)。 A、 與 水稻突變體 水稻中的半矮稈基因 現(xiàn)代水稻育種中最重要的基因。 因的品種對(duì)外源的 理敏感,株高可以恢復(fù)到野生型的高度。 碼 化酶( ,催化 步反應(yīng)。在小麥中普遍應(yīng)用的半矮稈基因 碼與 號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的蛋白。 圖 等植物赤霉素生物合成的早期 13 ,1997; ,2002) 。黑圓表示由 催化的 氧化步驟 he 3of in A 20水稻中至少有兩種 化酶: 碼 鎖。 葉片、莖稈、未開(kāi)放的花中表達(dá)強(qiáng) 烈, 是在未開(kāi)放的花中表達(dá)。這也就揭示了為什么 稻株高減小,而產(chǎn)量不受影響的原因( . et 2002)。 稻含有一個(gè)有缺陷的 化酶,兩個(gè)獨(dú)立的 位基因都是 部發(fā)生了改變;秈稻半矮稈品種 碼區(qū)( 缺失了 280時(shí)丟失的還有 03稻半矮稈品種 6和野生型 798 位置 C 轉(zhuǎn)換成了 T,導(dǎo)致 基酸序列中的亮氨酸( 變成了 。而亮氨酸( 在所有的 化酶( 中是保守的,在 是保守的,這就使粳稻 能缺失,表現(xiàn)出半矮稈性狀( . et 2002)。 - 8 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 B、 與水稻突變體 攜 粒、葉色暗綠、直立緊湊型小穗,有時(shí)第二節(jié)間不伸長(zhǎng)。 蛋白亞 基的基因, 就是糊粉層中 . et 2003)。 一個(gè) 突變體的表型表明, 且,還有另外一條不依賴 et 2000)。 C、 與水稻突變體 攜 因的是功能缺失 型突變,可是它的花和種子的發(fā)育沒(méi)有受到影響。 碼 (H. et 2001)。在水稻中也至少有兩種 且是特異性表達(dá)的: 地上部各器官中廣泛表達(dá); 在生殖器官中特異表達(dá)。由 制合成的有生物活性的 用于新芽的伸長(zhǎng),而與生殖發(fā)育無(wú)關(guān)( . et 2003) 。在 成路徑中, 要催化 外還催化 . et 2000) 。 D、 與水稻突變體 有關(guān)研究 帶 因的 變體株高是其野生型的 60 70%,實(shí)際上上個(gè)世紀(jì) 50 年代經(jīng)被認(rèn)為是日本產(chǎn)量最高的栽培品種,畝產(chǎn)可達(dá) 8.5 t/能是由品種 過(guò)自然突變產(chǎn)生的。 因編碼內(nèi)根 成的最初的階段起作用 (et 1996)。催化內(nèi)根 根 杉烯醇內(nèi)根 根 . et 1998)。 等( 2004)從水稻基因組中分離了 5 個(gè)因,它們編碼的蛋白與擬南芥和南瓜的 有很高的同源性,研究表明基因 120序列中前后同向排列,表達(dá)分析顯示 各種器官中轉(zhuǎn)錄活躍,而 是低水平的表達(dá), 許是個(gè)假基因。 應(yīng)于是 弱等位基因。 能參與植物抗毒素的合成。 E、 與水稻突變體 有關(guān)研究 突變體 ) 表型為特矮,葉色暗綠,葉片寬。 表達(dá)不受外源 理的抑制,而且其營(yíng)養(yǎng)器官中 含量是野生型的100 多倍,表明 因編碼一個(gè) 號(hào)中的正調(diào)控因子。 碼一個(gè)推定的 白,和擬南芥的 相似( . et 2003) 。 白是一類含有 序 ( 在泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解過(guò)程中具有底物識(shí)別特性的蛋白質(zhì)家族 。 這類蛋白質(zhì)在細(xì)胞時(shí)相轉(zhuǎn)換、信號(hào)傳導(dǎo)、發(fā)育等多種生理過(guò)程中都具有重要功能 ( 吳靜 等, 2002)。 ( 2004)的研究使我們能更好的了解水稻中 謝過(guò)程。他們從各種 - 9 - 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 據(jù)庫(kù)中篩選和分離了 29 個(gè)編碼 種代謝酶的候選基因:內(nèi)根 、內(nèi)根 內(nèi)根 內(nèi)根 、 的研究結(jié)果表明:催化 物合成早期步驟的酶(也就是 和 要是由單基因編碼的,而催化更后的步驟的酶(也就是 由基因家族編碼

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