一个水稻多柱头突变体的形态特征和基因定位
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URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110728.1004.022.html
1780
作物学报
第 37 卷
型被扩展成 ABCD 模型[7-9]。该模型对于单子叶植物 的花器官发育研究具有重要的借鉴作用。但单子叶 植物的花器官结构与双子叶模式植物有着显著的区 别, 其花器官发育是否遵循相似的调控机制还缺乏 足够的证据[10-12]。作为单子叶的代表植物和禾本科 的模式作物, 水稻花器官发育的研究对于阐明单子叶 植物的花器官发育模式、明晰单双子叶植物花器官发 育的异同都有非常重要的意义[13]。同时, 水稻产量和 品质的形成受到花器官发育的直接影响, 研究其基因 调控机制将有助于水稻分子育种的发展[14-15]。
花粉碘染镜检结果表明, 突变体花粉育性因花 药畸形程度而异, 畸形严重的几乎 100%不育, 呈现 典败状; 而育性最高的花药的花粉可育率约为 20%, 均远远低于对照花粉 90%左右的可育率, 表明突变 体的花粉育性受到严重影响(图 2)。 2.2 花器官发育过程
扫描电镜观察表明, 突变体与野生型对照相比, 在颖花原基分化期, 两者并没有明显差异。此后, 在 野生型雌雄蕊分化期, 颖花原基均衡分裂, 靠近外 稃位于浆片旁的第 6 枚雄蕊略迟发育, 靠近内稃的 雄蕊原基较先发育, 最终形成 6 枚均等的雄蕊以同 心圆方式排列在雌蕊周围; 而突变体雌、雄蕊原基 的分化较迟, 突变体外稃与内稃相交处的 2 枚雄蕊 原基位点分化较早, 并迅速发育变大超过其他雄蕊 原基, 这些过大原基多数表现雌蕊化的发育趋势, 并 向外稃和内稃相交的两侧挤压。突变体内、外稃相
Abstract: Floral organ development directly affects rice yield and quality. Here we report a rice floral mutant with increased stigmas, which was isolated from the progenies of the combination of C2/2480. Compared with the wild type rice, the mutant showed dwarf plant, small panicle and grain, curled flag leaf, narrow and opening spikelet, and later flowering. Most of florets were made up of normal lodicule, increased stigmas, more pistils, and fewer stamens. Segregation of wild type plants to mutant plants in three F2 population were accorded with the ratio of 3:1, which indicated that the mutant is controlled by a single recessive gene. With SSR (Simple Sequence Repeat) markers screening in a total of 92 F2 mutant individuals derived from the cross of ism/T116, the mutant gene was located between the molecular markers RM3183 and RM3827, at the distances of 2.2 cM and 12.0 cM, respectively, on chromosome 6, and co-segregated with RM11951, RM19953, and RM19961. ISM(t) is a new floral-organ identity gene located on chromosome 6 in rice. This result provided a foundation of map-based cloning and function analysis of ISM(t) gene. Keywords: Rice; Floral organ; Mutant; Genetic analysis; Genetic mapping
一个水稻多柱头突变体的形态特征和基因定位
周明镜 1,2 王玲霞 1,2
文 勇 2 李双成 1,2 李 平 1,2,*
李成波 2
张曼华 2
高烽焱 2
1 四川农业大学水稻研究所, 四川温江 611130; 2 四川农业大学 / 作物基因资源与遗传改良教育部重点实验室, 四川雅安 625014
摘 要: 水稻产量和品质受花器官发育的直接影响, 因此对水稻颖花发育机理的研究有助于水稻产量和品质的遗传 改良。在籼稻 C2 与 2480 的杂交后代中发现了一个多柱头突变体, 与野生型相比, 该突变体植株矮化、穗变小、开 花延迟和育性降低。颖花解剖发现, 其浆片正常, 柱头和雌蕊数量增加, 雄蕊数目明显减少, 并伴随不同程度的雌雄 蕊畸形。以突变体作母本, 构建群体进行遗传分析, 结果显示所有 F1 均表现正常, F2 群体出现 3∶1 性状分离, 证实 该突变性状受 1 对隐性基因控制。利用微卫星标记进行连锁分析, 将该基因定位于水稻第 6 染色体上标记 RM3183 和 RM3827 之间, 遗传距离分别为 2.2 cM 和 12.0 cM, 且与 RM11951、RM19953 和 RM19961 共分离。ISM(t)是一个 新的水稻花器官发育控制基因。 关键词: 水稻; 花器官; 突变体; 遗传分析; 基因定位
我们发现了一个水稻多柱头突变体。本研究对 该突变体进行了花器官解剖结构和扫描电镜观察, 并配制遗传群体对突变性状进行了遗传分析和分子 标记定位, 以期为进一步精细定位和基因克隆奠定 基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料 水稻花器官突变体材料来源于籼稻保持系 C2
与 2480 的杂交后代, 由于结实率极低, 主要采用杂 合体进行保存, 其他供试材料为 9311、明恢 63 和 T116。 以上材料均种植于四川农业大学水稻研究 所 温江试验 田, 每小区 4 行, 每行 12 株, 常规肥水管理。 1.2 形态观察
2 结果与分析
2.1 突变体形态 突变体与野生型水稻相比, 大部分植株矮化,
穗变短变小, 几乎不育, 多数剑叶卷曲包裹稻穗, 谷粒比野生型小, 颖壳变窄, 部分内外颖壳不闭合, 花期明显晚于野生型水稻。
解剖观察显示, 与野生型相比, 突变体颖花浆 片正常, 柱头数量明显增加, 并且伴随明显的畸形; 雌蕊存在明显的多柱头现象, 大部分为 3~5 个; 大 部分雄蕊花药数量减少, 一般为 3~4 枚, 且大多退 化畸形, 呈白色透明状, 育性不正常。部分突变体子 房呈现膨大、表面不光滑、凹陷等畸形, 并伴随双 子房和融合双子房现象。同时, 在突变体中还观察 到大量不同程度的雄蕊雌蕊化现象(图 1)。
从突变体材料中随机选取成熟颖花在解剖镜下 观察, 考察其颖花构造、雌蕊、雄蕊、柱头、子房 及浆片形态及数目特征。 1.3 扫描电镜观察花器官发育
取刚刚形成生长锥 l cm 左右的幼穗, 按 Feng 等[16] 和 Mizukami 等[17]的方法处理突变小花, 略有改动。用 3%戊二醛固定 5 h, 然后用生理盐水(0.7%)洗涤 3 次, 每次 5 min; 随后用 30%、50%、70%、80%和 90% 乙醇分别脱水 10~15 min, 再用 100%乙醇分别脱水 20 min 和 25 min; 将脱水后样品置乙酸异戊醋中处 理 15~30 min, 于 CO2 临界点干燥; 最后真空镀膜。 在扫描电镜(JSM-35CF, JEOL, Japan)下观察、照相并 记录结果。 1.4 育性检测
恢 63 和 T116 为父本配制杂交组合, 分别形成相应 的 F1 和 F2 群体。次年种植分离群体, 抽穗后调查突 变性状分离情况, 记录群体总株数、突变单株数, 计 算分离比例, 并进行卡方检验。 1.6 基因定位
用本实验室保存的均匀分布于水稻染色体上的 520 对微卫星引物(由上海博亚生物技术有限公司合 成)筛选亲本, 分别再用亲本、4 株正常株、6 株突变 株构成的小群体对差异标记进行连锁分析wenku.baidu.com 进而在 所有的突变单株中连锁验证, 然后初步定位。
本研究由国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(2011CB100101)和国家自然科学基金项目(30800084)资助。 * 通讯作者(Corresponding author): 李平, E-mail: liping6575@163.com Received(收稿日期): 2011-01-25; Accepted(接受日期): 2011-06-25. Published online(网络出版日期): 2011-07-28.
作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(10): 1779−1784 ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9
http://www.chinacrops.org/zwxb/ E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01779
花器官的正常发育是植物赖以繁衍的基础。20 世纪 80 年代以来, 随着分子遗传学手段的运用, 借 助于模式植物拟南芥、金鱼草等大量突变体的发掘, 花发育的研究在短短十几年内获得了突飞猛进的发 展, 成为发育生物学研究中最引人瞩目的热点之
一。在花发育的分子遗传研究中, 对花器官的研究 最为深入, 已有较为成熟的实验模型指导, 该模型 就是花发育同源异型基因作用 ABC 模型[1-6]。1995 年 Angenent 等在矮牵牛中分离到 FBP7 和 FBP11 基 因, 提出了决定胚珠发育的 D 组基因, 这样 ABC 模
1 Rice Research Institute, Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, China; 2 Key Laboratory of Crop Genetic Resources and Improvement, Ministry of Education / Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China
采用碘化钾染色法, 在突变体材料中上部枝梗 中选取当天将开花的颖花, 用 1% I2-KI 染液染色, 于显微镜(OLYMPUS, CX21, Japan)下观察染色深度 和花粉粒外形, 判断花粉育性, 并统计可育比例, 以正常植株作为对照。
1.5 遗传分析 以花器官突变体材料为母本, 分别以 9311、明
第 10 期
周明镜等: 一个水稻多柱头突变体的形态特征和基因定位
1781
图 1 突变体小花的形态观察 Fig. 1 Anatomical observation of the mutant flower A 为野生型颖花; B~H 为花器官突变体: B、C、D 分别为 3、4、 5 个柱头的突变体颖花; E、F、G 为不同程度的雄蕊雌蕊化及雄
Phenotypic Characterization and Genetic Mapping of an Increased Stigma Mutant in Rice (Oryza sativa L.)
ZHOU Ming-Jing1,2, WEN Yong2, LI Shuang-Cheng1,2, LI Cheng-Bo2, ZHANG Man-Hua2, GAO Feng-Yan2, WANG Ling-Xia1,2, and LI Ping1,2,*
1780
作物学报
第 37 卷
型被扩展成 ABCD 模型[7-9]。该模型对于单子叶植物 的花器官发育研究具有重要的借鉴作用。但单子叶 植物的花器官结构与双子叶模式植物有着显著的区 别, 其花器官发育是否遵循相似的调控机制还缺乏 足够的证据[10-12]。作为单子叶的代表植物和禾本科 的模式作物, 水稻花器官发育的研究对于阐明单子叶 植物的花器官发育模式、明晰单双子叶植物花器官发 育的异同都有非常重要的意义[13]。同时, 水稻产量和 品质的形成受到花器官发育的直接影响, 研究其基因 调控机制将有助于水稻分子育种的发展[14-15]。
花粉碘染镜检结果表明, 突变体花粉育性因花 药畸形程度而异, 畸形严重的几乎 100%不育, 呈现 典败状; 而育性最高的花药的花粉可育率约为 20%, 均远远低于对照花粉 90%左右的可育率, 表明突变 体的花粉育性受到严重影响(图 2)。 2.2 花器官发育过程
扫描电镜观察表明, 突变体与野生型对照相比, 在颖花原基分化期, 两者并没有明显差异。此后, 在 野生型雌雄蕊分化期, 颖花原基均衡分裂, 靠近外 稃位于浆片旁的第 6 枚雄蕊略迟发育, 靠近内稃的 雄蕊原基较先发育, 最终形成 6 枚均等的雄蕊以同 心圆方式排列在雌蕊周围; 而突变体雌、雄蕊原基 的分化较迟, 突变体外稃与内稃相交处的 2 枚雄蕊 原基位点分化较早, 并迅速发育变大超过其他雄蕊 原基, 这些过大原基多数表现雌蕊化的发育趋势, 并 向外稃和内稃相交的两侧挤压。突变体内、外稃相
Abstract: Floral organ development directly affects rice yield and quality. Here we report a rice floral mutant with increased stigmas, which was isolated from the progenies of the combination of C2/2480. Compared with the wild type rice, the mutant showed dwarf plant, small panicle and grain, curled flag leaf, narrow and opening spikelet, and later flowering. Most of florets were made up of normal lodicule, increased stigmas, more pistils, and fewer stamens. Segregation of wild type plants to mutant plants in three F2 population were accorded with the ratio of 3:1, which indicated that the mutant is controlled by a single recessive gene. With SSR (Simple Sequence Repeat) markers screening in a total of 92 F2 mutant individuals derived from the cross of ism/T116, the mutant gene was located between the molecular markers RM3183 and RM3827, at the distances of 2.2 cM and 12.0 cM, respectively, on chromosome 6, and co-segregated with RM11951, RM19953, and RM19961. ISM(t) is a new floral-organ identity gene located on chromosome 6 in rice. This result provided a foundation of map-based cloning and function analysis of ISM(t) gene. Keywords: Rice; Floral organ; Mutant; Genetic analysis; Genetic mapping
一个水稻多柱头突变体的形态特征和基因定位
周明镜 1,2 王玲霞 1,2
文 勇 2 李双成 1,2 李 平 1,2,*
李成波 2
张曼华 2
高烽焱 2
1 四川农业大学水稻研究所, 四川温江 611130; 2 四川农业大学 / 作物基因资源与遗传改良教育部重点实验室, 四川雅安 625014
摘 要: 水稻产量和品质受花器官发育的直接影响, 因此对水稻颖花发育机理的研究有助于水稻产量和品质的遗传 改良。在籼稻 C2 与 2480 的杂交后代中发现了一个多柱头突变体, 与野生型相比, 该突变体植株矮化、穗变小、开 花延迟和育性降低。颖花解剖发现, 其浆片正常, 柱头和雌蕊数量增加, 雄蕊数目明显减少, 并伴随不同程度的雌雄 蕊畸形。以突变体作母本, 构建群体进行遗传分析, 结果显示所有 F1 均表现正常, F2 群体出现 3∶1 性状分离, 证实 该突变性状受 1 对隐性基因控制。利用微卫星标记进行连锁分析, 将该基因定位于水稻第 6 染色体上标记 RM3183 和 RM3827 之间, 遗传距离分别为 2.2 cM 和 12.0 cM, 且与 RM11951、RM19953 和 RM19961 共分离。ISM(t)是一个 新的水稻花器官发育控制基因。 关键词: 水稻; 花器官; 突变体; 遗传分析; 基因定位
我们发现了一个水稻多柱头突变体。本研究对 该突变体进行了花器官解剖结构和扫描电镜观察, 并配制遗传群体对突变性状进行了遗传分析和分子 标记定位, 以期为进一步精细定位和基因克隆奠定 基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料 水稻花器官突变体材料来源于籼稻保持系 C2
与 2480 的杂交后代, 由于结实率极低, 主要采用杂 合体进行保存, 其他供试材料为 9311、明恢 63 和 T116。 以上材料均种植于四川农业大学水稻研究 所 温江试验 田, 每小区 4 行, 每行 12 株, 常规肥水管理。 1.2 形态观察
2 结果与分析
2.1 突变体形态 突变体与野生型水稻相比, 大部分植株矮化,
穗变短变小, 几乎不育, 多数剑叶卷曲包裹稻穗, 谷粒比野生型小, 颖壳变窄, 部分内外颖壳不闭合, 花期明显晚于野生型水稻。
解剖观察显示, 与野生型相比, 突变体颖花浆 片正常, 柱头数量明显增加, 并且伴随明显的畸形; 雌蕊存在明显的多柱头现象, 大部分为 3~5 个; 大 部分雄蕊花药数量减少, 一般为 3~4 枚, 且大多退 化畸形, 呈白色透明状, 育性不正常。部分突变体子 房呈现膨大、表面不光滑、凹陷等畸形, 并伴随双 子房和融合双子房现象。同时, 在突变体中还观察 到大量不同程度的雄蕊雌蕊化现象(图 1)。
从突变体材料中随机选取成熟颖花在解剖镜下 观察, 考察其颖花构造、雌蕊、雄蕊、柱头、子房 及浆片形态及数目特征。 1.3 扫描电镜观察花器官发育
取刚刚形成生长锥 l cm 左右的幼穗, 按 Feng 等[16] 和 Mizukami 等[17]的方法处理突变小花, 略有改动。用 3%戊二醛固定 5 h, 然后用生理盐水(0.7%)洗涤 3 次, 每次 5 min; 随后用 30%、50%、70%、80%和 90% 乙醇分别脱水 10~15 min, 再用 100%乙醇分别脱水 20 min 和 25 min; 将脱水后样品置乙酸异戊醋中处 理 15~30 min, 于 CO2 临界点干燥; 最后真空镀膜。 在扫描电镜(JSM-35CF, JEOL, Japan)下观察、照相并 记录结果。 1.4 育性检测
恢 63 和 T116 为父本配制杂交组合, 分别形成相应 的 F1 和 F2 群体。次年种植分离群体, 抽穗后调查突 变性状分离情况, 记录群体总株数、突变单株数, 计 算分离比例, 并进行卡方检验。 1.6 基因定位
用本实验室保存的均匀分布于水稻染色体上的 520 对微卫星引物(由上海博亚生物技术有限公司合 成)筛选亲本, 分别再用亲本、4 株正常株、6 株突变 株构成的小群体对差异标记进行连锁分析wenku.baidu.com 进而在 所有的突变单株中连锁验证, 然后初步定位。
本研究由国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(2011CB100101)和国家自然科学基金项目(30800084)资助。 * 通讯作者(Corresponding author): 李平, E-mail: liping6575@163.com Received(收稿日期): 2011-01-25; Accepted(接受日期): 2011-06-25. Published online(网络出版日期): 2011-07-28.
作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(10): 1779−1784 ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9
http://www.chinacrops.org/zwxb/ E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01779
花器官的正常发育是植物赖以繁衍的基础。20 世纪 80 年代以来, 随着分子遗传学手段的运用, 借 助于模式植物拟南芥、金鱼草等大量突变体的发掘, 花发育的研究在短短十几年内获得了突飞猛进的发 展, 成为发育生物学研究中最引人瞩目的热点之
一。在花发育的分子遗传研究中, 对花器官的研究 最为深入, 已有较为成熟的实验模型指导, 该模型 就是花发育同源异型基因作用 ABC 模型[1-6]。1995 年 Angenent 等在矮牵牛中分离到 FBP7 和 FBP11 基 因, 提出了决定胚珠发育的 D 组基因, 这样 ABC 模
1 Rice Research Institute, Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, China; 2 Key Laboratory of Crop Genetic Resources and Improvement, Ministry of Education / Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China
采用碘化钾染色法, 在突变体材料中上部枝梗 中选取当天将开花的颖花, 用 1% I2-KI 染液染色, 于显微镜(OLYMPUS, CX21, Japan)下观察染色深度 和花粉粒外形, 判断花粉育性, 并统计可育比例, 以正常植株作为对照。
1.5 遗传分析 以花器官突变体材料为母本, 分别以 9311、明
第 10 期
周明镜等: 一个水稻多柱头突变体的形态特征和基因定位
1781
图 1 突变体小花的形态观察 Fig. 1 Anatomical observation of the mutant flower A 为野生型颖花; B~H 为花器官突变体: B、C、D 分别为 3、4、 5 个柱头的突变体颖花; E、F、G 为不同程度的雄蕊雌蕊化及雄
Phenotypic Characterization and Genetic Mapping of an Increased Stigma Mutant in Rice (Oryza sativa L.)
ZHOU Ming-Jing1,2, WEN Yong2, LI Shuang-Cheng1,2, LI Cheng-Bo2, ZHANG Man-Hua2, GAO Feng-Yan2, WANG Ling-Xia1,2, and LI Ping1,2,*