（作物遗传育种专业论文）水稻颖壳和浆片异常突变体ahl的基因定位.pdf

一 u n i v e r s i t yc o d e ：10 6 3 5 s t u d e n tn u m b e r ：2 0 0 8 3 2 6 0 0 2191 g e ne m a p p i n g o fan o v e lm u t a n ta b n o r m a l hu l la n d l o d i c u l e ( a h l ) i nr i c e d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e eo fs o u t h w e s t u n i v e r s i t y m a s t e r d e g r e ec a n d i d a t e ：w a n gz e n g s u p e r v i s o r ：p r o f h eg u a n g h u a m a jo r ：c r o pg e n e t i c sa n db r e e d i n g d i r e c t i o n ：c r o pm o l e c u l a rb r e e d i n g c h o n g q i n g c h i n a 目录 目录 摘j 要i a b s t r a c t i i i 第l 章文献综述1 1 1 花发育1 1 1 1 成花诱导1 1 2 花器官发育3 1 2 1 花序的发育3 1 2 2 花器官发育5 1 2 3 水稻颖花发育研究进展1 1 1 3 一些调控水稻花器官发育的其他基因1 2 1 3 1 花瓣发育概述1 2 1 3 2 距u s s 与l e u n i g 基因概述1 3 1 4 前景展望1 4 第2 章引言一1 5 第3 章材料与方法1 7 3 1 a h l 定位群体构建与基因精细定位流程1 7 3 2 试验材料、试剂与试验仪器1 8 3 2 1 植物材料1 8 3 2 2 主要分子生物学试剂l8 3 2 3 主要仪器l8 3 3 形态和组织学分析1 9 3 31 表型分析1 9 3 3 2 石蜡切片分析1 9 3 3 3 扫描电镜分析2 0 3 4 水稻d n a 提取2 0 3 4 1 基因池叶片和亲本叶片总d n a 的提取2 0 3 4 2 群体单株叶片总d n a 的提取2 0 3 5 基因定位2 1 3 5 1 定位群体的构建与遗传分析2 1 3 5 2 图谱构建2 l 3 5 3s s r 分子标记分析2 1 第4 章结果与分析2 3 4 1a h l 的表型2 3 西南大学硕+ 学位论文 4 1 1a h l 的早期表型2 3 4 1 2a h l 的开花期体视镜观察一2 4 4 1 3a h i 花器官的石蜡切片分析2 5 4 1 4a h l 的农艺形状分析一2 6 4 2 幽，的遗传分析2 7 4 3a h l 基因的分子标记定位一2 8 4 3 1a h l 基因的初步定位2 8 4 3 2 么皿基因的精细定位2 9 4 3 3a h l 候选基因分析2 9 第5 章讨论。3 3 5 1a h l 基因参与调控内外稃的发育一3 3 5 2a h l 基因影响浆片的发育一3 3 5 3 颖壳的变异影响了产量3 4 5 4a h l 基因可能是一个新基因3 4 第6 章结论一3 7 参考文献3 9 致谢4 7 科研活动4 9 发表论文4 9 参加的科研项目4 9 摘要 水稻颖壳和浆片异常突变体a h l 的基因定位 作物遗传育种专业硕士研究生：王增 指导教师：何光华教授 摘要 花器官发育的分子遗传机制是近年来植物发育生物学的研究热点。单子叶植物早在 1 2 1 8 亿年前就与双子叶植物分开各自独立进化，其花器官的许多特征与双子叶植物明显不 同，但它们有一定的相似性和同源性。目前对于花发育各方面的理解主要还是基于拟南芥 ( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 、金鱼草( a n t i r r h i n u mm a j u s ) 和矮牵牛( p e t u n i ah y b r i d a ) 等双子叶 植物的研究结果。近年来，单子叶植物水稻中越来越多的花发育基因的克隆，使我们对单子 叶植物花的遗传模式也有了一定的了解。 我们在恢复系缙恢1 0 的e m s 诱变群体中发现了一个水稻花器官突变体a h l ( n o r m a l h u l l a n d ! o d i c u l e ) ，本文对其进行了鉴定，主要结果如下： 1a h l 突变体的表型观察和组织学分析 在小穗发育早期，a h l 与野生型花原基发育类似。开花期经体视镜观察，第一轮花器官中 内稃弯曲，少数外稃向内弯瞳呈弓状；内外稃整体变小。在第二轮浆片中，与野生型相比， a h l 突变体的浆片基部变大，顶端伸长，而且浆片顶端有向颖壳状组织转化的趋势。 2a h l 突变体的农艺性状分析 外稃面积野生型为3 1 0 8m m 2 ，a h l 是野生型的7 5 1 ，差异极显著；内稃面积野生型为 1 5 4 0m i l l 2 ，a h l 是野生型的8 7 3 ，差异显著。浆片面积野生型为0 6 1m m 2 ，a h l 是野生型的 2 1 4 8 ，达极显著差异。a h l 米粒粒长、粒宽、粒厚分别是野生型的8 1 1 、8 3 3 、9 4 7 。 野生型千粒重2 7 4g ，a h l 千粒重2 2 8g ，差异极显著。 3 遗传分析 用表型正常的不育系西农l a 与a h l 杂交，f l 表现正常，说明该突变体由隐性基因控制。 f 2 群体中出现明显分离，分别表现双亲性状，其中正常单株21 0 7 株，a h l 表型的单株6 7 3 株。 经卡方测验，正常株：突变株符合3 ：1 分离比( f = o 8 8 6 8 f o 0 5 = 3 8 4 ) 。表明砌，突变体受 一对隐性单基因控制。 4 分子标记定位 用水稻所s s r 引物分析f 2 代分离群体( 西农1 a x a h l ) ，首先用分子标记对西农l a 与a h l 突变体两亲本之间进行多态性分析，然后用两亲本间表现多态性的引物进行连锁分析，最终 两南大学硕士学位论文 将a h l 基因定位在第2 染色体r m l 4 1 5 3 与r m l 4 1 6 7 之间，遗传距离分别为1 1 9 c m 和1 3 4 c m 。 物理距离为2 2 6k b 。 5 候选基因分析 在定位区间的4 6 个基因中，发现存在一个拟南芥花发育转录因子l e u n i g 的同源基因 o s 0 2 9 5 6 8 8 0 ，l e u n i g 转录抑制花器官确定性基因a g 的表达，独立地在拟南芥中调控花瓣的 细胞增殖、花瓣的维管束发育和花器官的极性发育。水稻中与拟南芥花瓣对应的同源器官浆 片变大伸长，初步推测可能是同源基因，即o s 0 2 9 5 6 8 8 0 可能是彳肌的候选基因，目前正在 进一步鉴定。 i i 关键词：水稻；颖壳和浆片异常突变体；遗传分析；基因定位 r 一一一 a b s 仃a c t m a p p i ngo f an o v e lg e nea b n o r m a lhu l la n d l o d i c u l e ( a h l ) m u t a n ti nr i c e m a j o r ：c r o pg e n e t i c sa n db r e e d i n g a u t h o r ：w a n gz e n g t u t o r ：h eg u a n g h u a a b s t r a c t r e c e n t l y , m o l e c u l a rg e n e t i cm e c h a n i s mo ff l o r a lo r g a nd e v e l o p m e n ti np l a n tb e c o m e sah o t t o p i ca m o n gr e s e a r c h e r s t h em o n o c o ta n dd i c o th a dt h e i ro w nd e v e l o p m e n tp r o c e s s e sb e f o r e1 2 1 8b i l l i o ny e a r , m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e ro ff l o r a lo r g a no fm o n o c o ti sd i f f e r e n tf r o md i c o t h o w e v e r ， t h e yh a v es i m i l a r i t i e sa n dh o m o l o g i s t a tt h ep r e s e n lt h ec o m p r e h e n s i o no ff l o r a ld e v e l o p m e n t b a s e do nt h er e s u l t so fs t u d y i n go na r a b i d o p s i st h a l i a n a ，a n t i r r h i n u mm a y u sa n dp e t u n i eh y b r i d a i n m o d e lm a t e r i a lr i c e ，w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro ff l o r a ld e v e l o p m e n tg e n e sb e e nc l o n e db y r e s e a r c h e r s ，t h e s eg e n e sl a i dt h ef o u n d a t i o ni nr e s e a r c h i n go fi n h e r i tm o d eo ff l o w e ri nt h ef u t u r e i nt h i ss t u d y , w eh a v ef o u n daf l o w e rm u t a n tw h i c ha b n o r m a lh u l la n dl o d i c u l ef r o m e m s - t r e a t e dj z n h u i l o ( o r y z as a t i v al s s p i n d i c a ) t h er e s u l t sa sf o l l o w s ： 1 p h e n o t y p i co b s e r v a t i o na n dh i s t o l o g i c a la n a l y s i so f a h l i nt h ee a r l yd e v e l o p m e n to fs p i k e l e t , f l o w e rp r i m o r d i u md e v e l o p m e n ti na h l a n dw i l dt y p ew e r e s i m i l a r i nf l o w e r i n gs t a g e ，w eu s e ds t e r e o m i e r o s c o p et oo b s e r v e ds p i k e l e lt h ef i r s tw h o r l sp a l e aa n d l e m m aa r en a r r o w l ya n db e n d i n g ，t h ew h o l ea h lb e c o m es m a l l e r t h es e c o n dw h o r l sl o d i c u l ei na h l , c o m p a r e dw i t hw i l dt y p e ，s h o w e dl a r g e nb a s a la n de l o n g a t e da p i c a ll o d i c u l e s ，a n dh a dt h et r e n do f t r a n s f o r m i n gt og l u m et i s s u e 2 a g r o n o m i cc h a r a c t e r sa n a l y s i so f a h l a r e ao fl e m m ai nw i l e - t y p ei s31 0 8m m 2 ；w h i c hi na h ii s7 5 1 o f 雠w i l dt y i x e x h i b i t s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e a r e ao fp e l e ai nw i l e - t y p ei s 15 4 0m m 2 w h i c hi na h ! i s8 7 3 o ft h ew i l d t y p e ，a r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t a r e ao fl o d i c u l e si nw i l d - t y p ei so 6 1m m 2 ，w h i c hi na h li s2 1 4 8 o f w i l dt y p e ，e x h i b i ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c e t h eg r a i nl e n g t h , w i d t ha n dt h i c k n e s si na h la r e81 1 ， 8 3 3 ，9 4 7 r e s p e c t i v e l yo fw i l d - t y p e w e i g h to fg r a i ni nw i l dt y p ei s2 7 4 函w e i g h to f 1 0 0 0 一g r a i ni na h li s2 2 8 9 a r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e 3g e n e t i ca n a l y s i s t h eg e n e t i ca n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h ef 1h y b r i d sa n df 2p o p u l a t i o n so b t a i n e df r o m i i i 西南大学硕+ 学位论文 ! i i , i 一 i 曼曼皇曼曼皇量曼 x i n o n g l aa n da h lc r o s s t h ef lp o p u l a t i o no ft h i sc r o s ss h o w e dw i l dt y p ep h e n o t y p e i nt h ef 2 p o p u l a t i o n s ，t h es e g r e g a t i o nr a t e so fw i l dt y p et oa h lp h e n o t y p i cp l a n t sf i tt h er a t i oo f3 ：lo f = 0 8 8 6 8 o 0 5 = 3 8 4 ) t h e r e f o r e ，t h ea h lp h e n o t y p ei sc o n t r o l l e db yas i n g l er e c e s s i v eg e n e 4m o l e c u l a rm a p p i n g w eu s e ds s rm a r k e r st oa n a l y z ef 2p o p u l a t i o n so fx i n o n 9 1 a x a h lg l o s s t h eg e n e4 皿w a s m a p p e db e t w e e ns s rm a r k e rr m l 4 1 5 3a n dr m l 4 1 6 7o nc h r o m o s o m e2 ，w i t hg e n e t i cd i s t a n c eo f 1 1 9c ma n d1 3 4e m ，p h ) ，s i c a ld i s t a n c eo f 2 2 6k bi nn i p p o n b a r e 。 5 c a n d i d a t eg e n ea n a l y s i s w eh a v ef o u n dal e u n i gh o m o l o g o u sg e n eo s 0 2 9 5 6 8 8 0i nt h em a p p i n gl o c a t i o n , w h e r eh a d 4 6g e n e s t h et r a n s c r i p t i o no fl e u n i gg e n ei n f l u e n c e sa gg e n ee x p r e s s i o n , a n di n d e p e n d e n t l y e o n t r o l lc e l lp r o l i f e r a t i o no fp e t a l ，v a s c u l a rb u n d l e o fp e t a la n dp o l 砷o ff l o r a l o r g a ni n a r a b i d o p s & t h el o d i c u l eo fr i c ec o r r e s p o n d i n gt ot h ep e t a lo fa r a b i d o p s i sb e c a m el o n g e ra n d l o n g e r w ep r e l i m i n a r i l yp r e s u m e dt h a t t h i sl e u n i gh o m o l o g o u sg e n eo s 0 2 9 5 6 8 8 0i s 彳皿 c a n d i d a t eg e n e ，t h ei d e n t i f i c a t i o no fi t sf u n c t i o ni si np r o g r e s s k e y w o r d s ：r i c e ( o r y z as a t i v al ) ；ab n o r m a lh u l la n dl o d i c u l e ；g e n e t i ca n a l y s i s ；g e n e m a p p i n g i v 一一一_ 。 一一一一一_ 第1 章文献综述 第1 章文献综述 开花植物在地球上有超过2 5 0 ，0 0 0 个野生种、人工培育品种，这些植物的开 花时间、花序及花的结构形态在不同的类群、物种之间有着丰富的变异，使花成 为分子遗传与进化研究中的理想模型。开花植物又叫被子植物，因花发育与很多 作物的重要性状改良关系密切，比如很多农作物的开花期性状、产量性状、果实 的成熟和品质性状等，从而使得花发育的研究成为植物学研究领域的重点和热点。 被子植物又分为单子叶植物和双子叶植物，在不同物种中其花器官有着明显的差 异，但他们在结构上具有相似性和同源性。上世纪9 0 年代初，人们率先展开了双 子叶模式植物拟南芥和金鱼草的花发育的分子遗传机制研究。目前，我们对花发 育的分子遗传机制和调控模式已经有了清晰的认识。花在形成过程中经历了系 列复杂而有序的基因调控步骤，通过对内外因素和开花基因信号的整合，首先茎 端分生组织向花序分生组织分化，接着花分生组织特征基因调控花序分生组织产 生花分生组织，然后花器官特征基因特化花分生组织产生4 轮花器官原基，最后 在形态构建基因的作用下完成花器官的形态构建。在这些研究中，我们认识到阐 明关键基因的功能对深入研究花发育的分子遗传机制具有十分重要的意义。伴随 着花发育调控途径中一系列重要基因的鉴定和越来越多基因的深入研究，我们对 花发育的认识日益清晰。 单子叶植物早在1 2 1 8 亿年前就与双子叶植物分开各自独立进化，其花器官 的许多特征与双子叶植物相比有着明显的差异，尽管如此，目前我们对花发育各 方面的理解主要还是基于拟南芥、金鱼草和矮牵牛( p e t u n i ah y b r i d a ) 等双子叶植 物的研究结果。近年来，随着模式植物水稻中越来越多的花发育相关基因的克隆， 我们对单子叶植物花的遗传模式有了更多的了解。 本文以近年水稻突变体的研究为基础，简单地阐述水稻花发育的遗传调控机 制。 1 1 花发育 1 1 1 成花诱导 1 1 1 1 植物开花时间的调控 植物开花前，必须经过开花时间的调控才能由营养生长转变为生殖生长。调 控途径主要有四条：光周期调控、春化作用、自主促进途径和赤霉素( s a b l o w s k ie t a 1 ，2 0 0 7 ) 。 最终通过少数的几个关键基因对来自各个途径的信号进行整合，继而调控花 序和花分生组织的产生。 两南大学硕士学位论文 1 1 1 2 光周期途径 拟南芥开花调控的主要途径中，光周期途径是研究得最为清楚的一个。当植株 生长到一定的阶段时，光受体通过接收光周期信号，从而诱导开花基因表达，这就 是所谓的光周期调控途径( b l a z q u e ze ta 1 ，1 9 9 7 ，1 9 9 8 ；s c h a f f e re ta 1 ，1 9 9 8 ；w a n ga n d t o b i n , 19 9 8 ；s o m e r se ta 1 ，2 0 0 0 ；s t r a y e re ta 1 ，2 0 0 0 ；a l a b a d ie ta 1 ，2 0 01 ) ，开花基因 g i g a n t e a ( g o 、f l a v i n b i n d i n gk e l c h - r e p e a t f - b o x l ( f k _ f 1 ) 等通过诱导表 达接着调控下游c o n s t a n s ( c d ) 基因的表达，最终促使植物花器官的形成 ( k o o m n e e f e ta ，1 9 9 1 ；i m a i z u m ie ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 1 1 1 3 春化、自主促进和g a 途径 所谓春化作用是指植物的种子或营养生长必须经过低温诱导才能正常开花。 目前拟南芥中已鉴定的几个与春化反应直接相关的基因陋r m 黝册 ，j ( v r n l ) 、v r n 2 和班捌忧三z 翻刀d 7 ，w d e p e ? v d e m 呵( v i n 3 ) ，其功能是参与开花抑 制基因f l o w e r i n gl o c u sc ( f l c ) 的表达抑制或转录后调控，从而调控开花时 间( b i r v ee ta 1 ，2 0 01 ：g e n d a l le ta 1 ，2 0 01 ；s u n ga n da m a s i n o ，2 0 0 4 ；l e v ye ta 1 ， 2 0 0 2 ；m y l n e e ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 自主促进途径是指基因不受长日照或者短日照条件的影响，其基因都能表达 从而促进植物开花，其调控基因的表达不需要通过春化也不需要光周期的诱导， 在它们的突变体中，其开花完全依赖于外源信号，比如拟南芥中加、彦、历v a 、l d 、 f l d 和f v e 突变体。自主促进途径的基因也是通过抑制f l c 的表达来促进植株开花 的( q u e s a d ae ta 1 ，2 0 0 3 ；h ee ta 1 ，2 0 0 3 ；a u s i ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 成花还受g a 的调控。在短日照条件下，拟南芥g a 生物合成或信号传导的突 变体表现出明显的花时延迟，甚至不开花；相反，拟南芥中通过长日照条件诱导 开花的同时伴随着g a 水平的升高。更有意思的是，施加外源g a 也能促进拟南芥 开花。其结果暗示g a 是刺激开花的重要因子( b l a z q u e z 和w e i g e l ，1 9 9 9 ) 。来自 g a 途径的信号最终会激活开花信号整合因子s o c l 或者直接参与调控花分生组织 特征基因皿4 刀硒( m o o ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 水稻是单子叶植物的模式植物，其中大部分的开花基因都与光周期或光质量 途径有关。光敏色素p h y a 、p 闭旧和p h y c 参与了花时调控。p h y b 和p h y c 若 发生突变，会导致植株提早开花，p h y a 单突变不影响花时。而在p h y a 、p h y b 和p h y c 的三突变体中，其早花比p h y b 和p h y c 单突变体更严重( 1 z a w ae t a 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 。在水稻中，发现h e a d i n g - d a t e6 ( h d 6 ，o s c k ) 、o s g i 与拟南芥 中节律钟基因c k 、g i 同源( h a y a m ae ta 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ；t a k a h a s h ie ta 1 ，2 0 0 1 ) 。在 2 第1 章文献综述 水稻研究中还发现了拟南芥节律钟c c a l 、t o c j 、z t l 和e l f 3 的同源基因( i z a w a e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。所有的开花信号都可能参与诱导水稻开花基因c o 的直系同源基因 h d l ( o s c o ) 的表达( y a n oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。也就是说，单子叶植物水稻和双子叶植 物拟南茎开花的光周期诱导途径是比较保守的。 1 2 花器官发育 1 2 1 花序的发育 1 2 1 1 花序的形成 图1 1 拟南芥的开花调控途径 ( 摘自j a na dz e e v a m t ，2 0 0 8 ) f i g u r e1 1p h o t o p e r i o dc o n t r o li na r a b i d o p s i s ( j a na dg e a ：v s l a l t ，2 0 0 8 ) 在拟南芥的营养生长期，茎顶端分生组织不断分化出叶原基和腋芽原基；而 在生殖生长期，顶端分生组织则产生花分生组织。植物由营养生长向生殖生长转 变需要经过一系列复杂的来自内外因素的调控，外因有环境因素如光照、温度等； 内部因素则是通过激素来激发内部信号。这些开花信号最终被整合，从而诱导花 序分生组织和花分生组织特征基因的表达( r o b l e se ta 1 ，2 0 0 5 ；m a y e re ta 1 ，1 9 9 8 ； k o j i m ae ta 1 ，2 0 0 2 ；l e ee ta 1 ，2 0 0 4 ；l a r s s o ne ta 1 ，1 9 9 8 ；a u b e r te ta 1 ，2 0 0 1 ；y o s h i d a e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。这时茎顶端分生组织形成花序原基。 在花序中，根据花序主轴顶端是否着生一朵顶花而分为有限花序和无限花序 ( c o e na n dn u g e n t , 1 9 9 4 ) 。在有限花序中花序分生组织只能分化出一定数目的花原 基，在花序主轴顶端形成一朵顶花时就停止分化，主轴的顶花一般最早形成，如 水稻和烟草；而无限花序则不同，其花序分生组织有不断分化出花原基的能力， 花序轴不断生长延长的同时在花序轴侧部不断形成小花，如金鱼草和拟南芥。 西南大学硕+ 学位论文 1 2 1 2 花分生组织的发育 花序的形成，最开始在花分生组织特征基因( f l o r a lm e r i s t e mi d e n t i t yg e n e ) 的调 控下，茎端分生组织( s h o o ta p i c a lm e r i s t e m ，s a m ) 向花分生组织转变，这类基因 又激活下游花器官特征基因和级联基因的表达( w e i g e le ta 1 ，1 9 9 2 ；b o w m a ne ta 1 ， 1 9 9 3 ；g u s t a f s o n b r o w ne ta 1 ，1 9 9 4 ；b r a d l e ye la 1 ，1 9 9 7 ) 。拟南芥中已分离到与花序 分生组织发育有关的特异基因，通过对t f l ( t e r m i n a lf l o w e r ) 基因的研究，发现该 基因一方面促进花序分生组织的形成，另一方面抑制花分生组织特异基因的表达 ( l a r s s o ne t a l ，1 9 9 8 ) 。有研究还发现观基因抑制三刀、a p l 基因表达，并且t f l 基因在营养生长期也有一定的作用( m e y e r o w i t ze ta 1 ，1 9 9 8 ) 。其他一些研究也表 明t f l 与维持花序分生组织属性有关，在早期少量表达可延迟营养分生组织向生 殖分生组织的转变；而后期大量表达则维持花序分生组织属性( b r a d l e ye ta 1 ，1 9 9 6 ， 19 9 7 ；g r e g i se ta 1 ，2 0 0 6 ；r a t c l i f f ee ta 1 ，19 9 9 ) 。在单子叶模式植物水稻中，也找到 矾j 的直系同源基因r c n l 和r c 2 。在r c m 移r c 2 两个基因的过量表达植 株中，发现次级花序和花的数目都比相应的野生型有所增加，说明基因的过量表 达延长了花序分生组织的不确定性，但是这个过程最终会被终止从而在花序顶端 产生顶花( n a k a g a w ae ta 1 ，2 0 0 2 ) 。研究表明r c n l 2 具有维持花序分生组织不确定 性的功能。 在对拟南芥的研究中，发现l f y 和a p l 基因具有在花序分生组织的旁侧特化 花分生组织产生的功能，是主要的花分生组织特征基因，在其单突变体修和a p l 中，观察到花向花序的部分转变，而在双突变体l f - y a p l 中花分生组织基本上不能 起始；刀和a p l 的异位表达使花序的顶端分生组织转变成花( m a n d e la n d y a n o f s k y , 1 9 9 5 ；w e i g e la n d n i l s s o n , 1 9 9 5 ；w a g n e re ta 1 ，1 9 9 9 ) 。髓v 编码一个植物特 异性的含保守d n a 结构域的转录因子，而a p l 编码m a d s b o x 蛋白，是s q u a 基因家族的一员。 拟南芥存在两个靶幽类基因c au l i f l o b i e r ( c a l ) 和f r ( 仍f u l l ( f u l ) 基因，这两个基因在花分生组织的特征发育中具有一定的功能( b o w m a ne ta 1 ， 1 9 9 3 ；k e m p i ne ta 1 ，1 9 9 5 ；j o f u k u e ta 1 ，1 9 9 4 ) 。c a l 与a p l 同源性很高，c a l 编码 一个m a d s b o x 转录因子，与a p l 相比在m a d s 区的5 6 个氨基酸中只有5 个不 同，研究表明这两个基因编码的蛋白可能识别相似的d n a 序列及调控类似的靶基 因，而且c a l 在花原基发育初期的表达方式也与a p l 相似( f e r r a n d i ze ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 另外还有研究还表明c a l 可能促进了三一的表达( o l s e n e ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 4 第1 章文献综述 1 2 1 3 水稻花分生组织的发育 水稻中与拟南芥f u l 同源的s q u a 类基因包括o s m a d s l 4 ( r a p l b ) 、 o s m a d s l 5 ( r a p l a ) 和o s m a d s l 8 。其基因异位表达会引起早花，表明它们具有促 进花分生组织产生的功能。而在o s m a d s l 8 的r n a 干涉结果中未发现花向花序的 部分转变，表明该基因并不参与花分生组织的特征发育( j e o ne ta ，2 0 0 0 ；k y o z u k a 甜以，2 0 0 0 ；p e l u c c h ie ta ，2 0 0 2 ；f o m a r ae ta ，2 0 0 4 ) 。 与拟南芥a p l 基因相似，i b 4 p m 在水稻中调控花分生组织的发育。r a p i a 过 量表达的转基因植株也明显形成早花( o o c a le ta l ，2 0 0 1 ) 。而在对r f l 和见护朋 在水稻的表达模式研究中发现其与拟南芥中同源基因a p j 和l f y 的表达模式有明 显的不同，该结果可能说明r f l 和r a p m 在水稻中的功能发生了变异。 o s m a d s l 是水稻中与拟南芥a p l 同源的基因，其氨基酸序列与 a g a m o u s - l i k e 2 ( a g l 2 ) 基因编码的氨基酸序列有5 6 2 的同源性，与卯j 有 4 4 4 的同源性。在对o s m a 琊j 原位杂交的分析结果中，发现m r n a 专一地在花 原基中和颖花的内、外颖以及胚珠中表达c k a n g e ta ，1 9 9 7 ；j e o ne ta 1 ，2 0 0 0 ；l i me t a 1 ，2 0 0 0 ) 。而在对烟草中3 5 s ：o s m a d s l 的过量表达植株中，植株表现出个体变矮， 早花。水稻中o s m a d s l 基因异位表达也会导致早花陬s a de t 甜，2 0 0 1 ) 。研究发 现几个o s m a d s l 基因的功能缺失突变都导致花分生组织及其花器官发育的缺陷， 比如内外稃伸长变薄，浆片稃片化、雄蕊减少和部分雌蕊增多，甚至在一些更严 重的突变体中，花器官转化为叶化稃片状器官，这与拟南芥s e p 基因的功能缺失 表型很相似；所有的突变还会导致花中花的出现，与拟南芥的口g 突变相同( j e o n e t a ，2 0 0 0 ；a g r a w a le ta 1 ，2 0 0 5 ；p r a s a de ta ，2 0 0 1 ；2 0 0 5 ；c h e ne ta ，2 0 0 6 ) 。所以水稻 中o s m a d s l 基因也可以看作是花分生组织特征基因。 1 2 2 花器官发育 1 2 2 1a b c 模型 典型的被子植物的花通常由四种花器官构成，它们按照同心圆或轮的方式依 次排列。在最外面的一轮是绿色的叶状的萼片，接下来的第二轮花器官是花瓣， 第三轮花器官是能够产生花粉的雄性生殖器官雄蕊，第四轮花器官则是雌性生殖 器官- 心皮( 1 51 - 2 ) 。 早在1 9 8 8 年，h a u g h n 和s o m e r v i l l e 就提出了a b c 模型，他们认为三种不同 的同源异型基因a 、b 和c 的不同表达状态( 开或关) 决定了四轮不同花器官的特性。 a b c 基因在花萼中的状态为“开关关”；在花瓣中的状态为“开开关 ；在雄蕊中 5 西南大学硕士学位论文 的状态为“关开开”；而在心皮中的状态为“关- 关开”；而当这三种基因同时处于 关闭时则只有叶片发育。s c h w a t z - s o m m e r 等在1 9 9 0 年也提出了a b c 模型，他们 认为花发育中有a 及b 两个发育途径与一种花的基态结合，途径a 相当于基因b ， 而途径b 相当于基因c ( 罗琼，2 0 0 3 ) 。在对双子叶植物拟南芥和金鱼草的不同花 器官的各类同源异型突变体的研究中发现了一系列器官决定基因。根据这些研究 结果，c o e n 和m e y e r o w i t z 提出了经典的花器官发育的“a b c 模型 。他们在模型中 主张花器官的特征发育受a 、b 、c 三类同源异型基因的组合调控，花的四轮花器 官结构花萼、花瓣、雄蕊及心皮分别由a 、a + b 、b + c 及c 四组基因决定，每一 类基因都负责调控两轮以上的花器官；其中任何一类基因的缺失突变就会引起相 应轮次花器官的同源异型转变，比如，b 类基因的突变引起花瓣向花萼以及雄蕊向 心皮的转变( c o e n 和m e y e r o w i t z , 1 9 9 1 ；b o w m a n e t a l ，1 9 9 1 ；w c i g e le t a ，1 9 9 4 ) 。 帆帅舾 s 一文“ 微睽掏 岫p 恼翱c 图l - 2 拟南芥花器官特征发育的 a b c 的模型( c a t m i e re ta 1 ，2 0 l o ) 野生型中，花的四轮结构花萼、花瓣、雄 蕊及心皮分别由a 、b 、c 三组基因所决定， 每一类基因都调控两轮以上的花器官；他 们中任何一类基因突变就会引起相应轮次 的器官的同源异型转变。a 功能基因突变 时，c 功能基因扩展到外2 轮，花萼和花瓣 被转变为心皮和雄蕊；b 功能基因突变时， 花瓣转变为花萼、雄蕊转变为心皮； c 功 能基因突变时。a 功能基因扩展到内2 轮， 雄蕊转变为花瓣，心皮转变为花萼并失去 确定性 f i g u r el - 21 r t 埒a b cm o d e lf o r f l o r a l - o r g a n 彤吡盯i i i n g ( c a u s i e re ta 1 ， 2 0 1 0 ) t h ew i l dt y p ea r a b i d o p s i s