（作物遗传育种专业论文）水稻半矮秆和早衰突变体遗传分析与分子定位.pdf

摘要 矮生性是水稻重要的产量性状之一，矮秆水稻品种的选育和推广是2 0 世纪水稻育种工作的 最主要的成就之一。水稻非s d - i 矮生基因的发掘和利用历来受到水稻遗传育种学家的重视，开 发新的水稻矮源并及时加以利用，是避免矮秆良种遗传单一化从而带来遗传脆弱性的重要研究 课题。本研究以中花l l 的半矮杆突变体为材料，通过遗传分析和改良，发现了一个有希望用于 水稻育种的一个新的半矮杆基因。还对一个早衰突变体进行了遗传研究，并初步将早衰基因定 位在第1 1 条染色体上。 l 、对新花矮和矮中花两个突变体的农艺性状和半矮生性状遗传进行了研究。结果表明它 们的半矮生性都是由一对基因控制的。其中矮中花中的半矮生基因与s d - 1 等位。而新花矮中的 半矮生基因s d - z ( t ) 与s d - i 不等位，s d - z ( t ) 在g a 代谢调控路径中可能位于s d - 1 的下游。 2 、对新花矮中的半矮生基因s d - z ( t ) 与其他的几个半矮生基因的等位性进行了分析。研 究表明，s d - z ( t ) 与s d - g 、s d - q 、d - 5 9 、s d - 6 等半矮生基因不等位。在苗期用赤霉素和多效唑进 行处理，发现新花矮对它们都很敏感。暗处理试验表明，它是一个与g a 有关的突变体。 3 、对新花矮中的半矮生基因s d - z ( t ) 的遗传性状表现进行了研究，新花矮不仅有优良的 农艺性状，而且s d - z ( t ) 可以与大粒性、穗粒数和高结实率结合，s d - z ( t ) 的副作用可以通过遗 传背景的改盎而得以改善。表明s d - z ( t ) 有望在水稻育种中利用。 4 、选择突变体“z h - 早衰”为试验材料，开展了遗传分析及初步分子定位研究，表明早 衰基因p s e - z ( t ) 是显性的t 利用s s r 标记，采用f 2 群体表型为野生型的单株，将p s e - z ( t ) 定位在 第1 1 条染色体引物r m 5 1 2 8 和r m l l 6 之问的1 9 c m 的范围内。 关铡! 词：7 9 稻( o r y z a s a # v a l ) ，半矮生基因，遗传分析，早衰突变体 a b s t r a c t d w a r f i s mi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ty i e l d i n gt r a i t si nr i c e u t i l i z a t i o no f d w a r f r i c e v a r i e t i e s w a so n eo f t h e g r e a t e s ta c h i e v e m e n t s i nr i c eb r e e d i n gi nt h e2 0 t hc e n t u r y i d e n t i f i c a t i o na n du t i l i z a t i o n o f n o n - s d l g e n e a r ea m o n g m a j o r t o p i c s i nr i c e g e n e t i c a n db r e e d i n gr e s e a r c h s t u d y a n d u t i l i z a t i o n o f d w a r f m u t a n t s t i m e l y i nr i c ew o u l d h e l pu sr e s o l v e t h eg e n e t i cf r a n g i b i l i t yc a u s e db y s i m p l i f i c a t i o no f t h eu s eo fd w a r fg e n ei n r i c eb r e e d 岵i nt h ep r e s e n ts t u d y , b yg e n e t i ca n a l y s i sa n dg e n e t i c b a c k g r o u n di m p r o v e m e n t , an e ws e m i - d w a r f g e n e ，w h i c h w o u l db eu s e f u li nr i c eb r e e d i n g , w a sf o u n d f r o ms e m i - d w a r f m u t a n t s f r o m z h l l g e n e t i ca n a l y s i s o f a p r e m a t u r e s e n e s c e n c e m u t a n t p s e - z ( t ) w a s m a d e , a n d t h e g e n e p s e - t ) w a s p r e l i m i n m y m a p p e d o r l t o c h r o m o s o m e1 1 1 t h e a 鲁 o n o m i c t r a i t sa n d g e n e t i c c h a r a c t e r o f d w a r f i s m o f x h a a n d a z h w e r e s t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed w a r f i s mw a sc o n t r o l l e db ys i n o er e c e s s i v eg e n ei nt h o s et w om u t a n t s t h e s e m i - d w a c f g e n ei na z h w a sa l l e l i ct os d l ，w h i l et h eo n ei nx h aw z sn o n - a l l e l i ct os d l ，m a y b es d i s d o w n - r e g u l a t e d b y $ d - z ( t ) i n m e t a b o l i s m p a t h w a y o f g a s 2 a l | e l i s a mt e s t sb d n s d - 域t ) a n ds e v e r a lo 吐i e fs o m i m w a r f g e n e si n d i c a t e dt h a ts d - z ( t ) w n o n - a l l e l i c t o s a g 、s d - q 、d - 5 9 、s d - 6 x h a s h o w e dr e s p o n s i v e n e s s t o g a 3 a n d p p 3 3 3 a ts e e d i n g s t a g e 。 t h er e s u l to f p h o t o m o r p h o g e n i c “c d s h o w e ds d - z ( t ) w a sc o n s i s t e n tw i t hd w a r f i s mt h a tr e s u l t e d f r o mad e f i c i e n c yi ng i b b e l l i n ( g a ) p l a n th o r m o n e s 3 c h a r a c t e re x p r e s s i o n so fj d - z ( t ) w e r es t u d i e d x h ah a se x c e l l e n ta g r o n o m i ct r a i t s a l s o t h e r ea r eg o o dc o m b i n a t i o no fl a r g eg r a i ns i z ew i t hs e m i - d w a r f i s mc o n t r o l l e db ys d - z ( t ) a n dg o o d a s s o c i a t i o n sb e q w c e nt h es e m i - d w a r f i s ma n d 蛐n u m b e rp e rp a n i c l ea n dt h es e m i - d w a r f i s ma n d l l i g hs e e ds e t t i n gr a t e t h es i d ee f f e c ts u c h t h er e d u c t i o no f p a n i c l ea n dg r a i nn u m b e rp e rp a n i c l e c 触b ec h a n g e db yt h ei m p r o v e m e n to f g e n e t i cb a c k g r o u n d a l lt h o s es u g g e s t e dt h a ta d - z ( t ) c a nb e u t i l i z e di nr i c eb r e e d i n g 4 g e n e t i c a la n a l y s i sa n dp r e l i m i n a r ym a p p i n go ft h em u t a n t z h - p r e m a t u r es e n e s c e n c e w e r ec o n d u c t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p r e m a t u r es e n e s c e n c e t r a i tw a sc o n t r o l l e d b ys i n g l e d o m i n a n tg e n e w i t hs s rm a r k e r sa n dw i l dt y p ep l a n t sf r o mf 2p o p u l a t i o n ，t h e 愚e t ) w a sl o c a t e d o nt h es h o r ta r mo fc h r o m o s o m e11 , a h o u t1 9c mg e n e t i cd i s t a n c eb e t w nm a r k e rr m 5 1 2 8a n d r m 6 k e yw o r d s ：r i c e ( o r 馆as a t 抑al ) s e m i - d w a r fg e n e ，g e n e t i c a la n a l y s i s ，p r e m a t u r es e n e s c e n c e m u t a n t - n - 单位代码： 研究生学号： 水稻半矮秆和早衰突变体遗传分析与分子定位 论文答辩日期 答辩委员会主席 ( 姓名、职称、单位) 答辩委员会成员 ( 姓名、职称、单位) 答辩委员会成员 ( 姓名、职称、单位) 答辩委员会成员 ( 姓名、职称、单位) 论文评阅人 ( 姓名、职称、单位) 论文评阅人 ( 姓名、职称、单位) 朱睦远教授 逝踅盍堂 陶跃之研究员金庆生研究员 逝堑壅些挝堂医 涂巨民教授 浙堑太堂 吴建利副研究员 虫垦壅整班究匮 林鸿宣研究员 土瀣擅塑生理生盔班荭匮 张红生教授 厦立壅些态堂 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获锝中国农业科学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：递零群 时间： z o o 3 - 年厂月柳 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科学 院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协调 研究生签名： 犟军群 导师躲芸拙啦v 厶即 时间：埘年f 月z 扫 时间：2 c ，。掎g 月刁日 第一部分水稻新半矮生基因的发掘与研究 1 1 水稻矮源概述 第一章绪论 栽培水稻中发现的含有矮秆、半矮秆基因的种质都叫矮源。水稻的矮生性是指成熟期水稻的 株高比正常楂株缩短的遗传特性，广义上可以把矮秆分为半矮秆，矮秆和极矮秆3 种类型。狭义 上，矮秆指成熟期时的株高等于或小于正常亲本株高一半的矮秆变异：半矮秆是指株高介于矮秆 和正常高度之阃的突变类型( 谷福林等，2 0 0 3 ) 。 正常的水稻植株，成花诱导的完成伴随着末梢4 或5 个节间的伸长，而底都的其他节问不伸 长，水稻矮秆突变体的分类就是建立在末梢节间伸长类型不同的基础上( s u n o h a r a 甜a l ，2 0 0 3 ) 。 t a k a h a s h i 等( 1 9 6 9 ) 和t a k e d a ( 1 9 7 7 ) 将水稻矮秆突变体分成5 类：d n 一，葫 一，d 6 - ，h 厶和s h 一。 d n - 类型，各节间的伸长方式与野生型相似。只是各节间按比例缩短；d m 类型，倒2 节间特定的 缩短；d d 类型仅仅只是最上面节间伸长；n 磅逛型上部节闻伸长程度减少，下部节间伸长；s h 一 类型，最上面节间不伸长( 图1 1 ) 。 豳11 各种不同水稻矮秆究变体节问伸长方式示意圈( 引l 自i t s k e d a 1 9 7 7 ；s a t o 。1 9 9 9 ) f i 霉峨1 1s c , h e m a l 缸代即髓朋抽如no fi n m o d ee l o n g a t i o np a l m s o fv 舢i o u sd w a r f 咖岫恤o fr i c e ( r e d r a w n f r o mt a k c d a , 1 9 7 7 ；s a t o ，1 9 9 9 ) 1 2 国内外研究现状 i 2 i 水稻矮源的获得 水稻晟初的矮秆变异来源于自然条件下自发产生的突变，包括所有的突变是生物变异的重耍 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 来源，也是生物进化的基础( 江树业，2 0 0 3 ) ，当然自发突变的频率较低。除了自然发生突变产 生的矮源以外，人工诱变是创造矮源的重要的方法，如物理因素，化学药剂，组织培养，t - d n a 和转座子插入。太空诱发及遗传操作等，均能诱发矮秆变异。 i c h i j i m a ( 1 9 3 4 ) 首先报道了利用x 射线诱导一个粳稻品种产生矮秆突变。其他方法，如y 射线，3 2 p 处理等方法都取得了成功。上世纪八十年代，先后通过x 射线和”7 c s 照射台中6 5 和 g i n b o z u 等品种，得到了s d - 6 到s d - 9 等多个半矮生基因( t a n i s a k a ，1 9 9 4 ；t s a i ，1 9 8 9 、1 9 9 4 ) 。 朱旭东等( 2 0 0 4 ) 利用y 射线对粳稻品种“中花l l ”进行辐照，经m 3 复选获得各类突变体4 3 1 份。为水稻功能基因组研究提供了基础材料。其中有半矮生、小粒矮生、大粒矮生、多蘖矮生、 少羹矮生、特矮生、长剑叶矮生、畸形矮生等多种矮生型，约占总数的3 0 。 化学诱变就是利用化学物质来处理植物( 一般是种子) 来诱发产生突变。现在最常用的诱变 剂是e m s ( e t h y lm e t h a n es u l f o n i ca c i d ) 。n a n 3 诱导矮秆的效果也很显著，m 2 代产生矮秆的频率 在2 4 4 左右( 陆兆新等，1 9 9 2 ) 。l e u n g 等( 2 0 0 2 ) 已经获得了1 4 ，0 0 0 个水稻e m s 突变群体， 为水稻定点突变的筛选奠定了基础。 组织培养的方法，结合化学诱变及辐射技术也是产生矮秆突变的有效方法。此外，重组自交 系( r i l s ) 、双单倍体群体( d h ) 和近等基因系( n 儿s ) 等群体中也常出现可供利用的突变体。 将某些元件插入到水稻基因组中后，相应位点的基因的表达就可能受到抑制，插入元件同时 又可用作标签，从基因组中分离出相应的基因并鉴定其功能。目前，水稻中最为常用的插入元件 主要是t - d n a 、转座子及反转录转座子等( 江树业，2 0 0 3 ) 。水稻t - d n a 插入突变库的构建工作 也取得可喜进展。如j e o n 等( 2 0 0 0 ) 已经筛选出至少3 0 , 0 0 0 个t - d n a 插入突变体；中国水稻研 究所已经建成我国第一个水稻t - d n a 插入突变体库，得到4 , 5 0 0 份突变体材料，表型分析和分子 检测表明所获得的植株9 5 为转基因植株，单位点插入株系占2 3 。 利用返回式卫星搭载植物种子进行空间诱变处理是近十几年来一个新的诱变方法。徐建龙等 利用卫星搭载的特早熟粳稻9 5 5 0 3 的诱变后代鉴定出一个株高5 6c m ，有效分蘖数多达6 0 个以 上，株型昆好，籽粒正常的多蘖矮秆突变体r 9 5 5 ( 徐建龙等，2 0 0 3 ) 。 1 2 2 水稻矮生性状的遗传研究 自从印度学者p a r n e l l 于1 9 2 2 年首次报道了一个隐性单基因控制的自然矮秆突变系以来，科 学家对水稻矮秆的遗传进行了广泛的研究。 粳稻中的矮生性遗传有两种情况：一是受隐性单基因控制，并伴有作用较明显的修饰基囡， 二是由微效多基因控制( 朱立宏等。1 9 8 4 ) 。在籼稻中，矮生性多数是由单隐性基因控制，少数 受2 至3 对隐性基因控制，仅有极少数的矮源受多基因控制( 朱旭东等，1 9 9 7 ) 。水稻株高由单 一隐性矮秆基因控制时，表现半矮秆或矮秆，受两对矮秆基因控制时，植株往往表现为特矮。当 然，也有特矮突变体是由一对矮秆基因控制伪。据网络数据库检索，至2 0 0 4 年2 月g r a m e r l e 水 稻突变体库中收集的水稻矮秆、半矮秆基因分别为“个( 编号：d m 孵j 。d w a r f - 4 3 ) 和1 6 个 ( 编号：s e m i d w a r f - 1 s e m i d w w f - 1 6 ) 。原日本水稻基因连锁群和命名委员会的d 编号( d l - d 6 1 ) - 2 一 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 中的矮秆、半矮秆基因也编录在内。其中，除了d w a r f - 3 4 、d w a r y - 4 3 、o w a r y - 4 4 、s e m i d w a r f - 1 4 四个是显性基因以外，其余的都是隐性基因( h t t p ：w w w g r a m e n e o r g r i c em u t a n t i n d e x h u n i ) 。与 其他的一些性状不同，矮生基因的显隐性是相对的，在杂合状态下，都有部分的表达。这和植物 内源激素复杂的合成代谢过程有关。 1 2 ，3 温度对矮生水稻的影响 “f u k e i7 1 ”是通过对品种“f u j i m i n o r i ”进行y 射线照射处理而得到的，它是由一个隐性基 因控制的( f u t s u h a r a ，1 9 6 8 ) 。同时得到的还有另外一个比f u k e i7 1 稍高的矮秆突变体“r e i m e i ”， 后来作为一个栽培品种曾在日本北部被广泛种植。k i t a n o 等( 1 9 8 1 ) 比较了“f u k e i7 1 ”和原品 种“f u j i m i n o r i ”在不同温度处理下的抹高变化；在2 5 3 0 的条件下，。f u k e i 7 1 ”的株高只有 4 6c m ，仅为“f u j h n j n o r l ”的5 6 ：在1 8 2 3 的条件下，其株高达到6 0c m ，是野生性高度 的8 4 。m u r a i 等( 1 9 9 0 ) 研究发现，“f u k e i7 1 ”中的矮秆基因和“y u k a r a ”矮秆中的矮秆基因 d - 1 2 是等位的，后者是用吖丙啶( e t h y l e n ei m m e ) 处理“h o k k a i d o ”而得到的( t a k a h a s l l ie t a l 1 9 6 8 ) 。 他们的研究还发现，当平均温度超过2 6 时，“f u k e i7 1 ”节间的伸长被抑制，主要影响第三( 从 最上面数) 到第五节间的伸长，这和k i t a n o 等的研究结果是一致的。由此可以推断“f u k e i7 1 ” 中的矮秆基因对赤霉素的合成有阻碍作用，在低温条件下，表达强烈，导致水稻植株矮化；也有 可能存在另外的抻制矮秆基因表达的基因，该基因在低温条件下不表达，因此在低温条件下才表 现出矮化。 此外，携带矮秆基因d - 5 8 的植株在低温条件下的表型为矮秆小粒，在高温条件下表现正常。 m u t a i 等( 2 0 0 3 ) 的研究结果表明，d 1 8 - - k 在总苞期对提高水稻耐冷性具有多效性作用，可以用 来培育超耐冷性的水稻品种在天气冷的地区种植。 1 2 4 我国水稻新矮源的发掘和利用 我国对矮源的发掘从5 0 年代开始就没有停止过。顾铭洪等( 1 9 7 9 ) 发现了s d - g 基因，并育 成了含有此基因的品系新桂矮。随后的研究将s d - g 定位到第5 染色体上。随后陆续发现8 0 1 0 7 0 和一支腊中分别带有与d - g ( t ) 和s d - n ( t ) ( 朱立宏等，1 9 8 4 ；万安良等，1 9 8 4 ) ；还有从矮泰引一2 中发现的矮秆基因s d - t ( t ) ( 粱国华等，1 9 9 5 ) ；粒疆矮生品种广从中的矮生基因s d - s ( t ) ( 蒋志谦等， 1 9 9 7 ) ：对赤霉素反应很敏感的江苏矮，与d g d w 的s d - 1 、雪禾矮早的d l - x 不等位，暂时将此基 因命名为d - j ( t ) ( 钱前等，1 9 9 7 ) ：马良勇等( 2 0 0 2 ) 发现的含有s a g ( t ) 新黔矮；徐建龙等( 2 0 0 3 ) 诱变特早熟粳稻9 5 - 5 0 3 鉴定出的多蘖矮秆突变体r 9 5 5 ，还有吴成等( 2 0 0 3 ) 在杂交水稻亲本恢 复系蜀恢1 6 2 中发现的小粒矮秆突变体“1 6 2 d ”。但是，这些矮秆种质在育种中的利用价值，有 待进一步的研究。 1 2 5 矮生半矮生基因的定位研究 目前，已经发掘了超过6 0 种的矮秆突变体，大多数矮秆、半矮秆基因已经被定位到除第1 0 条染色体以外的1 1 条染色体上( 表1 1 ) 。少数已经进行了克隆和分离，矮化机理已经研究清楚。 3 - 中国农业科学院硕士学位论文 第一章绪论 囊1 1已经报道的矮生、半矮生基因 t a b l e1 1d w a r 删- d m r f 鲫ez e p o z t e d - t d - a r f 3 2 d w a r f 3 3 d w a r f - 3 4 d w a r f 3 5 d w a r f - 3 6 d w f 3 2 d w f 3 3 # r z 3 4 d i f 3 5 d w f 3 6 d 5 1 , dk 8 e m l 3 0 5 施2dk 2 d 5 3 , dk 3 d 5 4 , dk 5 d 5 5 , dk 6 d w f 3 2 1 ( d s ll ，d k 1 ) 8 3 1 1 1 l i r t a o m u r a ( 1 9 8 4 ) 1 w a t ae ta l ( 1 9 8 8 ) 1 w a t a o m u r a ( 1 9 8 4 ) l * a t ae ta l ( 1 9 8 9 b ) 1 w a t ae ta l ( 1 9 8 9 b ) d w a r f 一3 7 d - 驰d 5 6 dk 73 1 w a t ae t8 1l 1 9 8 5 d w a r f - 3 8 栅d s zd ( x ) 9 h s i e h ( 1 9 7 6 ) d w a r f - 3 9d r f 3 9 d 5 8 , 小粒矮 6 k i j i me ta i ( 1 8 9 8 ) d w a r f - 4 0d w f 4 0 d 5 9 ( t ) d m l 0 7 - 4 k i j i mp t8 7 ( 1 9 9 6 ) d w a r f - 4 1d w f 4 1嘲s d ( t ) 7 k a m l j i m ap ta l ( 1 9 9 6 ) d w a r f - 4 2d r t 4 2栅 l轧e td 1 ( 1 9 9 9 ) d w a r f - 4 3 b r a e 4 3 鼬( t ) k o h h e u ( 1 9 9 3 ) i n , a t f - 4 4d w f 4 4 s s v *w1 0 7 d i “4 1 ( s s v 1 )7 e i g u c h ie ta 1 ( 1 9 9 5 ) s e r e a l t a r f - i s d ld 4 7 , d 4 9 t 6 5 d , d g w g s d ll s d l 8 i s a s a k ie ta i ( 2 0 0 2 ) s e m i d w a r f - 2s d 2 f o s t e r r u t g e r ( 1 9 7 8 b ) 3 e m i d u a r f - 3s d 3 f o s t e r & r u t g e r ( 1 9 7 8 b ) s e m i d w a r f - 4s d 4 m a c k i l l r u t g e r ( 1 9 7 9 ) s e m i d w a r f - 5s d 5 m c k e n z i e r u t g a r ( 1 9 8 6 ) s e m i d w a r f - 6 s d 6 s d 6 ( t ) f l u ( 1 9 8 7 ) s e m i d v a r f - 7s d 7 s a l t ( t )5 k a m i j i m ae ta ( 1 9 9 6 ) s m i d w a r f - 8s d 8 s d s ( t ) k a m i j i m ae ta 2 ( 1 9 9 6 ) s m i d l a r f - 9s d 9 s 拶( t ) k a r o k i t a n i s a k a ( 1 9 9 7 ) s e a i d u a r f 一1 0s d l o s d l o ( t ) k u r o k l t a n i s a k a ( 1 9 9 7 ) s e m i d w a r f i is d l l s 由 5 k i j i mp ta 1 ( 1 9 9 6 ) s e m l d n r f - 1 2 _ *s d l 2 s d * s e m i d w e x f - 1 3 一 s d l 3s i d s e m i d w a r f 一1 4 s d l 4 s d ( t )南京1 1 号 李欣等( 2 0 0 1 ) s e m i d w a r f - 1 5 s d 5s 士t 新泰矮4李欣等( 2 0 0 1 ) s e m i d w a r f - 1 6 s d l 6s d - n 一支腊 5李欣等( 2 0 0 2 ) d 1 6 2 ( t )1 6 2 d 3l ix i u - l a ne ta j ( 2 0 0 3 ) s d - g桂阳矮1 号5 梁国华等( 1 9 9 4 ) 1 面赢蕊赢面焉二忑面菊赢而忑淼赢忑丙忑i 忑焉忑磊忑磊，、 l l g n 等赉料整理 - 5 - _ d 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 + d w a r f - 9 和c b f a r f - 1 3 是等位基因 料d w a r f - l l 和d 札r f - 2 8 是等位基因 抖s e m i d w a r f - 1 2 和s e m i d v a r f - 1 3 是等位基因 1 2 6 矮生基因作用机理研究与应用 最初，有关水稻矮秆机理的研究主要限制在对水稻外部性态的研究，随着细胞生物学的发展， 对矮秆机理的研究深入到细胞水平。例如，k a m i j i m a 等( 1 9 8 5 ) 通过对近等基因矮秆系的研究， 发现节间的缩短主要是细胞数目的减少造成的，而与细胞的长度无明显的相关性。现在，分子生 物学和分子遗传学的飞速发展，对水稻矮秆机理的研究已经深入到分子水平，特别是后基因组时 代的到来，水稻矮秆作用的分子机理已经逐渐被揭示出来。 植物激素突变体是研究植物激素合成、代谢途径以及信号转导的重要植物材料( 韩碧文， 1 9 9 3 ) 。各种各样的因素会使植物矮化，但最近通过对拟南芥( a r a b i d o p s i s ) 和其他双子叶植物矮 秆突变体的分子遗传研究表明，赤霉素( g i b b e r e l l i n s ，简称g a s ) 和油菜素类固醇( b r a s s i n o s t e r o i d s , 简称b r s ) 是决定植物株高的两个最重要的因素( f u j i o k ae t 口f 2 0 0 3 ) 。对水稻矮秆、半矮秆突变 体的研究结果也是如此。 1 ) 、水稻矮生性与赤霉素( g a s ) = ”i g 2 ( 黼j _ _ 一5 i m j + g 上 r - h 】+ g a t i r 对畸 g 袖i r 删- _ 一b 神( 再。帅- g 1 冉删 一 g a ef r o 崎 “囊ha 轴8 撕 田12 高等擅物中赤霉蠢生物合成与分解代谢的主要遮径( o l s z c w s l dn e ta l ，2 0 0 2 ) f i g u r e1 2t h ep r i n c i p l ep a t h w a y so f g i b b c m i n ( g a ) m e t a b o l i g ni nh i g h “p l a n t 酶的名称用蒜体字衰示，在箭头的下面或右翻6 9 和吼2 0 也r 被o a z c , x 分别转化成g 5 l 和g a 2 9 。g 4 和g a i 是具有生物活性的g a ，g a 3 4 和g 8 分别是它们无生物活性的分解代谢剐产物。 - 6 - 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 t h e e n z y m e n m a r es h o w n i nb o l d f i l c e b e l o w o r w n - e 咖o f c h * g a 9 a a d g a 2 0 a l s oc n b e c o a v c = t e d t o g a s i 蚰d g a 2 9b y g a 2 0 x o a 4a n d g a lm t h e b i e a c t i v e g & s , e n d g a 3 4s a d g a sa r e t h e i r i n a c t i v e c a m b o l i t e s g a s 是一个很大的双萜类化合物家族，其中一些具有生物活性，可以对多种发育过程，如 种子发芽，薹干伸长，叶的伸展，花和果实的发育等进行调控( d a v i e s , 1 9 9 5 ) 。g a 的作用特别体 现在茎秆的伸长中，因为所有的g a 缺陷型的突变体都表现为矮秆( r o s se ta , 1 9 9 7 ) 。最近，编 码g a 生物合成过程所用的基因( 除g a - 1 3 羟化酶) 和g a 分解代谢最初步骤已经被分离和鉴定 出来。g a 在高等植物体内的生物合成，主要有三个阶段：1 ) 质体内，栊牛儿焦磷酸到内根- 贝 壳杉烯的合成；2 ) 发生在网膜系统的微粒体细胞色素p 4 5 0 ( c y t p 4 5 0 ) 单加氧酶催化内根贝壳 杉烯向g a l 2 的转变；3 ) 细胞质中c 2 0 - g a s 和c i g - g a s 的形成( o l s z e w s k i n e t a , 2 0 0 2 ) 。 a 、与水稻突变体s 以的有关研究 水稻中的半矮秆基因s d - 1 是现代水稻育种中最重要的基因。s d - i 基因的品种对外源的g a 处 理敏感，株高可以恢复到野生型的高度。s d - i 编码g a 2 0 氧化酶( g a 2 0 0 x 2 ) ，催化g a 5 3 一g a 4 4 一g a l 9 一g 心三步反应。在小麦中普遍应用的半矮秆基因r h t b l b 和r h t d l b 编码与g a 信号转 导有关的蛋白。 孵最乎 田1 3 高等擅物券霉素生麓合成的早期1 3 一羟基化作用途径( t o y o m a s ut , 1 9 9 7 ：s p i e h n e y c rw , 2 0 0 2 ) 。 黑圆襄示由g a 氧化酶( g a 2 0 0 x ) 催化的氯化步骤 f i g u r e1 3t h t 目【y1 3 - h y d r o x y l a t i o nt 埘h w a yo f g i b k - r e a i nb i o s y n t h i si nh i g h e rp l a n t , b l a c kc i r c l e si n d i c a t e o x i d a t i o ns t e p s 扭嘲b ，g a 2 0 = o x i d a 水稻中至少有两种g a 2 0 氧化酶：g a 2 0 0 x - i 和o a 2 0 0 x - 2 ，s d - 1 编码g a 2 0 0 x - 2 ，g a 2 0 0 x - i 基因紧紧和s d - 1 连锁。g a 2 0 0 x - 2 在叶片、茎秆、未开放的花中表达强烈，g a 2 0 0 x - 1 只是在未开 放的花中表达。这也就揭示了为什么s d - 1 水稻株高减小，而产量不受影响的原因( s a s a k i a “威， 2 0 0 2 ) 。s d - 1 水稻含有一个有缺陷的g a 2 0 氧化酶，两个独立的s d - 1 等位基因都是g a 2 0 0 x 2 内部 发生了改变；籼稻半矮秆品种d o o a g a r 在g a 2 0 0 x 2 编码区( e x o n l 和跚r 1 2 ) 缺失了2 s o b p ，同 时丢失的还有e x o n l 和e x o n 2 之间的1 0 3 b p 的内含子；粳稻半矮秆品种c a l r o s e7 6 和野生型c a l r o s e 相比，在7 9 8 位置c 转换威了t ，导致q q t l r o s e 氨基酸序列中的亮氨酸( l 鲫2 6 6 ) 变成了c a l r o s e 7 6 氨基酸序列中苯丙氨酸( p h e ) 。而亮氮酸( l e u - 2 6 6 ) 在所有的g a 2 0 氧化酶( g a 2 0 0 x ) 中是保 守的，在g a 3 0 x 和g a 2 0 x 也是保守的。这就使粳稻c a l r o s e 7 6 的g a 2 0 0 x 2 功能缺失表现出半 矮秆性状( s p i e l m e y e rw e t 甜，2 0 0 2 ) 。 - - 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 b 、与水稻突变体d _ o 有关的研究 携止j 基因的突变体是赤霉素不敏感型突变，小粒、叶色暗绿、直立紧凑型小穗，有时第二节 间不伸长。正j 是水稻中唯一一个编码异三聚体g 蛋白a 亚基的基因，西只是部分影响了g a 的信 号转导，也就是糊粉层中a 淀粉酶活性的诱导和节间的伸长。d 1 蛋白在所有的节间都有分布， 携击j 基因突变体是如何造成特定的d , n - 类型矮化还不是很清楚( s u n o h a r ah e ta l ，2 0 0 3 ) 。d - 1 和 s i r ( 另一个g a 信号转导突变体) 双突变体的表型表明，s l r 对d - 1 具有上位性。gn 蛋白参与了g a 的信号转导。而且，还有另外一条不依赣g a 蛋白的g a 信号转导途径存在( t a n a k a e t a l ，2 0 0 0 ) 。 c 、与水稻突变体d - 1 8 有关的研究 携d - 1 8 基因的是功能缺失型突变，可是它的花和种子的发育没有受到影响。d - 1 8 编码g a3 1 3 羟化酶( o s g a 3 0 x 2 ) ( i t o h h e ta l ，2 0 0 1 ) 。在水稻中也至少有两种g a3t 3 羟化酶，而且是 特异性表达的；o s g a 3 0 x 2 在地上部各器官中广泛表达：o s g a 3 0 x 1 只在生殖器官中特异表达。 由o s g a 3 0 x 2 控制合成的有生物活性的g a 作用于新芽的伸长，而与生殖发育无关( s a k a m o t ot - e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。在g a 合成路径中，o s g a 3 0 x 主要催化g a 9 向g a 4 ，g a 2 0 向g a l 转变的反应， 另外还催化g a 9 、g a 2 0 分别向g a 7 和g a 3 转变的副反应( h e d d e np e t a l ，2 0 0 0 ) 。 d 、与水稻突变体d - 3 5 的有关研究 带d - 3 5 基因的t a n - g i n b o z u 突变体株高是其野生型的6 0 7 0 ，实际上上个世纪5 0 年代 t a n - g i n b o z u 曾经被认为是日本产量最高的栽培品种。亩产可达8 5t h a 。t a n - g i n b o z u 可能是由品 种g i n b o z u 经过自然突变产生的。d - 3 5 基因编码内根一贝壳杉烯氧化酶，在g a 合成的最初的阶段 起作用( o g a w a e t a l ，1 9 9 6 ) 。催化内根- 贝壳杉烯一内根- 贝壳杉烯醇一内根贝壳杉烯醛一内根贝 壳杉烯酸转化的三步反应( c h r i sa e ta l ，1 9 9 8 ) 。i t c hh 等( 2 0 0 4 ) 从水稻基因组中分离了5 个 k o l i k e 基因，它们编码的蛋白与拟南芥和南瓜的k o s 具有很高的同源性，研究表明基因 o s k o l l - 5 在1 2 0 k b 的序列中前后同向排列，表达分析显示o s k o l 2 和o s k o l 4 在各种器官中转 录活跃而o s k o l i 和o s k o l 5 只是低水平的表达，o s k o l 3 或许是个假基因。d 3 5 对应于 o s k o l 2 ，d 3 5 t a n - g i n b o z u 只是d 3 5 的弱等位基因。o s k o l 4 和o s k o l 5 可能参与植物抗毒素的 合成。 e 、与水稻突变体“韶的有关研究 突变体g i 出( g a - i n s e n s i t i v e d w a r f 2 ) 表型为特矮，叶色暗绿，叶片宽。g i d 2 中g a 2 1 3 一羟化 酶( o s g a 2 0 x 2 ) 的表达不受外源g a 3 处理的抑制，而且其营养器官中g a l 的含量是野生型的 1 0 0 多倍，表明g i d 基因编码一个g a 信号中的正调控因子。画出编码一个推定的f b o x 蛋白， 和拟南芥的s l y i 很相似( s a s a k ia e ta l ，2 0 0 3 ) 。f - b o x 蛋白是一类含有f - b o x 基序( m o t i o ，在 泛素介导的蛋白质水解过程中具有底物识别特性的蛋白质家族。这类蛋白质在细胞时相转换、信 号传导、发育等多种生理过程中都具有重要功能( 吴静等，2 0 0 2 ) 。 s a k a m o t o 等( 2 0 0 4 ) 的研究使我们能更好的了解水稻中g a 代谢过程。他们从各种d n a 数 8 中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论 据库中筛选和分离了2 9 个编码g a 各种代谢酶的候选基因：内根王古王巴焦磷酸合成酶( c p s ) 、 内根- 贝壳杉烯合成酶( k s ) 、内根- 贝壳杉烯氧化酶( k o ) 、内根贝壳杉烯酸氧化酶( k a o ) 、 g a 2 0 - 氧化酶( g a 2 0 0 x ) 、g a 3 氧化酶( g a 3 0 x ) 和g a2 一氧化酶( g a 2 0 x ) 。 s a k a m o t o 等的研究结果表明：催化g a 生物合成早期步骤的酶( 也就是c p s ，k s , k o , 和 k a o ) 主要是由单基因编码的，而催化更后的步骤的酶( 也就是g a 2 0 0 x ，g a 3 0 x 和g a 2 0 x ) 是 由基因家族编码