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上海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 摘要 水稻是重要的粮食作物，其产量主要受库容量和源潜力的影响，穗作为主要 的库，其结构主要由颖花、穗轴和一次、二次甚至三次枝梗组成。揭示这些穗部 结构性状的遗传机制对于改良穗型和提高产量有重要作用。本研究利用穗部结构 差别比较大的越光( ，印d 玎f c 口) 和k 嬲a l 拙( 概托口) 杂交回交产生的回交一代重 组自交系( b 几) ，在不同环境下对包括1 4 个首次研究性状在内的三大类( 穗性 状、枝梗性状和谷粒性状) 共3 5 个穗部结构性状进行了相关、通径分析和q t l 定位，结果如下： 1 本研究中的大部分穗部结构性状都呈正态分布并出现超亲分离，均属数 量遗传，而且它们之间也存在显著的相关性。 2 共检测到影响3 0 个穗部结构性状的2 2 0 个q t l ( 其中穗性状5 0 个，枝 梗性状1 3 1 个，谷粒性状3 9 个) ，分布在所有1 2 条染色体上，贡献率介于2 9 0 和5 3 2 4 之间。另外，首次研究的1 4 个性状中有9 个性状检测到位点，共7 0 个。 3 二次枝梗性状对枝梗总数、枝梗总长和每穗颖花数起着决定作用，第7 染色体上一个控制二次枝梗数的贡献率高达3 9 3 5 的位点( 小f 船7 ) 对于穗部结 构的遗传改良甚至提高产量具有重要价值。 4 。控制穗性状和枝梗性状( 枝梗数量、枝梗长度和枝梗颖花数) 的q t l 经 常出现在同一个染色体区域，特别集中在第3 染色体的s 8 7 9 s 1 5 1 3 区域；第4 染色体的c 1 1 0 0 c 1 0 1 6 区域；第6 染色体的l 也1 7 1 i 也1 2 3 区域、c 3 5 8 - r 1 1 6 7 区 域和第7 染色体的c 8 4 7 c 2 1 3 区域，这些染色体区域对穗部结构形成有着重要 作用。 5 检测到的影响谷粒性状的q t l 主要集中在第2 染色体上的r 7 1 2 r 1 8 4 3 、 第3 染色体上的s 1 0 2 5 1 c 1 4 8 8 、第5 染色体上的r 2 2 3 2 和第6 染色体上的 c 3 5 8 - r 1 1 6 7 区域附近，尤其第6 染色体上的区域还能影响穗性状和枝梗性状。 本研究定位的许多控制与产量直接相关的穗部结构性状的q t l ，其来自 k a s a l a l 的等位基因能发挥正效应，也意味着k a s a l a m 中包含了越光所不具备的 增加产量的基因，这些q t l 两侧的分子标记已经可以用于改善穗型和提高产量 的分子育种。 关键词：水稻、穗部结构性状、相关性、数量基因位点( q t l ) 、分子标记 水稻穗部结构性状相关基冈的定位 上海师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i d c ei so n eo ft l i em o s ti m p o r t a n tf o o dc r o p si i it h ew o r l d ，w h o s eg r a i l l - y i e l di s i i l n u e n c e db yb o ls i i i l cs 泣e 锄ds o u r c ep o t e n t i a li i ir i c e a s i ep r i i i c i p a ls i l l ki i ir i c e ， p 锄i c l c - a r c h i t e c t u r cm a i l l i yc o n s i s t so fs p i k c l e t s ，p 柚i c l e 舣i s 觚dp r i m a r y ，s e c o n d a 巧 觚dt e i t i a r y b r 锄c h e s n l u s ，u n d e 塔t 觚d i i i g 廿i eg e n e t i cm e c h 锄i s m0 fp 锄i c l e a r c h i t e c t i l r c 蜘t sw i l lb eo fb e n e f i tf b ri m p r 0 们n g l ep 觚i c l ea r c h i t c c t i l r ea n dn l e y i e i d 证f i c e i i ln i i ss t l l d y ，也eb a c k c f 硝sr e c o m b i i l 锄ti i i b r e dl i r i e ( b m ) d c r i v e df r o m k o s h i l l m 撕( ，印d 玎彤力孤dk 嬲a l a m ( f 吼加力，w i t l ld i f f e r c n tp 锄i c i e - a r c h i t e c t i l r e ，、c r c u s e dt 0s t i l d y0 nc o 仃e l a t i o n ，p a l 觚dq r l 锄a l y s i sf b rt o t a l i i 啊- f i v ep 觚i c l e a r c h i t e c t i l r ct r a i t s 血r i c e ，i i l c l u d i l i gl4f i r s ts t i l d i e dt m i 乜i i i 廿i i ss t i l d y ，u n d e rd i f ! f h c n t e n v 衲n m e n t s ( s h 觚g h a ia n dh a i n 觚，c h i r i a ) t h eo b t a i l l e dr e s u l t sw e r ed e s c r i b e d 舔 f o l l o 、硼： 1 n o m a ld i s t r i b u t i o n 觚d 们n s g r e s s i v es e g r e g a t i 鲫f o ra l n l o s ta l lt l i e 妇i t s s t i l d i e dw e r e0 b s e r v e di i i b 几p o p u l a t i o n ，s h o w i n gt l l a ta h o s ta nm e 柏i t sa r e q u 锄t i t a t i v e l yi l l l l e r i t e dt r a i t s f u n l l e 衄o r e 廿l e r ew e r cs i g n i f i c a n tc o 盯e l a t i o n s 锄0 n g t h e m 2 at o t a lo f2 2 0q 1 l sf o r3 5a l lp 觚i c l e a r c h i t e c 抛r et r a i t sw e f ed e t e m d ，w h i c h d i s t r i b u t e do na un l e12c h r o m o s o m e s ，i i i c l u d i i l g5 0f b rp 觚i c l e 岫i 忸，13lf b rb r a n c h 的i t s ，锄d3 9f o rg r a i r i 。s h a p e 倾i t sa n de x p l a i r i e d2 9 0 一5 3 2 4 o ft o t a lp h e n o t y p i c v 撕a n c e a m o n gt l l e m ，7 0q t l sw e r er c p o r t e dt o 勰s o c i a t cw i t h9o f l e14f i 璐t s t i l d i e d 仃毽i t s 3 t l l er c s u l t ss h o w c d l a tt l l es e c o n d a r yb r a r i c h e sp l a yak e yr o l ei nt o t a ln u m b e r o fb r a n c h e s ，t o t a l l e n g t l l0 fa l lb r 觚c h e s 觚dn u m b e ro fs p 墩e l e t s ( 0 rg r a i l l s ) n l r o u g h c r c l a t i o n 锄dp a m 觚a l y s e s h lv i 髑r0 fg m 靖7o nc l l r o m o s o m e7w i mc o n t r i b u t i o n t o3 9 35 o ft o t a lv 撕a l l o e0 nt h en u m b e ro fs e c o n d a r yb r a n c h e si i ir i c e ，t h el o c u si s v a l ua _ b l ef o ri n l p r o v i n gt l i ep 锄i c l es 仉l c t i l r ea n d i n c r e 懿i n gn l ey i e l dm r i c e 4 1 1 i eq ，i l sc o n 们l l i n gp 孤i c l et r a i t s 孤d b r a n c ht r a i t sw e r cf r e q u c i i n yd e t e c t e d i l l i es 锄eg e n o m i cr e g i o n s ，e s p e c i a l l yi i is 8 7 9 s 151 3r e g i o no nc h r o m o s o m e3 ； c 1 1 0 0 - c 1 0 1 6r e g i o no nc l i r o m o s o m e4 ；r 2 1 7 1 - r 2 1 2 3a n dc 3 5 8 - r l l 6 7r c g i o n so n c h r o m o s o m e6 锄dc 8 4 7 - c 2 1 3r c g i o no nc i i r o m o s o m e7 ，r e s p e c t i v e l y u n d o u b t e d l y ， t h eg e n o m i cr c g i o n sm e n t i o n e da b o v ew e r ei i i l p o r t a n tf o rp a n i c l ea r c h i t e c t u r c 5 m o s tq t l sa f f c c t m g g m i i l - s h a p et r a i t sw e r em a i l l l yl o c a t e da r o u n dr 7 12 2 知识水坝damdoc 知识水坝为您倾心整理(小店)如需格式转换服务请发豆丁站内信或联系qq2218108823 上海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 r 1 8 4 3r e g i o l l0 nc h 眦o s o m e2 ，s 1 0 2 5 l c 1 4 8 8r c g i o no nc t i r o m o s 锄e3 ，r 2 2 3 2 r e g i 傩c h r 咖o s o m e5 觚dc 3 58 - r 1 l6 7r e g i c h r o m o s o m e6 e s p e c i a l l y i e r c g i o no nc h r o m o s o m e6w 嬲a l s o 勰s o c i a t e dw i mp 雒i c l e 缸a i t s 觚db r 锄c hh a i t s f r o mn l er c s u l t so f 廿i i ss t i l d y ，m o s tq t l sd e t e c t c 也d i r c c t l yr c l a t i v et 0y i e l d ， 疔o mk 嬲a l a ih a v ep o s i t i v eg e n e t i ce 仃l c c t s ，s u g g e s 血g 廿i a tk 懿a l a 廿lp o s s e s sn o v e l g e n e sp 6 0 rt ok o s h i l i 依a r if 0 ri n c r c 嬲i i l gy i e l di l lr i c e h iaw o r d ，n i er e s u l t sa n d l e t i g h t l yl i i i k c dm o l e c u l a rm a d 【e 瑙也a tn a r i k l eq t l sd c t e c t c di l i t l i es t i l d yw i l lb e 瑚e f i l li i ib r c e d i l i gv a 打e t i e sw i li d e a lp 锄i c l ea r c h i t e c t i l 觚dh i g h e ry i e l di i lr i c e k e yw b r d s ：r i c e ，p 觚i c l ea r c h i t e c t i l m ，c o 仃e l a t i o n ，q u 矩t 础i v eg e n el o c i ( q 1 l ) ， m o l e c u l a rm a f k e r s 3 知识水坝damdoc 知识水坝为您倾心整理(小店)如需格式转换服务请发豆丁站内信或联系qq2218108823 上海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 论文独创性声明 本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。论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声 明并表示了谢意。 名勺慨m 弼 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后 遵守此规定。 作者签名 铆签锄乏日期：跏- f 以 9 l 上海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 第一章文献综述 1 1 绪言 稻米是全球半数以上人口的主食【1 一，仅在亚洲就有2 0 亿人从稻米中摄取所 需的6 0 。7 0 的热量【3 l 。同时水稻也是世界上种植面积最大的作物，其种植面 积曾达1 5 4 亿h m 2 ，占耕地面积的l l 嘣1 1 。在中国，水稻的种植面积约占粮食总 播种面积和总产的2 4 和4 0 ，稻米则是我国6 5 以上人口的主食【4 l 。从1 9 6 1 年 到2 0 0 1 年，世界水稻总产量增加了1 7 1 3 ，其中播种面积增加的贡献是2 7 8 ， 单产提高则贡献了7 2 2 网。 全球人口从现在起到2 0 2 5 年将由6 5 亿增至8 0 亿，稻谷必须增产4 0 ，才能适 应世界人口的增长速度1 1 。中国到2 0 3 0 年，人口将由现在的1 3 亿增长到1 6 亿。 每年粮食需求将达到6 亿吨，也远远超出中国目前的生产能力【1 1 。然而全球水稻 的种植面积自2 0 世纪8 0 年代早期以来却呈下降趋势，而且随社会经济的发展水稻 种植面积将会进一步下降 嘲，所以水稻总产增长必须 要靠单产提高1 5 一。 作物产量形成实质上 是源库互作的过程川。源库 的概念通常是根据碳水化 合物输入作物生长中心器 官的特点来描述的，一般将 生长中心器官定义为库，而 将为生长中心器官提供营 养物质的器官定义为源【引。 水稻植株的源系统由绿色 的茎、鞘、叶以及根系等组 成，功能叶及其叶鞘是主要 的源；库是指利用或贮藏同 化物的器官或组织，水稻的 库系统由新生的组织及子实 图1 1 水稻穗部结构示意图 水稻穗部结构性状相关基因的定位上海师范大学硕士学位论文 等构成，穗( 或籽粒) 是主要的库【9 】。库是产量的直接构成者，并且产量库容对源 的生产具有反馈作用，要提高产量必须在源适当的情况下，不断地扩大库。在水 稻中，谷壳限制谷粒大小而每穗颖花数限制谷粒数【1 0 】，所以超高产育种的方向 是稳定穗数，培育大穗，增加单位面积总粒数，并增强后期物质生产能力【1 1 】。 穗作为主要的库，对产量起着至关重要的作用。水稻的穗由颖花、穗轴和小 穗轴组成，小穗轴又分为花梗和一次、二次甚至三次枝梗。如图卜1 所示，一次 枝梗着生于穗轴上的节处。二次枝梗和颖花着生于一次枝梗上，二次枝梗上也着 生颖花，部分品种颖花顶部有芒。大穗型品种，甚至有三次枝梗。因为枝梗的数 量和长度等穗部结构性状决定了每穗颖花数，从而能够进一步影响产量，所以穗 部结构性状的遗传机制也是高产研究中的重要问题之一。 1 2 穗部结构的特征 1 2 1 穗的发育 研究水稻的穗部结构必须先考虑穗的形成，即穗的发育。其一般过程为：茎 尖分生组织先开始膨大，然后在其上出现若干小的突起，每个突起将来发育成为 一个一次枝梗。第一次突起稍为膨大后，又在其上发生若干第二次突起。第二次 突起可能发育成为一个二次枝梗，也可能就发育成为一个颖花，但在发生初期， 无法判断。发育为颖花的第二次突起，不久) ! ! i l 察到在其基部有对生的副护颖原基 出现；发育为二次枝梗的则在其上继续发生第三次新的突起。第三次突起大都发 育成为颖花。个别穗型较大的品种中，第三次突起上还会发生第四次突起，由第 四次突起发育成颖花，这样就形成三次枝梗。颖花原基以后又顺序发生护颖、外 颖、内颖和雌雄蕊【1 2 】。 不同学者把穗发育的过程分成不同的阶段。i k e d a 等( 2 0 0 4 年) 【1 3 】把穗发 育分成九个阶段( 见表l - 1 、图l - 2 ) 。从i n l 到i n 5 是枝梗形成的阶段，决定 了穗的分枝数量，i n 6 决定了颖花的形态，i n 8 则决定了枝梗的长度，从而确立 了穗的整体形态。而f u r u t a n l 等( 2 0 0 6 年) 【1 4 】在研究穗发育过程中基因表达的 变化时，把穗分化早期分成五个阶段：阶段0 作为对照，茎尖分生组织( s a m ) 还没有转变为花序轴分生组织；在阶段1 中，s a m 转变为花序轴分生组织，一 次枝梗开始分化；在阶段2 、3 中，原始的一次枝梗和二次枝梗开始产生；在阶 段4 中，小穗分生组织形成；在阶段5 中，小穗分化出花器官。因为其只研究了 上海师范大学硕士学位论文 水稻穗部结构性状相关基因的定位 穗分化的早期，所以没有涉及枝梗的伸长。阶段l - 3 决定了穗的分支模式，即枝 梗和颖花的数量，是穗形态建成的关键。另外，也有不少学者把穗发育分为三个 时期【1 2 1 5 ，1 6 1 。虽然到目前为止穗发育阶段还没有一个统一的划分标准，但是其 基本过程都是相似的。 表1 一li k e d a 掣1 3 1 把穗发育分成的九个阶段 = 竺。涉及分生组织 事件 花序长度相关突变 涉及分生组织事件 一一 符号名称 ( 姗) 体 水稻穗部结构性状棚关基冈的定佗卜海师范人学硕十学位沦文 图1 2 穗分化的九个阶段 ( a ) 一( b ) ：营养生kr f ，的茎尖：( c ) ：苞叶形成之i f 门仡序轴顶端：( d ) ：第一个笆叶原基形成：( e ) ：两个一次 枝梗原桀形成；( f ) 一( g ) ：化序轴分生组织形成更多次枝梗原基，也叶分化出此绒毛( 1 i 色箭头处) ； ( h ) ：幼德的 1 捕电镜 冬】像：( i ) ：一次枝搜f n 仲k ：( 】) ：_ 次技他原基的分化，包叶的术端细胞变成 r 绒毛 ( 简火处) ：( k ) ：从上面看到的( j ) ：( l ) ：次伎梗顾端形成小穗 ( a ) 一( h ) 中黑色箭头指小的足分生组织；( 1 ) ( l ) - ，黑色箭头指，j ：的是外颖的位置；：一次枝梗分牛组 织；：，次枝梗：n ：剑叶；b 1 ：第一个苞n l + ；b 2 ：第，个苞叶：l s ：测生小德；t s ：末端小德 ( 引闩i k e d a 等。2 0 0 4 1 3 】) 1 2 2 穗型的分类 穗型是人们为了方便描述不同的穗部形态而提h 的概念。徐止进等对穗型作 的定义足：穗的形态特征、审间分布及性状问的相互关系| 1 7 】。 迄今基_ j 二1 i 同目的和穗部性状，提m 了多种穗型分类方法。于次枝梗粒 数占每穗粒数的较大比重，与环境条件关系密切，而且：次枝樱在穗轴上、中、 f 部着牛力式存在稳定的业种问和品种问差异，所以修原等( 1 9 8 2 年) 提 出以一次枝梗数与：次枝梗粒数最多的穗轴节位之比为指标的穗型分类方法。徐 正进等( 2 0 0 5 年) 【2 0j 也提出用柑反的比值，l _ ! 口穗型指数( 哪，二二次枝梗粒数最多 4 上海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 的一次枝梗所在穗轴节位与一次枝梗数之比) 表示二次枝梗籽粒在穗轴上分布特 点，并据此将试材划分为二次枝梗籽粒上部优势型、中部优势型和下部优势型3 种穗型。 除此之外，现在应用最多的穗型概念就是徐正进等( 1 9 9 0 年) 【2 1 】提出的根 据穗和穗颈直立程度( 颈穗弯曲度) 进行的穗型分类，主要分为直立穗型、半弯曲 穗型和弯曲穗型三类，其后来又进一步以单穗重、着粒密度和穗型指数为指标， 分别将水稻划分为重、中、轻，密、中、稀，直、半、弯，上、中、下4 类各3 种穗型【2 2 】。 1 2 3 穗部结构与产量的关系 穗部性状与产量的关系十分密切，因为水稻产量可被分解为每平方米穗数、 每穗颖花数、结实率和千粒重的乘积，或每平方米有效穗数和穗重的乘积，而每 穗颖花数、结实率、千粒重和单穗重都与穗部结构性状紧密相关。 每稳颖花数与每穗二次枝梗总颖花数随品种的变化是一致的，二者有极显著 的线性相关【2 3 1 ，所以说每穗颖花数主要由每穗二次枝梗颖花数决定，而二次枝 梗颖花数又主要由二次枝梗数决定【2 4 】。除了二次枝梗以外，一次枝梗数和一次 枝梗颖花数也与每穗颖花数呈极显著的正相关关系，这些性状的增加都将有助于 每穗颖花数的增加【2 3 1 。 一次枝梗上着生籽粒饱满，结实率品种间差别不大，空秕粒通常出现在二次 枝梗上【2 卯，而且一次枝梗着粒的粒重一般也大于二次枝梗f 2 6 1 。这就出现一个 矛盾，颖花数的增加主要靠二次枝梗的增多，但是二次枝梗增多又会降低结实率 和千粒重，所以不是二次枝梗越多越好，在育种中需要找到一个平衡。 粒重还与粒形密切相关，杨联松等( 2 0 0 2 年) 的研究【2 7 】表明，粒长与粒重、 粒厚与粒重间偏相关关系达到极显著水平，长、宽、厚对粒重的贡献力大小分别 为粒长 粒厚 粒宽。徐正进等【2 8 1 的研究也得出相似的结果，不同的是发现千 粒重与谷粒宽也呈极显著正相关，千粒重主要由谷粒宽和谷粒厚决定。 穗重是每穗颖花数、结实率和千粒重的综合反映。姜廷波等( 1 9 9 5 年) 的研 究f 2 9 1 表明，对穗重主要起直接作用的二次枝梗数和千粒重是第1 位因子；主要 起间接作用的一次枝梗数、一次枝梗平均长度、粒数1 0 c m 一次枝梗是第2 位因子。 朱春杰等( 2 0 0 7 年) 【3 0 1 发现穗粒数和二次枝梗数一样，都是影响穗重的最主要 水稻穗部结构性状相关摹因的定位 上海师范大学硕士学位论文 因素。周晓冬等( 2 0 0 7 年) 【3 u 研究了大穗型品种( 穗重较大) 和小穗型品种( 穗 重较小) 的差异，结果表明前者的二次枝梗数和二次枝梗颖花数都大于后者。由 此可见二次枝梗对穗重的影响举足轻重，说明在一定程度内，增加二次枝梗的数 量能够有利于高产。 1 2 4 穗部结构与品质的关系 徐正进等( 2 0 0 4 、2 0 0 5 年) 的研究【2 0 ，2 8 】表明，糙米率、精米率和整精米率 主要跟粒形有关，减小谷粒长而增大谷粒宽和谷粒厚有利于改善碾磨品质；另外， 增加穗数和千粒重、减少每穗粒数对于提高加工品质也有一定作用。垩白除了与 千粒重、谷粒长、谷粒宽、谷粒厚和谷粒宽厚之间存在极显著相关外【2 引，还与 穗枝梗性状存在相关性，因为枝梗数和颖花数过多会使灌浆期延长，籽粒充实度 下降，造成乳白未熟粒，导致外观品质下斛3 2 1 。 二次枝梗对于稻米品质的影响也比较大，徐正进等( 2 0 0 5 年) 【2 0 】认为二次 粒率( 二次枝梗着粒数总粒数) 高对加工品质、外观品质和营养食用品质均有 负面影响，但是这与二次枝梗的分布有关，二次枝梗籽粒偏向穗轴中上部分布即 阿( 穗型指数) 较大不但有利于提高结实性和产量，还有利于改善品质。 1 2 5 穗部结构与环境的关系 环境对穗部性状有一定影响，特别是水稻穗发育过程中的环境因素与穗部 的形态建成以及产量密切相关【3 3 】。 首先，水稻穗粒数的多少和结实率受幼穗分化期间温度条件的影响，该期间 温度高，幼穗分化进程加快，对形成大穗不利，反之温度相应偏低，则有利于形 成大蒯洲，结实率则表现出相反的变化趋势3 5 1 。娄伟平等( 2 0 0 7 年) 的研究【3 5 j 表明幼穗分化期处在气温为2 8 5 3 2 的晴好天气下，可获得大穗和高结实率。 其次，水分对于穗分化也有重要影响。陈书强等( 2 0 0 7 年) 【3 6 】发现分蘖期 控水使穗数显著降低，穗粒数减少；穗分化期控水使穗长明显变短，穗节数和 穗颈节枝梗数显著降低，穗粒数、成粒率和千粒重均显著降低；抽穗后1 1 0 天 控水使穗粒数减少，千粒重变小。另外，控水处理对每穗的二次枝梗数、二次 枝梗上的总粒数、成粒率和千粒重的影响均大于对一次枝梗上这些因素的影响。 除此之外，日光周期3 7 】和臭氧浓度对穗部结构的形成也有一定的影响。 上海师范大学硕士学位论文 水稻穗部结构性状相关基因的定位 1 3 穗部结构的遗传研究 1 3 1 突变体基因 突变体是某个性状发生可遗传变异或某个基因发生突变的材料。长期以来， 水稻育种家尽力地发现和分离有价值的自然突变和变异材料，现在许多已广泛应 用于水稻形态和生理性状相关基因的鉴定、克隆和功能研究f 3 9 1 。与水稻穗发育 有关的突变体在穗的发育一节已有涉及( 表l - 1 ) ，但目前与穗部结构有关的突 变体中，比较典型以及研究的比较多的主要有妇、却、删和m d c j 突变体。 1 3 1 1 纽r 突变体 厶p 彳啪己e ( 厶是关于水稻枝梗形成的研究 最多的基因之一，k o m a t s u 等发现了两种坛突变体， 在妊? 突变体中，稻穗只在初级和二级枝梗顶端发 育出小花，没有侧生的小穗形成，而在k 2 中所有 的分支和小穗都不能形成【州3 1( 见图1 3 ) 。雌 因对于侧生分生组织的形成是必需的，它编码一个推 定的带有植物特异的螺旋环螺旋( b a s i c h e l i x _ 1 0 0 p - h e l i x ，b h l h ) 结构域的转录冈子，在侧生 分生组织和项端分生组织的边界处表达。 1 3 1 2 却突变体 在戽，沙叻朋胛记跆) 突变体中，初级枝梗启动没 有受到影响，所以在穗轴上有正常数目的初级枝梗， 但在初级枝梗和更高级的枝梗上没有小穗的启动， 图i 3 缸x 突变体的穗部形态 野生型( 左) ，加，( 中) ，细o ( 右) 妇突变体中所有的侧生 小穗都缺失了，但是缸，中可以 形成顶端小穗，而妇r - 2 中所有的 分支和小穗都不能形成。 ( 引自k o m a t s u 等2 0 0 3 m 1 ) 取而代之的是形成了更高级的枝梗，这种表型类似于拟南芥中将有限的花分生组 织转化成了无限的花序分生组织，揭示了可能参与决定枝梗分生组织发育的、与 拟南芥中三n ，基因功能相似的花发生决定关键基因，即励基冈【4 0 ，4 2 ，“，4 5 1 。压矽 有许多等位基因，在具有严重缺陷励等位基因的植株中，小穗完全被分枝所取 代( 见图l - 4 c ，d ) ，在具有相对较弱的勿等位基因的植株中，异常分枝的顶端 还有小穗的形成【4 2 ，4 5 1 ( 见图1 4 e ，f ) 。彪p 基因编码一个乙烯反应元件结合因 子( e t h y l e n e - r e s p o n s i v ee l e m e n t - b i n d i n gf a c t o r ，e r f ) ，与玉米中剧科i 蚴 龇尥e 镕j ( 肋j ) 基因及其副本肋j b 同源1 4 5 ，删。原位杂交分析表明，彪p 基因 7 水稻穗部结构性状相关基因的定位 上海师范人学硕士学位论文 存副护颖原基形成处有一个短时间的表达意，与肋j 在玉米中的表达模式相似。 图卜4野生型、f “重和轻微鳜变体的花序和小穗 ( a ，b ) ：野生型；( c ，d ) ：却2 ；( e ，f ) ：向一3 ( 引自k o m a t s u 等2 0 0 3 【4 5 】) 所以k o m a t s u 等人( 2 0 0 3 年) 认为彪p 基因可能是首先抑制小穗分生组织转化为 叶腋分生组织( a x i l l a r ym e r i s t e m s ) ，从而保证小穗分生组织向花分生组织转化， 也可能是直接诱导小穗分生组织转化为花分生组织【45 | 。 1 3 1 3 印口突变体 s 聊口阳门配彪西p 口) 突变体是k o m a t s u 等( 2 0 0 3 年) 【4 3 】发现的另一个穗分支异 常突变体。在印口突变体中，枝梗和小穗的数目都减少了，尤其是穗底部的一次 枝梗显著缺失，而且所有的一次枝梗都更短，二次枝梗很少( 见图1 5 a ) 。与概 突变体不同，在印a 突变体中出现了侧生的小穗，但是数量比野生型要少( 见图 1 5 b ) 。在聊和妇一，双突变体中，穗变成了一个缺少所有分支的线装结构，表 明在叶腋分生组织的形成中，洲和厶戗起了很重要的作用。 澎 t ( 、挂弋 a x 1s p as p a 图1 - 5 妇，妒口单突变体和版印口双突变体的比较 ( a ) ：妇，耻甲突变体弄l 】，纵妒日双突变体平u 穗形态，箭头处指示穗节 ( b d ) ：野生型( b ) ，似一，( c ) 和5 阳( d ) 突变体穗部的放大。 ( 引f lk o m a t s u 等2 0 0 3 【4 3 1 ) 一 一一 七海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基冈的定位 1 3 1 4 朋口c j 突变体 m o m c 觇mj ( 坳c j ) 基因是l i 等( 2 0 0 3 年) 【4 7 】发现的一个控制水稻分蘖的基冈。m d c j 编 码一个g r a s 家族的转录因子，主要在腋芽处表 达。m d c ，突变体只有根主茎，没有其他分蘖， 而且穗上的枝梗比野生型的少很多( 见图1 6 ) ， 推测与穗上分支的形成有关。 1 3 2 与花序发育有关的同源基因 图1 6 野生型( 左) 和朋o c ，突变体( 彳i ) 箭大处指示缺穴的分支。 ( 引自l i 等2 0 0 3 【4 7 1 ) 在以其他植物为材料的研究中，克隆了不少关于花序形成的基因，这些基因 有的比较保守，可能存在于多种植物中，目前在水稻中也已经发现了一些基因的 同源序列可以在一定程度上影响其穗部结构。 1 3 2 1 见咒基因 尺凡是从水稻中分离的与f l ，凡0 同源的基因。r f l 编码由3 7 9 个氨基 酸残基组成的蛋白质。尽管它与三f 】，凡( ) 蛋白质是同源的，1 _ l 它的功能与凡0 和f j ，有很大的不同，与双予叶植物之问的同源基因所编码的蛋f j 质相比其同 源性相对也较低。用绿色荧光蛋白( g f p ) 报道基冈进行的研究己将尺凡蛋白定位 于细胞核中。r 凡蛋白中的核定位信号( n l s ) 序列与f 】厂凡d 相似。原位杂交 显示营养生长阶段尺凡在幼叶的表皮细胞中有表达，而在生殖发育时期，尺凡 则在幼穗中包括茎尖分生组织在内的所有组织中表达，但在初级枝梗的初期没有 表达。随着枝梗的进一步发育，尺凡的m r n a 开始积累在生长的枝梗上，但在 枝梗的顶端分生组织和_ 级枝梗的原基卜没有积累，而且在成熟的小花叶及根中 没有表达。尺凡的表达方式提示它可能参与丫稻穗的枝梗发育。拟南芥的 3 5 s 一f j ，的异域表达能使花序分生组织转化为花分生组织，但是将r 凡在拟南 芥，f ，超表达后，并没有出现花序分生组织向花分生组织的转化，取向代之的是子 叶、莲座叶，以及后来的花瓣和雄蕊都发生了很大的变化。而用3 5 s 尺凡转化 水稻，存转化的水稻植株中很少观察到花序分生组织转化为花分生组织，这说明 尺凡和三f 】，的蛋白质功能是不完全相同的m4 4 ，4 引。 1 3 2 2r c m 、尺c f 2 基因 r c n l 、r c n 2 逄7 r 奄唧t e r m j n a lf l o w e rl ( t f l l 、 c e n t r o r a d i a l i s 水稻穗部结构性状相关基冈的定佗上海师范火学预十学位论文 ( c e m 同源基因，卯吃j ( ? 瞅基因通过控制阶段转变的时间在决定植物形态中起 重要作用。转基因拟南芥中尺c w ，、r a 憎基因持续的过量表达会导致花划提前和 更高的分支形态。转基因水稻一l ，营养生长到生殖生k 的转变被推迟，表现出更 多的分枝，更密的穗形态，从分枝阶段到花形成阶段的转变被推迟，导致更高级 别的枝梗产生( 见图1 7 ) 【4 叭。 1 3 2 3 删j o p f 同源框基因 o s h i 、o s h l 5 酗o s h 3 、o s h 6 、o s h 4 3 0 s h 7 l 、o s h l o 匙队7 r 稻中分离懿 属于k n l 一t y p e 同源框基因家族的成员。系统的遗传分析显示这些基因在玉米中 都有一个或两个直系同源基因。对其表达模式的分析结果表明，它们在胚、茎和 花发育期间的茎顶端分生组织中表达，可能与植物整个生活周期中的形态发生有 关，在茎尖形成前共同调节茎尖分生组织( s a m ) 的形成，在茎尖形成后它们的功 能是不同的【4 4 ，5 0 1 。 图1 7 转尺c _ l v ，水稻的穗形念改变 ( a ) ：转苯洲卡直株巾苇伸长的抑制和穗发育的延迟。左：转j r c r 植株：彳i ：野生型：左上角艟示的 址。个术成熟的穗。转媾冈植株中前两节茎的伸长被叨湿抑制；( b ) ：成熟的野牛型水稻德；( c ) ：成 熟的转丛冈水稻穗；( d ，e ) ：( b ) ，( c ) 中箭头所指处的次枝梗：( f ) ：，m 乖缺陷州水稻的穗。所仃小仡都 地 1 色的，j ：h r l ；抽穗时还未成熟；( g ) ：( f ) 的局部放大( 引自n a k a g a w a 等2 0 0 2 一刈) 1 3 3 穗发育基因表达谱 f u r u t a n i 等( 2 0 0 6 年) 【1 4 】利用基闪芯片技术构建j ，穗发育早期的特异表达谱， 上海师范大学硕士学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 发现水稻c d n a 芯片上大约2 2 0 0 0 基因中有3 5 7 个的表达出现差异，按照穗发育过 程的5 个阶段( 见穗发育一节) ，把在1 3 阶段就开始表达的基因称为早期基因( 5 6 个，穗形态建成的关键基因) ，4 5 阶段表达的称为后期基因( 3 0 1 个) 。大部 分早期基因，除了6 个，都是上调的。 5 6 个早期基冈中，3 0 4 ，也就是1 7 个基因编码预测( p u t a t i v e ) 的转录因子 ( 见表1 2 ) ，全部都是上调的。这个比例高于水稻整个蛋白质组中估计的转录 因子比例，说明转录因子在穗的形态建成中起重要作用。 早期基因中的两个，a 7 0 和6 2 ，与f4 麟因的表达模式( 表达部位、时间) 相似，推测这两个基因可能和f4 槎因位于同一个遗传网络( g e n e t i cp a t h w a y ) 内。a - 7 d 编码一个锌指结构的转录因子( d n a i b i n d i n gw i t ho n ef i n g e r t 陷n s c r p t i o nf a c t o r ) ：6 2 编码一个a t - h o o kd n a 绑定蛋白。另外，还发现a 7 d 基因的表达需要fa 堪因的诱导，而6 2 基因则可能是独立的起作用，他们都在 形成叶腋分生组织的过程中发挥作用。 表1 2 穗发育早期基因巾预测的转录因子 水稻穗部结构性状相关基因的定位上海师范大学硕士学位论文 1 3 4 与穗部结构相关的数量基因 水稻的产量性状，作为一项重要的农艺性状，一般属于多个微效基因控制的 数量性状【5 1 ，5 2 1 ，穗部性状作为产量的主要构成要素也是如此。利用水稻突变体 等进行的研究虽然取得了很大的进展，但是其主要针对单个基因，对于理解水稻 产量等数量农艺性状的遗传机制，起到的作用有限。 传统的遗传分析方法只能把控制数量性状的多个基因作为一个整体进行研 究，利用形态标记和生化标记等遗传标记研究数量性状，由于数量有限，一直无 法对整个植物基因组进行详细的分析。随着分子牛物技术的发展，出现了高效的 d n a 标记技术，从而使数量性状的研究取得了突破性进展。利用高密度的遗传 连锁图可以将复杂的多基因系统分解为单个孟德尔因予，进而确定其在染色体上 的位置及其他基因的关系，使发掘和利用有利数量性状基因( q t l ) 成为可能【5 l ， 5 2 】。迄今为止，已经进行了大量与穗部结构性状有关的q t l 定位研究，检测到 数以百计的位点，十二条染色体上都有分布( 表1 3 ，表1 4 ，附表1 ) 。 1 3 4 1 穗整体性状 穗整体性状主要包括穗长、每穗颖花数( 或每穗实粒数) 、穗着粒( 颖花) 密度等。这些性状与产量直接相关，研究的比较多。表1 3 和附表l 统计了过去 研究中定位的q t l ，相关位点较多集中在第l 染色体上，其次是第4 染色体上。 表1 - 3 控制穗整体性状和枝梗性状相关q t l 存染色体f ：的分布 目前对相关q t l 精细定位和克隆的研究比较少，但也取得了一定的进展。 t i a n 等( 2 0 0 6 年) 【5 3 】利用基因导入系( i l ) 在第7 染色体的短臂上定位了影响每 上海师范人学硕十学位论文水稻穗部结构性状相关基因的定位 穗粒数的q t l ，印以7 ，范围缩小在3 5 k b 之内，有5 个候选基因。同时在这个区 域里还检测到影响穗长、一次枝梗数、，一次植梗数、一次枝梗总粒数和次枝梗 总粒数的q t l ，暗示印口7 具有一冈多效性，并且与穗部结构密切相关。x i n g 等 【5 4 】利用近等基因系( n i l ) 精细定位了控制每穗颖花数的c 7 妒p 7 ，这个位点同时 还影响单株产量、千粒重、分蘖数和结实率，最终的确定的位置在第7 染色体着 丝粒附近9 1 2 4 k b 的范围内。日本科学家a s h i k a r i 等( 2 0 0 5 年) 【5 5 j 利用两个在 主穗穗粒数上存在显著差异的品种k o s h i h i k a r i ( 小穗) 和h a b a t a k i ( 人穗) 作为构 建遗传群体的亲本材料( 图1 8 ) ，定位和克隆了控制水稻穗粒数的q t l ( g 甩，口) ； 他们的研究表明两个亲本以及另外一个穗粒数较多的水稻品种5 1 5 0 的等位基因 序列之间存在多处差异( 图l 一8 ) 。序列预测表明该基因编码一个细胞分裂素氧化 酶脱氢酶( 0 s c k x 2 ) ，口j + 以降解植物激素绌胞分裂素。大穗亲本中o s c k x 2 表达 量降低，导致细胞分裂素在花序分生组织中的累积，造成生殖器官数目的增加， 从而增加了水稻谷粒数目。 k 口$ b i 舞i 瓤嚣i 妇b 趣t a 耘5 1 毒曲 图1 8k o s h i h i k a r i 、h a b a t a k i 和5 1 5 0 的穗部形态 ( 引自a s h i k a “等2 0 0 5 【5 5 ) 1 3 4 2 枝梗性状 穗枝梗性状主要包括一二次枝梗数量、k 度，一二次枝梗粒数等。这些性 状是组成穗整体性状的基础，是对穗整体性状的进，步分解。口前，对这部分性 状研究较多的是一二次枝梗数量，控制一次枝梗数量的q t l 主要分布在第4 和 第8 染色体上，i 面控制二次枝梗数量的q t l 分布比较均匀，相对较多的是第l 染色体上( 表1 3 ，附表1 ) 。另外，y a m a g i s h i 等( 2 0 0 4 年) 【j 检测了控制单 个一次枝梗颖花数( 包括一次枝梗上的二次枝梗颖花数) 的两个q t l ，分别位 于第9 和第l l 染色体卜。而其他，l 个枝梗性状研究的比较少，检测到的位点也 水稻穗部结构性状相关基冈的定位上海师范大学硕士学位论文 较少( 表1 3 ，附表1 ) 。 1 3 4 3 谷粒形态性状 广义来说，谷粒形态性状是穗部结构性状之一，主要包括粒长、粒宽、粒长 宽比、粒厚、粒重和芒性状等，属于数量性状。近年来关于粒形性状相关基因的 定位研究比较多，参考黄建勋( 2 0 0 6 年) 【5 7 】在其硕士论文中的总结以及其他一 些研究【5 8 1 ，目前已定位出的与粒长相关的基凶位点有1 0 1 个，与粒宽相关的位点 有8 5 个，与粒形( 长宽比) 相关的位点的位点有5 9 个，与粒重相关的位点有1 2 8 个。大多数试验中检出的