水稻株腭性状的遗传调控机制

水稻株腭性状的遗传调控机制

这是水稻生长的基本特征，包括两个方面：角和分力。第一种反映了主茎和茎之间的分布，以及影响植物之间和植物中光和气体的竞争。后者显示了茎和叶的数量，决定了穗数、光合面积和成穗率的程度，并直接影响产量。同时,分蘖又是单子叶植物一种特殊的分枝现象,具有重要的发育生物学意义。因此,分蘖习性备受国内外研究者的重视,并进行了广泛的研究,但大多数研究主要集中在水稻分蘖的生物学基础、茎蘖消长指标、模型、与群体质量的关系等方面,而分蘖性状的遗传分析和基因定位与克隆、分子机理等方面的研究则相对较少。本文对后者目前国内外研究现状作一综述,以期为水稻分蘖性状的遗传、分子机理以及生产上遗传调控分蘖等方面进一步研究提供参考。1水稻遗传研究与基因定位1.1加性效应基因和显著性基因在水稻蝌蚪发育中的表达水稻分蘖是一个复杂的发育性状,易受环境影响,故分蘖数目通常被认为受数量性状位点(QTLs)控制。这方面的研究报道很多,至今至少已发现了27个影响分蘖数目的数量性状位点,分布在除第9条染色体之外的其余11条染色体上,但不同研究者的结果很不一致,不仅QTL数目、在染色体上分布不一致,而且QTL的贡献率、效应也不同。Xu等(1991)在研究水稻不同发育阶段的分蘖遗传规律时发现,植株的高分蘖能力受2个或多个部分显性基因调控,在不同生长阶段的分蘖数以及田间有效穗是受同一个多基因系统控制的,但随着植株的生长,非加性基因和环境对分蘖数的相对贡献减少,而加性基因的效应将增加。Wu等(1996)在利用RFLP标记定位控制水稻数量性状的QTLs时发现两个控制分蘖数的QTLs位于第4和第12染色体上。Yan等(1998)发现1个QTLs能在整个生育期中被探测出,位于第1染色体上。而Wu等(1999)通过与时间相关的基因作图法,发现5个控制水稻分蘖数的QTLs位于第1、3、5染色体上,其中3个位点在分蘖盛期表达达到最高值。梁康迳等(2002)采用数量性状的加性-显性发育遗传模型分析了按NCⅡ交配设计的2套籼型三系杂交水稻茎蘖数的发育遗传规律。结果发现,在不同的发育阶段中,茎蘖数均以显性效应基因的表达为主,环境和基因型互作会影响茎蘖数加性效应基因的表达,而对显性效应基因表达的影响不明显;随着发育进程的推进,茎蘖数在生长中期的杂种优势最强;加性效应基因和显性效应基因在茎蘖数发育的全过程中有选择地表达。任翔等(2003)利用重组自交系对水稻的分蘖能力进行了QTL分析,通过对连续8个时间段分蘖增加数的检测,在第2、第5、第8和第9染色体上发现4个QTL座位在不同时间段对分蘖能力有贡献,同时检测到该群体中影响分蘖能力的上位效应广泛存在,在多个时间段其贡献率甚至大于单独的QTL座位,并在第1和第2染色体上成簇分布。目前对QTL的分析在相当程度上还是建立在统计分析的基础上,缺乏十分完善的分析方法及其应用软件来分析基因之间的互作,从而难以精细定位单个QTL以及分析其效应和互作方式,进而进行位点克隆或获取目标QTL基因。分蘖数目的QTL也不例外,至目前为止还没有1个QTL被克隆出来,更未进行基因功能与表达调控分析。1.2突变体的ft1分析和遗传多样性等几个除外)的研究大都局限于形态描述与初步的染色体定位。唐家斌等(2001)从籼粳交组合“圭630/02428”的花培后代中获得1份寡分蘖突变体“G069”,其主要特征是分蘖速度慢,最高分蘖数少,成熟叶片叶尖、叶缘黄花。用此突变体作母本与“02428”杂交,并以“02428”作轮回亲本与杂交后代突变型单株回交构建BC2F2。对BC2F2进行调查和遗传分析,确认突变体“G069”的寡分蘖特性和叶片黄花现象受同一隐性基因控制。以BC2F2分离群体为基础,应用SSR标记和RFLP标记进行连锁分析,将寡分蘖基因定位于第2条染色体的RFLP标记C424和S13984之间,分别相距2.4和0.6cM,并把该基因暂定名为ft1。王永胜等(2002)通过EMS诱变处理栽培稻“粳籼89”(OryzasativeL.indica,JX89)的种子,从M2代植株中筛选得到1株突变体,其植株形态表现为叶细、色淡、植株矮化和极度分蘖。在将近1年的营养生长过程中,分蘖总数达到2000多个,命名为极度分蘖突变体“ext37”,“ext37”自交所得M3和M4代植株表现同一表型。突变体自交及其与“JX89”和“丰矮占5号”(FAZ-5)杂交的F1、F2代结果表明该突变为显性遗传方式,可能涉及两对等位基因。TaiToTakeda等(2003)利用籼粳回交群体将OsTb1定位在第3染色体长臂末端,与RFLP标记C944紧密连锁。李学勇等(2003)在粳稻品种“H89025”中发现了天然突变体“moc1”,其完全丧失了分蘖能力,只有一个主茎秆。遗传分析表明,该突变体是由单个核基因的隐性突变造成的。利用F2代中具有突变体表型的单株作为定位群体,将MOC1精细定位在第6染色体长臂上RFLP标记R1559和S1437之间一个20kb的DNA序列之内。YoshimichiFukuta等(2004)在两个籼稻品种“Aikawa1”和“Shuho”中发现一个相同的显性少分蘖基因Ltn(t),并将它定位在第8染色体长臂SSR标记RM149和RFLP标记XNpb56之间。ShijiIshikawa等(2005)在研究5个多蘖型矮秆突变体时发现,其中“Id3”的多蘖矮秆性状是由1个隐性位点独立控制的,并将该基因精细定位于第6染色体上RM5199与RM204之间的一个16.7kb的DNA序列之内,随后的研究证实了该基因就是矮秆基因d3,但它也是与分蘖相关的基因,是适合于研究水稻分蘖的分子机理的。2基于la和ssa的散生表型基因测日本很早就开展了水稻分蘖角度的遗传研究。有关水稻分蘖角度的研究,根据不同的试验材料,主要有2种不同的结论:一种观点认为分蘖角度属于数量性状,另一种则认为是1个质量性状。Takahashi(1963)首先报道了隐性基因la控制分蘖的平卧生长。Takahashi等(1968)又发现了控制分蘖直立生长的隐性基因er。Kinoshita等(1974)报道了具有多效性的畸形矮秆基因d20能使植株株型分散。据《中国稻作学》(1986)记载,植株生长紧凑和松散的类型间杂交,F1表现中间类型,F2则表现松散与紧凑为9∶7的分离。Yamamoto等(1997)对籼粳回交后代进行分析,认为源于籼稻的显性单基因Spk(t)控制株型,并将其定位在第9条染色体上。其中对影响散生性状的基因la的研究较多,Kishimoto等(1992)和Abenes等(1994)分别将该基因定位在第11号染色体上.Abe等(1996)认为,此散生表型与植物逆地性的丧失有一定的关系,并通过对la近等基因系的研究,发现水稻苗期的无逆地性和成熟期的散生性状都是受同一隐性基因控制的,且两性状正相关。李培金等(2003)通过对国际水稻研究所Khush博士提供的水稻散生突变体“la(k)”进行遗传学分析,发现该散生表型受一隐性核基因控制,与已报道的水稻散生基因la等位,将此突变体命名为“la-2”,而原突变体被重新命名为“la-1”。利用“la-2”与“w11”和“浙福802”分别杂交产生的F2群体对LA位点进行遗传定位,将该基因精确地定位于第11号染色体上约0.4cM的区间内。水稻的分蘖角度是一个复杂的发育性状,易受环境影响,故通常也被认为受数量性状位点(QTLs)控制。徐云碧等(1993)应用F2分离群体进行研究的结果表明:分蘖角度是数量性状,根据有效因子的估值,认为由3对基因控制。Li等(1999)利用Lemont×特青的籼粳交F2∶4分离群体及其相应分子遗传图谱,除了将1个控制分蘖角度的主基因Ta定位于第9染色体RZ228与RG667之间外,还定位了4个QTL(QTa1、QTa2、QTa5和QTa8)。钱前等(2001)利用分蘖角度差异显著的1对籼粳亲本杂交F1代花培加倍获得的DH群体构建分子图谱进行数量性状座位(QTLs)分析研究后,分别在第9和12染色体上检测到3个QTLs(qTA-9a、qTA-9b和qTA-12),贡献率分别为22.7%、11.9%和20.9%,且其加性效应均为负。沈圣泉等(2005)利用重组自交系群体及其相应分子遗传图谱,对2个环境下分蘖最大角度数据进行联合分析,共检测到2个加性效应显著的QTLs,其中,qTA8-2的LOD值为21.7,贡献率为23.2%,qTA9-2的LOD值为22.0,贡献率为19.5%;这2个QTLs均不存在显著的G×E互作;还检测到3对显著的加性×加性双基因互作效应,总贡献率仅为7.69%,显得较为次要。3moc1基因对水稻蝌蚪的调节探索控制水稻分蘖的分子机理将有助于生产上遗传调控分蘖并促进植物分枝的分子机理研究,而水稻中与分蘖相关基因的分离与鉴定是控制水稻分蘖的分子机理研究的瓶颈。至目前为止,已经克隆出3个与水稻分蘖相关的基因,1个就是我国李学勇等研究的MOC1基因,另两个则都是日本人研究的OsTB1基因和D3基因。MOC1基因,是李家洋院士等以自然发生的一个单秆分蘖的突变体“moc1”为材料,采用图位克隆的方法分离出来的控制水稻分蘖的关键基因。在精细定位MOC1于20kb的DNA序列之内后对碱基序列进行注解发现,MOC1基因编码的蛋白质与番茄Lateralsuppressor(LS)同源性高达44%,属于植物特有的GRAS家族蛋白,具有两个亮氨酸七聚体重复序列包围的VHIID结构域。功能研究发现,MOC1基因控制着腋生分生组织的起始和分蘖芽的形成,同时还有促进分蘖芽生长的功能。至少有2个与分生组织起始、建立和维持的OSH1基因和控制侧芽伸长的OsTB1基因受到了MOC1基因的调控。这两个基因在突变体“moc1”内表达量明显降低。因此,MOC1很可能是控制水稻分蘖的基因开关。另外研究发现,在侧芽形成的起始期,虽然观察不到任何形态学的变化,MOC1基因就已经在叶腋里的少数表皮或亚表皮细胞里表达;随着发育的进程,MOC1基因的表达范围逐渐扩展到腋生分生组织和整个分蘖芽。然而,在顶端分生组织中检测不到MOC1基因的表达。这表明水稻MOC1基因与其在番茄和拟南芥中的同源基因LS和LAS一样,都是作为植物侧向分枝的正调节因子。水稻OsTB1基因,是TaiToTakeda等基于与玉米TB1(Teosintebranched1)基因序列相似性采用同根克隆方法分离出来的。根据保守性设计引物PCR直接扩增筛选粳稻“日本晴”DNA文库得到一个3626bp的碱基序列注解后发现,OsTB1和TB1都编码一个公认的含TCP结构域的转录因子,TCP结构域是由一个基本的螺旋-环-螺旋构型与DNA结合的基序组成。OsTB1在染色体上的遗传位点和基因组共线性分析表明,OsTB1就是玉米的TB1在水稻中的对等基因。籼稻品种“Kasalath”仅缺失其3′端非编码区内20bp的片段。基因功能研究发现,OsTB1基因控制侧芽伸长。OsTb1的过量表达抑制侧芽的生长,过量表达的转基因水稻植株分蘖数目显著减少,而侧芽的起始不受影响。水稻中一个典型的突变体“fc1”(fineculm1)被发现缺失OsTb1功能,其表现为分蘖增多。序列分析发现,突变体“fc1”的OsTb1开放阅读框第327个碱基(C-base)缺失,导致移码突变,此处产生一个终止密码子致使随后的转录和翻译终止。OsTb1在整个侧芽、顶端分生组织基部以及维管组织、节的表层细胞中都有表达。这说明水稻OsTB1与玉米的TB1相同,是侧芽生长的负调节因子,主要控制从腋芽原基到侧枝形成的生长过程。D3基因,是ShijiIshikawa等最近以多蘖型矮秆突变体“Id3”为材料,采用图位克隆的方法分离出来的与水稻分蘖相关的又一新基因。在精细定位于16.7kbDNA序列之内后,通过RGAAS对该DNA序列进行基因预测,结果发现仅1个基因存在,且非常可能就是D3,随后即证实了这一推测。对碱基序列进行注解发现,D3基因编码的蛋白质与拟南芥的MAX2/ORE9具有高度同源性,属于F-boxLRR蛋白家族,F-box在N端,中间富含亮氨酸重复区(LRR)。DNA序列分析发现,突变体“Id3”在D3基因内插入了一个448bp碱基序列,结果造成D3蛋白第154号氨基酸的改变,产生一个终止密码子遂使随后的转录和翻译终止。D3与拟南芥的MAX2/ORE9具有高度的同源性,也表明了侧芽活动的控制机理在单子叶植物和双子叶植物之间具有保守性。4水稻蝌蚪及水稻的分子机理水稻分蘖是种子植物的一种特殊的分枝现象。从植物学角度看,水稻分蘖与双子叶植物分枝的本质区别在于:分蘖生于茎秆基部的不伸长节间,并且生有不定根,可以与主茎分离而单独存活,而分枝一般发生在茎秆上部的伸长节间,没有不定根,不能单独存活。许多有野生稻背景的水稻品种如“Dular”在成熟期有的下部伸长节间居然着生2个分枝,即2个稻穗,但它们没有不定根,且没有与主茎分离,这是双子叶植物的分枝还是禾本科的分蘖呢?看来,水稻分蘖与双子叶植物分枝的差异是相对的,分子机制上有着很大的相似性,可能是分子进化过程中微小的差异造成的。目前,在拟南芥、番茄、豌豆、矮牵牛和玉米等一些植物中都已经报道存在着许多与分枝方式有关的突变体,如revoluta,pinhead,lateralsuppressor[ls]andblind/torosa,moreaxillarygrowth[max],ramosus[rms],Teosintebranched1[Tb1]anddecreasedapicaldominance[dad],supershoot/bushy。通过对这些突变体的研究发现,几个与分枝调控有关的基因在单子叶植物和双子叶植物之间的确具有保守性。上述的水稻MOC1与番茄LS、水稻OsTB1与玉米TB1、水稻D3与拟南芥的MAX2/ORE9之间的同源性就从分子水平上证实了这一点。因此,我们在研究水稻分蘖的分子机理时可通过比较基因组学方法和分子进化观点从种子植物分枝整体入手,从而有望早日比较全面了解水稻分蘖乃至植物界分枝的分子机制。植物分枝是顶芽和侧芽相互竞争共生的结果。当顶芽活跃地生长时,侧芽的生长则受到一定程度的抑制甚至处于休眠状态。如果顶芽因某些原因而停止生长时,一些侧芽就会迅速生长。其中,当顶芽生长受到某种程度抑制时,侧芽则生长活跃,其结果可能导致植株矮化,侧枝生长旺盛。水稻的分蘖与株高存在负相关性,分蘖多,株高往往就降低,就是这一种情形,这种分蘖数目与植株高度的负相关现象在水稻栽培品种中经常存在。李学勇等也发现,伴随MOC1转基因水稻分蘖力的提高,植株高度明显降低。特别值得一提的是,最近ShijiIshikawa等利用多蘖型矮秆突变体研究水稻分蘖的分子机理取得了一定的进展,他们的研究结果表明多蘖型矮秆突变体是适合于研究水稻分蘖的分子机理