水稻分蘖基因研究进展

龙源期刊网水稻分蘖基因研究进展作者：孙佳丽彭既明彭锐来源：《湖南农业科学》2016年第08期摘要：分蘖是单子叶植物特殊的一种分枝，也是水稻植株生长发育过程起重要作用的农艺特性，分蘖数量直接决定水稻有效穗数量，从而影响水稻产量。随着水稻基因组学和分子遗传学的快速发展，对分蘖的研究有了较大进步。综述了国内外在水稻分蘖基因研究领域，包括其遗传分析、定位与克隆等的研究进展。关键词：水稻；分蘖基因；克隆；QTL；综述中图分类号：Q341文献标识码：A文章编号：1006-060X（2016）08-0110-03Abstract：Tilleringisaspecialkindofbranchofmonocotyledonousplantandagronomytraitofricewhichplaysanimportantroleintheprogressofriceplantgrowthanddevelopment.Tilleringnumberdirectlydeterminesthericeeffectivepaniclenumberandaffectsriceyield.Withtherapiddevelopmentofgenomicsandmoleculargeneticsinrices，thegreatprogresshadbeenmadeinthestudiesonricetilleringinrecentyears.Advancesingeneticanalysis，location，cloningoftilleringgeneinricearereviewedinthispaper.Keywords：rice；tilleringgene；cloning；QTL；review分蘖作为水稻等作物的重要农艺性状，是构成其株型的重要因素。不论是国际水稻研究所的超高产新株型，还是中国超级稻、超级杂交稻，其核心基本上都涵盖了水稻的分蘖数[1]。分蘖包含分蘖力和分蘖角两个方面[2]，其中分蘖力表现了茎蘖数的多少，分蘖角反映了分蘖与主茎的离散程度。对水稻分蘖力的研究主要分为两个方面：一类是作为数量性状的研究，一类是作为质量性状的研究。分子生物学的快速发展促进了人们对分蘖机理的探究，水稻分蘖基因的定位、克隆更有利于将分蘖作用机理应用到大田育种中，对世界粮食安全及社会稳定具有重要意义。1水稻分蘖力遗传研究进展1.1作为数量性状的研究进展水稻分蘖过程较为复杂，不仅由自身遗传因素决定，受内源激素调控[3]，还受外界复杂环境的影响，如植株在潮湿环境中比在干燥环境中产生的分蘖数目更多[4]。还有一些其他因素如空间、光照、N含量和栽培措施等[5-7]。因此，分蘖数目通常被认为是受数量性状位点（QTLs）控制。目前，定位的QTL大部分分布在1、2、3、4、6、8等12条染色体上。已经龙源期刊网种[8]，水稻分蘖突变体约为30种。其中，多分蘖矮秆突变体有10余个，被克隆的QTL有TAD1、D10、HTD1等7个[9]。Li等[10]通过构建分子链锁图谱进行了QTL分析，在1、6、8号染色体上确定与叶色、干重等性状相关的4个QTL。任翔等[11]利用RILs群体水稻的分蘖能力进行QTL分析，发现在第2、5、8和9号染色体上的4个QTL对分蘖能力具有影响，存在上位效应，贡献率大于单独QTL，并在1、2号染色体成簇分布。Yuan等[12]将籼稻品种籼稻9经过γ射线处理后得到多分蘖矮突变体gsor23。遗传分析表明，突变体表型受单个隐性基因控制，它位于1号染色体长臂端长度为386kb的插入缺失标记之间。李家洋等[13]利用图位克隆方法从单秆突变体材料中分离出MOC1基因，以F2中突变体表型单株为定位群体，将其定位于6号染色体上长度为2kb的DNA序列之内。Jiang等[14]利用SSR标记将水稻分蘖突变体extM1B的突变基因定位于6号染色体。邓其明等[15]对籼粳稻组合“圭630/02428”进行花药组织培养，从后代中获得寡分蘖突变体G069，将控制寡分蘖的基因定位于6号染色体，并克隆了该基因。段远霖等[16]通过遗传分析表明，detl受一对隐性基因控制，以detl与品种DZ60杂交建立了F2定位群体，利用微卫星标记分析F2群体中的突变体，将DET1基因定位在6号染色体的长臂端，标记在SSR2和SSR3之间约68kb的范围内。江海湃等[17]将野生型籼稻品种9311经350Gy的60Co-γ射线辐射处理后产生多分蘖矮杆突变体htd1-2，遗传分析表明该突变体由一对隐性基因突变控制；随后利用简单重复序列、酶扩增多态性序列和衍生型CAPS等分子标记的方法，最终将分蘖基因定位于水稻4号染色体的116kb区间内。D10基因的突变导致抑制分枝的植物激素独角内酯合成失败，从而得到多分蘖植株[18]。半矮化多分蘖突变体f2-132由60Co-γ辐射诱变粳稻品种F2-285A获得[19]。遗传分析表明，该性状受1对隐性基因控制，已将突变基因定位在4号染色体物理距离为46kb的2个Indel标记之间。李万昌等[20]报道了一个显性多分蘖突变体HT1，利用微卫星标记的方法将该显性多分蘖基因精确定位于10号染色体上。王丹[21]以水稻多分蘖突变体te为材料，分离并鉴定出一个水稻分蘖关键调控因子TE，并将其定位于3号染色体的23kb区间内。1.2作为质量性状的研究进展唐家斌等[22]对分蘖速度慢、成熟叶片叶尖、最高分蘖数少、叶缘黄化的寡分蘖突变体G069进行研究，将其与父本“02428”杂交，并以突变型单株与“02428”回交构建BC2F2。应用RFLP和SSR标记构建连锁图谱，将控制分蘖的基因定位到2号染色体，并暂定基因名为ft1。龙源期刊网王永胜等[23]通过EMS诱变处理了籼稻丰矮占5号种子，进一步筛选遗传稳定的M2代植株，得到一株突变体，命名为ret5-5，表型为不分蘖，后代的性状趋于稳定，推测该突变体可能涉及2个或多个基因；之后，王永胜等[24]又通过EMS诱变处理粳籼稻89的种子，在M2代筛选到一年分蘖总数高达2000的极度分蘖突变体；进一步研究表明，该突变基因可能由2对显性基因控制。李学勇等[13]在研究中发现了一株完全丧失分蘖能力的天然突变体moc1，对其进行遗传分析，结果显示这一性状是由于单个核基因隐性突变导致的。孙丙耀等[25]在水稻Ds插入突变株筛选过程中，发现1个双分蘖突变体dt1，同一分蘖节的2个分蘖都可抽出有效穗。突变体后代插入基因型分析显示，其后代出现分离，表明该突变体为Ds插入杂合体。随后他们采用TAIL-PCR技术克隆了该基因。李万昌等[20]在水稻品种新稻18中发现了一株多分蘖植株，经过多代自交获得了稳定的多分蘖突变株，突变体htl在整个生育期最显著的特点就是分蘖数目多，是其野生型新稻18的3倍以上。该多分蘖突变体是目前唯一一株株高不受分蘖数增加影响的突变体。段远霖等[16]从EMS诱变日本晴种子的M2代中筛选得到一个植株明显矮化、分蘖数急剧增多的突变体，命名为detl。detl还显示出明显的穗型、粒型和育性等方面的生殖发育缺陷。多分蘖矮秆突变体d63[26]来源于SARⅢ二倍体与明恢63杂交得到的双胚苗株系的自然突变。与野生型相比，其株高显著下降、分蘖明显增多、剑叶变细变短、结实率降低、千粒重减小，对其进行遗传研究，结果表明该突变性状由一对隐性单基因控制。该基因位于水稻8号染色体短臂端距离RM22195约0.4cM的位置。用水稻基因组注释软件RiceGenomeAnnotation预测，发现从端粒区至RM22195间共有14个注释基因，未发现已经报道的与株高、分蘖相关的同源基因。因此，这个基因可能是一个未被报道的新基因。2水稻分蘖角遗传研究进展钱前等[27]将两株分蘖角度差异显著的籼粳稻杂交，F1花培加倍构建DH群体，考察了115个DH株系的分蘖角度，构建分子遗传图谱，检测到位于9、12号染色体贡献率分别为22.7%、11.9%和20.9%的3个QTLs。余传元等[28]利用籼粳亚种组合Asominori×IR24的RIL和CSSL，对分蘖角度QTL进行定位，结果在RIL中发现了5个控制分蘖角度的主效QTLs，且qTA-9基因座同时出现在两种环境中，并将其定位于9号染色体上约15cM的区域内。由此推测，加性效应和上位性效应互作可能是造成水导致分蘖角度超亲分离。丁亚辉等[39]对不同栽培条件下的水稻分蘖角进行分析，插秧深度对分蘖角度影响显著。在一定肥力范围内，分蘖角度随肥力增加而变大，水层变化对分蘖角度无影响。龙源期刊网方立魁等[30]用EMS化学诱变处理恢复系缙恢10号，得到散生突变体tac2。该突变体苗期表型正常，分蘖期株型松散，分蘖角度较野生型显著增大，株高明显降低。外源赤霉素处理可以使该突变体株高恢复，但分蘖角度不受影响。该性状受1对隐性基因控制并被定位于9号染色体RM3320与RM201之间，遗传距离分别为19.2cM和16.7cM。赵春芳等[31]以携带日本晴基因组的籼稻9311CSSL进行遗传图谱分析，鉴定出qTA11等分蘖角度QTL，加性效应为增效作用，并将其定位于11号染色体RM1761–RM4504的3.30Mb区间。Zhang等[32]以TD70和Kasalath配制组合，构建RIL群体，应用SSR标记对RIL群体进行基因型分析，共检测出3个分蘖角度QTL，分别是包含TAC1基因的qTA9以及qTA8、qTA11，贡献率分别为26.08%、4.10%、4.35%。陈宗祥等[33]对分蘖角基因TAC1TQ和抗纹枯病基因qSB-9TQ互作效应进行分析，结果表明，两基因同时存在时对纹枯病抗性增强，TAC1TQ具有减轻纹枯病发病的作用，且两者存在负向互作效应。3水稻分蘖基因的克隆与功能研究进展水稻分蘖分子机理的研究，对水稻生产进行遗传调控具有重要意义，而其中最关键的步骤就是分蘖基因的分离与鉴定。目前，应用图位克隆方法已成功克隆到11个控制水稻分蘖的基因[9]，除MOC1为无蘖基因外，其他均为多蘖矮秆基因。MOC1基因控制着腋生分生组织的起始和分蘖芽的形成，这一结论已经通过mRNA组织原位杂交得到证实，同时它还具有促进分蘖芽伸长的功能。李家洋等[13]运用组织原位杂交和RT-PCR技术，发现能够影响分生组织的OSH1基因和OsTB1基因，由于受MOC1基因的调控，这两个基因在突变体moc1中表达量明显降低。因此，MOC1很可能是水稻分蘖调控的关键基因。邓其明等[15]克隆了6号染色体上的G069基因。利用水稻寡分蘖突变体G069与广亲和材料02428杂交和连续回交，采用基因芯片技术，建立了寡分蘖基因在02428基因组背景下的近等基因系02428-ftl，在分蘖始期对分蘖节位的石蜡切片观察表明，寡分蘖基因的突变会抑制水稻侧芽分生组织的分化，使水稻分蘖发生起始时间推迟，导致分蘖数量显著减少。孙丙耀等[25]将Ds插入突变体命名为双分蘖突变体dt1，该基因在水稻分蘖盛期控制分蘖，促进同一分蘖鞘内生成两个大小不同的分蘖，而野生型只包含一个分蘖。大分蘖抽穗时间与野生型基本相同，小分蘖抽穗比野生型晚15～20d，长度小于大分蘖10cm左右，虽然小分蘖抽穗较迟且穗轴纤细，结实率低，但大多数小分蘖能成为有效分蘖。随后应用TAIL-PCR技术克隆了该基因。4展望龙源期刊网分子生物学和遗传学的快速发展，使得水稻分蘖的研究更加深入明了，将为水稻实际生产调控奠定坚实的理论基础。目前，在分蘖基因的定位与克隆方面已取得了一定成就。但水稻分蘖的发生是一个多途径影响的过程[34]，基因精细调节以及遗传、激素、环境的相互作用调节都可影响分蘖的发生。鉴于水稻分蘖调控的复杂性，对水稻分蘖突变体的深入探究任重而道远。