水稻產(chǎn)量相關(guān)基因Ghd7的分離與鑒定.pdf

1、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)歷來(lái)是作物科學(xué)研究中最重要的目標(biāo)之一，水稻產(chǎn)量相關(guān)基因的研究一直是水稻育種和水稻分子生物學(xué)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。水稻單位面積產(chǎn)量由每穗粒數(shù)，有效穗數(shù)，千粒重和結(jié)實(shí)率等因素構(gòu)成。同時(shí)，株高，生育期對(duì)水稻株形，適應(yīng)性等性狀影響巨大。目前，水稻中控制抽穗期，株高，分蘗，每穗粒數(shù)和粒重的基因都被相繼克隆。在本研究中，我們克隆了位于水稻第7染色體著絲粒區(qū)QTL，Ghd7，它同時(shí)控制水稻的株高，每穗粒數(shù)，生育期，來(lái)自明恢63的等位基因?yàn)椴煌耆@性

2、基因。通過(guò)對(duì)Ghd7的表達(dá)分析和植株的顯微結(jié)構(gòu)的比較研究，初步闡明了Ghd7的作用機(jī)理，這是在水稻中首次成功克隆這樣的一因多效基因。 通過(guò)回交的方法，將含有來(lái)自明恢63的Ghd7的片段導(dǎo)入到珍汕97中，獲得了珍汕97背景的近等基因系(NIL)。 NIL與輪回親本珍汕97相比，抽穗期大約晚了21.2天，株高增加了33厘米，主莖穎花從130粒增加到216粒，單株產(chǎn)量也提高了50％。 通過(guò)經(jīng)典的圖位克隆的方法，利用3個(gè)

3、NIL-F2大群體，把Ghd7精細(xì)定到0.28cM，它對(duì)應(yīng)于大約2000kb的范圍，顯然，此區(qū)間位于著絲粒區(qū)，重組交換受到明顯抑制，無(wú)法把基因區(qū)間進(jìn)一步縮小。通過(guò)對(duì)該區(qū)間序列的分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)與成花發(fā)育相關(guān)的基因，該基因含有一個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域，將含有來(lái)自明恢63的基因區(qū)段遺傳轉(zhuǎn)化合江19，牡丹江8號(hào)，日本晴等小穗品種進(jìn)行功能互補(bǔ)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)基因陽(yáng)性單株都表現(xiàn)抽穗延遲，株高增高，每穗穎花數(shù)增加，驗(yàn)證了基因的功能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)Ghd7基因功能效應(yīng)的大小

4、還受到遺傳背景的影響。 從Ghd7的表達(dá)分布來(lái)看，主要在幼嫩的葉片，頂端分生組織，二次枝梗分化原基，成熟葉片的維管束的韌皮部表達(dá)。從Ghd7的表達(dá)部位的顯微結(jié)構(gòu)來(lái)看，細(xì)胞的數(shù)目明顯增多，推測(cè)Ghd7加速了細(xì)胞的分裂速度，在幼穗發(fā)育中，分化出了更多的二次枝梗，成為Ghd7提高穗粒數(shù)的一個(gè)解剖學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)莖稈發(fā)育的增粗，也更有利于整個(gè)植株保持較好的株形，有利于穩(wěn)產(chǎn)。Ghd7是受光周期控制的基因，mRNA呈晝夜節(jié)律性表達(dá)，短日下表達(dá)受

5、到抑制；長(zhǎng)日下，Ghd7抑制Hd3a和Ehd1的表達(dá)，這種控制開(kāi)花的途徑跟擬南芥相比，可能是水稻所特有的。 Ghd7屬于CCT基因家族的成員，在植物中CCT類基因是一類快速進(jìn)化的基因，從基因的進(jìn)化關(guān)系來(lái)看，Ghd7跟其他基因的分化距離較遠(yuǎn)，而與溫帶長(zhǎng)日照植物小來(lái)說(shuō)，沒(méi)有春化過(guò)程，但這兩種基因都具有抑制開(kāi)花的類似功能。從表達(dá)模式來(lái)看，這類基因也比較相近，都是長(zhǎng)日下促進(jìn)表達(dá)，而在短日下表達(dá)受到抑制。通過(guò)對(duì)這類基因的進(jìn)化關(guān)系的深入研究

6、，將為理解溫帶作物的進(jìn)化提供有益的幫助。 通過(guò)對(duì)分布在亞洲的19個(gè)品種的Ghd7等位基因的比較測(cè)序發(fā)現(xiàn)，Ghd7各種等位基因編碼的蛋白共有5種基因型：第一種基因型以明恢63為代表，這種基因型的等位基因具有較強(qiáng)的功能，含有這種等位基因的品種，多分布在我國(guó)南方和熱帶亞熱帶的水稻生產(chǎn)區(qū)，生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)；第二種基因型以日本晴為代表，此種等位基因的功能減弱，含有這種等位基因的品種多分布于我國(guó)華北及其同緯度的地區(qū)；第三種基因型以合江19和牡丹江

7、8號(hào)為代表，這種等位基因發(fā)生了終止突變，基因完全失去了功能，分布在我國(guó)北方的黑龍江省，夏季較短，水稻生育期也與這種氣候相適應(yīng)；第四種基因型只在特青的品種中發(fā)現(xiàn)，這種基因型的功能很強(qiáng)，分布的地理區(qū)域與第一種類似；還有一種就是Ghd7完全發(fā)生了缺失，含有這種基因型的品種，為分布在我國(guó)的雙季稻區(qū)的早稻品種。以上的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明Ghd7不同的基因型與水稻品種區(qū)域分布相關(guān)，這類基因除了參與發(fā)育調(diào)控外，也可能跟植物的地理分布相關(guān)聯(lián)。 對(duì)Ghd7在

8、90個(gè)品種中的序列進(jìn)行了比較序列，發(fā)現(xiàn)了74個(gè)SNP位點(diǎn)，將這些位點(diǎn)和表現(xiàn)型結(jié)合群體結(jié)構(gòu)作了初步的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的SNP位點(diǎn)，其中有的SNP位點(diǎn)與株高關(guān)聯(lián)比較緊密，有的與抽穗期關(guān)聯(lián)比較緊密，而有的與每穗粒數(shù)關(guān)聯(lián)緊密，有的與兩個(gè)性狀關(guān)聯(lián)緊密。而大多數(shù)SNP位點(diǎn)則與性狀沒(méi)有關(guān)聯(lián)。 芯片數(shù)據(jù)的分析表明，Ghd7不僅僅參與了開(kāi)花的調(diào)控，而且參與了植物激素，細(xì)胞分裂素的代謝調(diào)控。在水稻中，CO類基因參與激素調(diào)控是一個(gè)全新的領(lǐng)域，