水稻窄卷叶突变体nrl4的遗传分析与基因定位

摘要

水稻是世界上主要的粮食作物之一，其叶片是光合作用的主要器官，与水稻株型的建成有关，也决定着水稻产量的高低。水稻叶片的长度、宽度和卷曲度参与影响整个植株的形态，同时决定群体株型的结构，成为育种家关心的主要性状之一。适度的卷曲有助于叶片保持直立，有利于群体接受更多的光能，植株的光合作用和光能利用效率得到增强。因此，新的卷叶突变体的获得，以及卷叶形成的分子机理的探明，有利于通过改良叶片的相关性状来进一步提高作物产量。
　　本研究利用叶片变窄的水稻卷叶突变体nrl4(narrow and rolling leaf4)，进行了与突变性状相关的遗传分析、农艺性状测定、基因定位和基因功能分析。主要的研究结果如下:
　　1.突变体nrl4从苗期开始表现为叶片显著向内卷曲伴有叶片窄化，剑叶、倒二叶和倒三叶的卷曲度分别为45％、37％和32％，且与主茎的夹角均有所减小。与野生型植株相比，突变体植株的株形更为直立，叶色加深，株高略微增加5.71％，籽粒长度增加7.63％、宽度减小7.67％、厚度增加1.77％，千粒重提高9.20％，每穗粒数和实粒数分别减少16.16％和14.99％，结实率提高1.40％。
　　2.nrl4与浙农34杂交的F1植株叶片平展，F2中正常单株为921株、卷叶单株为311株。经x2检验，野生型和突变体植株的表型分离比符合3∶1(x2=0.027＜x20.05=3.84)。因此，该突变体性状受一对隐性单基因控制，突变体nrl4为一个新的窄卷叶突变体。
　　3.突变体nrl4叶片叶色加深，其总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量分别为3.91、1.99和0.61 mg/g，显著高于野生型浙农34的总叶绿素含量(2.27 mg/g)、叶绿素a含量（1.16 mg/g）和叶绿素b含量（0.34 mg/g）。
　　4.突变体nrl4的纤维素和半纤维素的含量分别为22.39和31.17 mg/g，稍低于野生型浙农34的纤维素含量(22.81 mg/g)和半纤维素含量(31.82 mg/g)，但差异不明显。而突变体nrl4的木质素含量要比野生型浙农34低11.73％，仅为3.31 mg/g，差异达显著水平，说明突变体nrl4的细胞壁成分含量发生一定的变化。
　　5.利用一些已克隆的控制水稻卷叶的基因nal1、ACL1、OsAGO7、rl14、nal7、sll1、ROC5等进行了Real-Time qPCR分析。发现窄卷叶基因nal1、ACL1在nrl4中表达量显著增加，与此同时卷叶基因rl14、sll1的表达量在nrl4中也有提高;而卷叶基因OsAGO7、nal7以及ROC5在nrl4中表达量降低，其中以nal7的表达量降低最为显著。
　　6.该突变体基因最终被定位在水稻第3染色体长臂、InDel标记3M11103和3M1115之间，其物理距离约为53 kb。有5个预测基因被发现于该区段，他们分别为LOC_Os03g19760、LOC_Os03g19770、LOC_Os03g19780、LOC_Os03g19800和LOC_Os03g19820。野生型浙农34和突变体nrl4间的序列比对和表达分析表明，两者在基因序列、5'端非编码区启动子序列及3'端非编码区基因序列上均未发生变化，但是基因LOC_Os03g19770在突变体叶片中的表达量显著增加，已知LOC_Os03g19770编码富含甘氨酸的细胞壁蛋白—这种蛋白组成细胞壁的主要成分，在维管束的厚壁组织中含量丰富，在维持植物细胞机械强度中发挥作用。已有报道指出，远轴面厚壁组织的缺失可使叶片失去支撑而发生卷曲，进一步推测LOC_Os03g19770为候选基因。

目录

声明

致谢

摘要

1 文献综述

1．1 水稻叶的形态、结构和功能

1．1．1 水稻叶的形态和结构

1．1．2 水稻叶片的内部解剖结构

1．1．3 水稻叶的功能

1．2 单子叶植物叶的发育机制

1．2．1 叶原基的起始

1．2．2 叶的极性发育

1．3 叶卷曲发生的可能机制

1．3．1 基因控制

1．3．2 激素调控

1．3．3 环境影响

1．4 水稻窄叶和卷叶性状的研究进展

1．4．1 已报道的窄叶和卷叶基因

1．4．2 窄卷叶突变体性状的应用

1．5 实验目的

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 窄卷叶突变体的来源及亲本

2．1．2 主要的试剂和实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 农艺性状测定

2．2．2 石蜡切片观察

2．2．3 叶绿素含量的测定

2．2．4 纤维素含量的测定

2．2．5 DNA的提取

2．2．6 引物设计及PCR扩增和电泳

2．2．7 基因的初定位和精细定位

2．2．8 候选基因预测

2．2．9 表达分析检测

3 结果与分析

3．1 窄卷叶突变体nrl4的表型分析

3．3 窄卷叶性状的遗传分析

3．4 窄卷叶突变体nrl4叶片叶绿素含量的分析

3．5 窄卷叶突变体nrl4纤维素含量的分析

3．6 NRL4的初定位

3．7 NRL4的精细定位

3．8 定位区间内候选基因的预测与分析

3．9 Real-time PCR表达分析

3．10 不同卷叶基因的相对表达分析

4 讨论

4．1 NRL4可能是一个不同于以往报道的控制叶形的新基因

4．2 nrl4突变体泡状细胞形态和排列异常可能导致叶片卷曲

4．3 大、小维管束减少可能导致叶片变窄

4．4 表观遗传现象

5 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间已投稿的论文

作者介绍