水稻突变体库的构建及部分性状分析
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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 水稻突变体库的构建及部分性状分析 作者：李臻 王庆国 刘炜 潘教文 来源：《山东农业科学》2018年第11期 摘要：利用不同技术创制突变体是作物遗传改良和功能基因组学研究的重要途径。本研究利用强磁场对水稻品种圣稻15进行辐射诱变，在构建水稻突变体库的基础上，经多年种植及筛选，获得93份在性状上与对照有明显差异的突变体。其差异表型主要集中在叶色、叶片形态、株高、抽穗期、穗型、粒型等方面。这些材料作为新的种质资源，将有助于水稻功能基因组学的研究及遗传育种。 关键词：水稻；突变体诱变；叶色；株高；穗型；粒型 中图分类号：S511.035.2 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）11-0016-07 Abstract Using different technologies to create mutants is an important way to study crop genetic improvement and functional genomics. In this research， rice mutant library of variety Shengdao 15 was generated by the method of electromagnetic mutagenesis. After years of propagation and screening， 93 mutant lines were obtained with significant phenotypic variations compared with the control. The phenotypic differences were mainly concentrated in leaf color， leaf morphology， plant height， heading stage， panicle architecture and grain shape etc. As new gemplasm rescources，the mutants would be contributed to functional genomics research and genetic breeding of rice. Keywords Rice； Mutagenesis of mutants； Leaf color； Plant height； Panicle architecture； Grain shape 水稻為重要的粮食作物，全世界50%以上人口以水稻为主食。随着人口增加、耕地面积减少以及环境的恶化，培育高产、优质、抗逆的水稻新型品种对于维护世界粮食安全具有重要意义。突变是遗传变异的源泉，利用各种物理和化学方法诱变创制水稻新种质并培育新型品种是水稻育种的重要途径之一。至今，世界上已培育出约500份水稻突变品种[1]，在其它主要农作物中，如小麦、玉米、大豆等，利用各种诱变手段也育成一系列新品种[2]。诱导种子基因变异、培育优质新种质成为作物育种亟待解决的问题。 事实证明，通过诱变可获得各种农艺性状、品质、生育期、抗性等性状优良或具有特异性状的突变种质资源。同时，构建水稻突变体库，利用现代分子生物学技术定位、克隆突变基因，分析突变基因作用机理，已成为目前水稻功能基因组学研究的重要任务。在世界范围内利用T-DNA插入、DS/dSpm标签、Tos17标签以及化学和辐射诱变等方法产生了大量水稻突变体[3]。其中主要包括水稻叶形、叶色、穗型、粒型、根系、生育期、株高、抗性等发生改变的突变体。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 植物中多种性状突变体的获得，为进一步开展遗传育种及品种培育提供了丰富资源。对利用Ac/Ds标签系统获得的矮秆突变体分析发现，一个氧化还原酶蛋白发生了突变，该蛋白可能通过影响GA的合成控制水稻株高[4]。水稻卷叶突变体sll1-fh673遗传分析表明，该性状是由基因Os09g23200突变所导致，这为后续研究水稻卷叶的机制奠定了基础[5]。对籼型恢复系缙恢10号EMS诱变获得的矮化大粒突变体sdb1遗传分析发现，控制该性状的基因定位于4号染色体406 kb的物理范围内[6]。类病斑突变体spl34株高变矮， 穗长变短， 穗粒数、结实率明显降低，遗传及测序分析发现该表型可能是由于候选基因LOC_Os04g56480突变所导致[7]。通过航天诱变育种获得的穗型突变体cl表现出熟色好、产量高，但花序结构异常，枝梗顶端小穗三粒簇生，BSA性状定位法初步将该基因定位于6号染色体[8]。水稻的叶色突变体报道比较多，一般认为是由叶绿体发育异常或者是叶绿素合成或降解过程发生变异所导致，据统计水稻中与叶绿素含量相关的基因超过130多个[9]。对于这些突变体的研究不但有利于揭示突变性状的相关分子机制，而且有利于提升对水稻育种遗传机理的研究，提高水稻育种效率。 电离辐射作为一种高能物理损伤因素，可通过电离激发产生大量自由基，引起直接受照的生物组织和细胞损伤。用E≥50 kV/cm的强电场对种子进行处理，实现“电子剪刀”的作用，可以打断分子间所有的化学键，成为单分子物质，同样也可以使基因断裂、重组，从而使植物种子产生基因突变。本研究利用强磁场辐射诱变水稻品种圣稻15，获得一系列稳定的遗传突变体。这些材料的获得不但为水稻的遗传育种提供新的种质资源，而且有助于水稻功能基因组学与遗传育种的研究。 1 材料与方法 1.1 电磁辐照诱变水稻突变体 以水稻品种圣稻15为材料，选取颗粒饱满、大小均匀的种子，用E≥50 kV/cm的强电场对湿种子辐照10 min，以未经辐照的种子作为对照。电磁辐照处理由广东石油化工学院实验室完成。 1.2 水稻突变体性状的调查及筛选 将诱变后的水稻M0代种子进行田间种植及扩繁，自M2代开始，在水稻幼苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期对群体中各材料的株高、叶色、分蘖、叶夹角、抽穗期、穗型、粒型等性状进行调查，筛选表型差异株系并进行单株收种，以此为基础进行每年的扩繁及相关性状调查，直到突变性状稳定。 2 结果与分析 2.1 水稻突变体的创制 2013年利用强磁场对水稻品种圣稻15进行辐射诱变，诱变种子经田间种植，对M1代进行单株收获，获得约2 000多份材料。2014年对收获的M1代种子进行扩繁，每份材料种20龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 株，对M2代群体表型进行观察、记录。筛选出93份表型性状与对照有明显变异的材料进行单株收获（表1），并于2015—2018年连续在田间进行繁种及性状调查，目前已获得一批性状稳定的突变材料。 2.2 部分突變材料的性状观察 2.2.1 叶片形态、叶色突变体 圣稻15经强磁场辐射诱变后，筛选到一批叶色、叶片形态发生变异的突变体。其中有3个突变体叶色黄化（编号为M6L1、M6L32和M6L47），特别是M6L1叶片不但黄化，而且植株长势较弱、分蘖减少（图1A、B和C）。突变体M6L66的叶片发生了不同程度的扭曲、皱缩，叶脉比较明显（图1D）。 2.2.2 株高和株型突变体 在植株高度和形态方面，部分材料也发生了变异。其中突变体M6L48在成熟期株高约为130 cm，而同期对照圣稻15的株高约为105 cm（图2A）。其它两个突变体M5W18和M5W19与对照相比植株高度也有明显增加，尤其是M5W19旗叶高度更为明显（图2B和C）。突变体M6L46株高约为140 cm，且成熟期水稻穗型也发生明显变异，穗型松散，穗长约为对照的1.5倍，穗节间长度明显增加（图2D）。同时我们也筛选到一些矮化突变体如M6L13（图2E），该突变体株高约为50 cm，并且在植株基部叶片上存在明显的褐色斑点。 2.2.3 抽穗相关突变体 水稻抽穗标志着水稻发育由营养生长到生殖生长的转变，是决定水稻结实率的关键期。辐射诱变对水稻发育有较大影响，产生了一系列抽穗时期改变的突变体，发育的改变也伴随着植株株高及成熟期的改变（图3）。M5W1作为较典型的早穗突变体，其抽穗期相比对照提前约20 d，但成熟后结实率降低，株高约为50～60 cm（图3A）。M5W5抽穗比对照早15 d，株高约为80 cm，成熟早，穗型散（图3B和图4C）。M5W10抽穗较早，早熟，而且容易落粒（图3C）。M5W13抽穗期提前，早熟，早衰（叶色发黄），较易落粒（图3D）。M6L17苗期长势弱，抽穗期比较早，株高约为50 cm，结实率低（图3E）。M6L33叶片稍发黄，抽穗期提前（图3F）。M6L6抽穗期延迟，叶片颜色较深，叶片略宽（图3G）。M6L31抽穗期延迟，晚熟（图3H）。 2.2.4 穗型、粒型突变体 辐射诱变后也产生了部分穗型、粒型发生变异的突变体。其中M5W3穗型较对照细长，粒型比较瘪（图4A）。M6L25穗型与对照相比较细，穗顶部带芒（图4B）。M5W5为散穗型，小穗呈分支状（图4C、D和E）。M6L22植株比对照高，粒型较对照长（图4F）。M6L29粒型比较饱满，粒型圆（图4G）。M5W15穗及小穗均长于对照，粒型较大，粒较圆（图4H和I）。 3 讨论与结论 水稻是世界上重要的粮食作物，也是发育和遗传研究的模式植物。水稻突变体的获得对于研究水稻基因功能、揭示其生长发育的分子机制具有重要意义。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 水稻株高和分蘖是组成水稻株型的重要农艺性状，与植株的光合效率、抗倒伏及产量等密切相关，是影响水稻产量的主要因素。研究表明，水稻株高和分蘖数呈一定程度的负相关性。适当降低作物株高不但能有效防止倒伏，而且能够一定程度上增加分蘖数，达到单位面积高产稳产的目的。被誉为“绿色革命”的sd-1基因曾在育种上得到广泛应用，但由于遗传背景狭窄不但限制了育种工作的发展，而且具有一定的遗传脆弱性[10，11]。因此，通过不同方式发展水稻矮秆、半矮秆突变体，开展水稻株高相关基因的定位及克隆，从而揭示株高的调控机制对水稻育种具有重要的理论意义和应用价值。目前已发现控制水稻矮秆的基因有80多个，有17个基因已经被克隆。对模式植物拟南芥和水稻株高机制的研究表明，赤霉素GA和油菜素类固醇BR在调控植物的株高方面起着重要作用，主要通过调控GA和BR合成代谢和信号转导进而调控植株的高度[12， 13]。刘凯等[14]通过EMS诱变获得遗传稳定的水稻显性矮秆突变体Dy，发现突变体Dy具有较强的降株高能力。 水稻的粒型主要由粒长、粒宽和长宽比决定，与水稻品质也有着直接关系，是影响水稻产量和品质的重要因素。目前已有22个控制水稻粒型的基因被克隆，相关调控机制也逐渐被揭示[15]。GS3是第一个克隆到的控制水稻粒长和粒宽的主效基因，编码一个跨膜蛋白，由四个结构域组成。OSR结构域缺失后会导致粒型变长，而TNFR/NGFR结构域和C端的VWFC缺失导致粒型变短[16，17]。水稻穗型的大小与产量密切相关，也是目前水稻研究的热点之一。目前已克隆到多个与水稻穗发育相关的基因。DEP1编码一个类似磷脂酸乙醇胺蛋白，该基因突变为显性突变，C端230氨基酸的缺失突变导致枝梗数增加、穗变密、穗粒数增加、产量也有所增加[18]。SP1（short panicle1）基因编码一个多肽转运蛋白，该基因突变后导致水稻穗型变短，但该基因如何调控穗的发育还需进一步研究[19]。LAX（LAX PANICLE）基因控制穗轴分支分生组织的起始并控制穗的发育，该基因突变后穗分支减少，穗粒数减少[20，21]。 本研究通过对圣稻15进行辐照诱变，筛选到一系列株高、穗型、粒型等农艺性状发生明显变异的突变体，为进一步定位、克隆控制相关性状的基因提供了重要材料。实验室将在已获得的突变体基础上，通过遗传分析及测序技术，结合生理生化分析，进一步揭示控制水稻株高、穗型、粒型等重要农艺性状的分子机制，为水稻育种提供新的种质资源，从而推进水稻遗传育种研究。 参 考 文 献： [1] Liu Q L， Xu X H， Ren X L， et al. 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