药用野生稻—栽培稻渗入系后代卷叶表型的遗传分析

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  摘要 [目的]根据药用野生稻-栽培稻渗入系后代卷叶表型遗传分析,分析定位控制水稻叶型的相关基因。[方法]构建药用野生稻-栽培稻渗入系后代卷叶的分离群体,并对后代分离群体进行SSR多态性分析。[结果]该群体受一对不完全显性卷叶基因控制;初步判断卷叶个体表型产生的原因是野生稻基因片段的渗入所致;并将该群体的卷叶基因初步定位在第5号染色体分子标记RM305和RM173之间。[结论]得到了一个具有新来源的新基因,为进一步对新型卷叶基因的克隆和分子手段调控机理研究奠定了基础,同时为应用分子手段调控叶形来改良株型而提高水稻生产效益的设想提供材料。
  关键词 渗入系;卷叶基因;基因定位;药用野生稻
  中图分类号 S188+.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2016)03-119-04
  Abstract [Objective]According to the phenotype genetic analysis of introgression line progenies rolled leaf of O.officinais-O.sativa,the location of related genes controlling the leaf style of rice was studied.[Method]A segregation of O.officinais-O.sativa introgression line progenies rolled leaf was established.Moreover,SSR (Simple Sequence Repeats) polymorphic analysis was conducted to study the progenies segregation.[Result]The results showed that the group was controlled by a pair of incomplete dominance rolled leaves; the cause of rolled leaf phenotype was the infiltration of the gene segment of O.officinais; the rolled leaf genes of this group were preliminary mapped between RM305 and RM173 of molecular marker of the fifth chromosome.[Conclusion]A new gene from new source is obtained,which will lay the foundation for the further research of cloning and molecular regulation mechanism of the new rolled leaf genes and offer the possibility for increasing rice production by molecular regulation of leaf shape to improve the plant type.
  Key words Introgression line; Rolled leaf gene; Gene mapping; Oryza officinalis
  葉片卷曲是水稻叶片形态变异性状之一,是研究水稻生长发育的理想材料。探明叶的发育机理,了解控制叶片形态变异的基因,掌握叶片发育的分子调控网络,有助于利用遗传重组设计对株型进行改良,达到水稻高质高产的生产要求。
  研究表明,叶片适度卷曲可以保持叶片直立而不披垂,改善水稻生长中后期群体基部的受光条件,推迟叶片衰老和减少病虫害的发生,间接提高水稻产量和品质[1-4]。因此,卷叶性状作为水稻超高产株型的重要形态指标之一,受到许多水稻遗传育种学家的关注,并被引入品种改良中加以利用。
  目前,对于水稻卷叶性状的遗传研究,一般认为卷叶性状受主基因控制,并已报道了多个可遗传的水稻卷叶基因或主效QTL,其中有些基因被克隆出来并进行了功能研究。早期作为形态学标记并通过经典遗传学方法定位的6个控制卷叶基因rl1~rl6都是隐性的,分别位于第1、4、12、1、3 和7 染色体上[5-6]。李仕贵等[7]在分子标记RG13与RG57之间定位了一对与rl1相互互作的隐性卷叶基因rl7,邵元健等[8]在分子标记RM6954与RM6841之间定位了隐性主效QTL rl8。严长杰等[9]在分子标记RM6475和RM6839之间直接定位了隐性主效QTL rl9。之后隐性卷叶基因 rl10、 rl11、 rl12、 rl13、rl14、rl15等[10-16]相继被报道。其中在第5号染色体定位的卷叶相关基因包括rl7和 rl8。除第8和11号染色体,其他染色体上都有相关卷叶基因定位,且有些基因已被克隆研究。
  栽培稻是野生稻的亲缘种,与野生稻具有共同的原始祖先。野生稻长期生长于自然环境中,保留了大量控制优良性状的优异基因,是水稻育种的宝贵种质资源库[17-19]。因此,将野生稻作为水稻育种中控制重要农艺性状的基因供体材料,将这些优良基因转移至栽培稻中,可以拓宽栽培稻的遗传物质基础,从而选育出更加高产、优质及其适应性更广泛的优良品种,对提高作物的遗传多样性具有重要意义。笔者前期从药用野生稻和栽培稻的渗入系后代中获得了卷叶材料,利用单株多代自交获得稳定的卷叶植株。通过与前人发现的各种卷叶突变体相比以及分子标记检测显示该卷叶基因来源于药用野生稻的渗入片段,是新型卷叶基因材料。笔者以该卷叶材料为对象,对新型卷叶基因的初步定位进行分析,为进一步克隆该功能基因奠定基础。   1 材料与方法
  1.1 试验材料 药用野生稻原产于云南,由武汉大学植物基因工程实验室提供。药用野生稻与栽培稻杂交的远缘杂种经过与栽培稻连续回交和自交,构建不同世代的渗入系后代群体。所有水稻材料种植于温室或郊区试验田,采用一般水稻种植方法种植所有水稻材料。
  1.2 引物来源
  466对SSR引物来源于栽培稻,均匀分布于栽培稻的12条染色体上。每个SSR位点在染色体上的位置和引物序列信息来源于水稻公共数据库http://www.gramene.org。所有SSR引物委托华大基因公司合成。
  1.3 试验方法
  1.3.1 卷叶表型统计。在叶片卷曲变化分离的群体植株中,卷叶表型记录测量方法利用卷曲度LRI=[(Lw-Ln)/Lw]×100%进行衡量,其中,Ln为叶片最宽处自然卷曲后叶缘间距,Lw为展开后叶缘间距。为了便于表型统计分析,根据卷叶程度设定表型值P1:卷曲度LRI在5%以下,即平展叶;P2:卷曲度LRI在5%~40%,即中度卷叶;P3:卷曲度LRI在40%以上,即高度卷叶。秧苗移栽前(7叶期)统计一次表型,移栽后第15天开始,每7 d记载一次,表型无变化或开始抽穗时停止记载。
  1.3.2 基因组DNA的提取与PCR扩增。
  剪取各样本植株的新鲜叶片,采用CTAB法提取基因组DNA,完全溶于适量TE (pH 8.0)溶液后4 ℃冰箱保存备用。新合成的SSR引物干粉用适量TE溶解至10 μmol/L,4 ℃冰箱保存。
  反应体系20.0 μL: 10 ×PCR 缓冲液2.0 μL,25 mmol/L Mg2+ 1.2 μL,2 mmol/L dNTP 2.0 μL,引物F 和R各0.2 μL,Taq DNA(5 U/μL)酶0.2 μL,DNA 模板50 ng。PCR反应在PCT100PCR儀器上进行,反应程序:94 ℃预变性5 min;94 ℃变性30 s,55~67 ℃退火 30 s,72 ℃延伸60 s,35个循环;72 ℃ 延伸5 min。不同引物所用的退火温度根据合成公司建议的数据设定。
  1.3.3 扩增产物的分离与带型检测。
  PCR反应完毕,向扩增产物中加入等体积的双色(溴芬兰和二甲苯氰)上样缓冲液充分混合,94 ℃ 变性5 min,立刻冰浴5 min以上。取2.5 μL样品进行垂直板变性聚丙烯酰胺凝胶(0.6%)电泳,银染,照相并记录带型结果。
  2 结果与分析
  2.1 卷叶分离群体的构建
  药用野生稻和栽培稻杂交属于远缘杂交,最初杂种后代表现完全不育。经过与轮回亲本栽培稻连续回交,从BC5代群体一个单株上得到少量自交种子,经过种植从中得到一株部分可育的高度卷叶植株(BC5F2)。这株卷叶植株经连续自交3代后育性得到恢复(结实率达到93.7%),自交后代卷叶表型全部为高度卷叶,卷叶出现较早,在苗期6~7叶发生卷叶,LRI值都大于65%。以平展叶栽培稻9311为母本,该卷叶单株为父本(卷叶基因供体)进行杂交获得F1杂种。而F1表现出卷叶中间类型,LRI值等于39.6%,为中度卷叶(图1)。
  F1经过自交产生大量自交种子,经种植得到由268个植株组成的F2群体。对该群体进行表型观察发现卷叶表型发生分离,部分植株叶片平展,部分植株表现为卷叶,且高度卷叶类型出现卷叶较早,一些早期平叶植株在发育后期转化为中度卷叶植株。为了进一步研究表型在后代中的分离特征,根据不同表现情况分为3种类型:表现平叶的植株,与栽培稻亲本9311相似;表现高度卷叶的植株,卷叶表型出现较早(卷叶Ⅰ);表现卷叶的植株,卷叶表型出现较晚(卷叶Ⅱ)。统计结果表明,平叶植株∶卷叶II植株∶卷叶I植株的比例符合1∶2∶1,卡法检验值为5.991,支持该群体受一对不完全显性卷叶基因控制的理论(表1)。因中间类型表型偏向于卷叶亲本,因此推测是卷叶表型对平展叶表型的不完全显性。
  2.2 卷叶分离群体SSR多态性分析
  利用栽培稻上的466个SSR标记对2个样本进行扩增多态性分析,筛选出在2个样本之间表现差异的36个SSR标记(表2)。
  从268个F2单株的群体中选择2种表型极端的个体各15株,即15株表现平叶和15株表现极端卷叶(卷叶I型),剪取适量叶片混合,采用CTAB法提取DNA,构建2个DNA池。利用多态性SSR标记对亲本和2个DNA池再次筛选,只在第5号染色体上得到5个多态性标记。提取药用野生稻原始亲本DNA样本并同时进行扩增电泳分析,发现卷叶植株个体的带型都含有药用野生稻的带型(图2)。因此,可以初步判断卷叶个体表型产生的原因是野生稻基因片段的渗入所致。
  2.3 卷叶基因的初步定位分析 对F2群体及其加代繁殖得到的F3群体的所有单株用小量法提取DNA,用5个标记对群体进行SSR分析,结果表明控制卷叶表型的基因在RM305和RM173之间的区段共分离。因此,该群体的卷叶基因初步定位在RM305和RM173之间,在Cornell发布的遗传图谱上该基因位置在96.9~99.8 cM,区间长为2.9 cM。而在水稻基因组计划公布的日本晴物理图谱上这2个位点之间对应有9个克隆,约864 kb图距(图3)。
  3 讨论与结论
  利用栽培稻与野生稻杂交得到各种渗入系,是将野生稻有利基因导入栽培稻的常用方法,已被广泛应用。Jena等[20]通过药用野生稻和栽培稻的杂交,将抗褐飞虱(BPH)和抗白背飞虱(WBPH)基因渗入到栽培稻中。谭光轩等[21]利用药用野生稻渗入后代选育的水稻株系,定位了抗白叶枯病基因。Do等[22]在野生稻渗入系抗褐飞虱的材料中鉴定和克隆出抗褐飞虱基因bph14。因此,野生稻作为水稻育种的有利基因储存库得到广泛的重视和应用。   笔者对分离自药用野生稻的卷叶基因进行研究,结果表明,该基因对卷叶性状的控制呈现2个重要特征:一是纯合体卷叶性状的出现时间早,在6~7叶的分蘖早期就有表现,而杂合体在分蘖中晚期才表现卷叶性状;二是纯合体的卷叶程度高,近似半筒状,而杂合体为中度卷叶。杂合体与纯合体在卷叶发育上的不同步,以便于对其发育和调控机制进行研究。另外,该基因在杂合状态下卷叶性状表现适时(生长发育后半期)、适度(中度卷叶),有利于在水稻生产上加以利用。如果把杂交组合的父本转育成卷叶纯合体,与平叶母本配成杂交组合,在制种时父本叶片挺立,有利于花粉散发,提高制种产量;配制的杂交种在种植后表现适时、适度的卷叶,有利于群体后期通风采光,间接提高质量和产量。
  查看已经定位的卷叶基因信息,发现定位在第5号染色体的有2个基因,分别是李仕贵等[7]在第5号染色体的RG13与RG57之间定位到一个隐性主效卷叶基因rl7,邵元健等[8]在第5号染色体另一区间RM6954与RM6841之间定位到一个隐性主效QTLs的卷叶基因rl8。参照已经测序的9311基因组序列,分析这2个基因在9311序列物理图谱上的相对应位置分别为rl7(RG13∶20 137 340~22 978 299 bp∶RG573,区间长2 840.959 kb),rl8(RM6954∶23 373 698~24 464 633 bp∶RM6841,区间长1 090.935 kb)。初步定位卷叶基因的大致位置是(RM305∶22 304 187~23 057 552 bp:RM173,区间长753.365 kb)。以9311序列物理图谱的位置为参考系来看,初步定位的卷叶基因与这2个基因的距离较近,与rl7基因有部分重叠。但从表型上看rl7是隐性卷叶基因,且rl7与rl1两对基因存在互补作用,在单独存在时不表现卷叶性状,而rl8定为隐性主效基因。定位的卷叶基因为不完全显性基因,显隐关系与它们是对立的。从来源上看,rl7定位群體为栽培稻窄叶青8号/京系17组合,rl8定位群体为奇妙香/91SP068组合。定位的卷叶基因最初来源于药用野生稻,从原产地收集的药用野生稻叶片挺直,中度卷叶,应为杂合体。野生稻与栽培稻杂种后代渗入系的卷叶个体为中度卷叶,自交后得到卷叶程度加强的卷叶植株,这类植株经过种植后发现卷叶表型不再发生分离,即得到卷叶纯合体。再经过多代自交和回交对育性和株型进行改良,使其遗传背景绝大部分恢复为栽培稻基因组。选其中的纯合体与平叶9311进行杂交,构建F1、F2等定位群体。在SSR标记定位过程中发现定位群体中卷叶个体特征带型来源于药用野生稻的条带之一,可见这3个卷叶基因的来源各异。另外,若以Cornell遗传图为参考,rl7位置是(RG13∶71.8~72.8 cM∶RG573,区间长1 cM),初步定位卷叶基因的大致位置是(RM305∶96.9~99.8 cM∶RM173,区间长2.9 cM),这2个基因在Cornell遗传图参考系中有较大遗传距离(24.1 cM)。再者,一些功能相同的同源基因聚集在较密集的遗传范围内,在生物界较常见。因此,可以确认得到的是一个具有新来源的新基因。该研究结果为进一步进行新型卷叶基因的克隆和分子调控机理研究奠定了基础,同时为应用分子手段调控叶形来改良株型而提高水稻生产效益的设想提供材料。
  参考文献
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