水稻（Oryzasativa）籽粒大小是影響其產(chǎn)量的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀,克隆并研究水稻籽粒大小相關(guān)基因?qū)τ谔岣咚井a(chǎn)量具有重要意義。為深入探究水稻籽粒大小的調(diào)控機(jī)制,通過EMS誘變品種寬葉粳（KYJ）,分離了一系列水稻籽粒大小改變的突變體,其中smg12表現(xiàn)為籽粒變小,株高變矮,一級枝梗數(shù)和二級枝梗數(shù)減少。遺傳分析表明,該小粒突變體受隱性單基因控制。細(xì)胞學(xué)分析顯示,該突變體穎殼縱向細(xì)胞長度顯著變短,表明SMG12主要影響細(xì)胞擴(kuò)展。利用Mutmap方法對候選基因進(jìn)行克隆,篩選出SMG12的候選基因OsBRI1,該基因編碼油菜素內(nèi)酯受體激酶。OsBRI1外顯子上的第2 074個(gè)堿基發(fā)生了由C到T的置換,產(chǎn)生非同義突變,使得該位置編碼的脯氨酸變?yōu)榻z氨酸,從而影響OsBRI1的功能。綜上,該研究鑒定了OsBRI1基因的1個(gè)新等位變異,揭示了油菜素內(nèi)酯途徑調(diào)控水稻籽粒大小的細(xì)胞和分子基礎(chǔ)。 

【文章來源】：植物學(xué)報(bào). 2020,55(03)北大核心CSCD

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水稻突變體smg12的表型分析

我們利用Mutmap方法對突變體候選基因進(jìn)行克隆(Abe et al.,2012;Takagi et al.,2015)。將野生型KYJ與突變體smg12雜交獲得F1代,F1自交得F2代,從F2群體中挑取50株小粒矮稈表型植株進(jìn)行等量混池測序,并且以F2代中與野生型表型相似的50株植株作為對照進(jìn)行基因組重測序,然后進(jìn)行SNP分析。結(jié)果顯示,在smg12突變體中共檢測到7 761個(gè)混池特異SNP,其中SNP＿index等于1的有12個(gè)(表3)。并且只有基因LOC＿Os01g52050中的堿基突變造成氨基酸突變,影響蛋白質(zhì)編碼。因此,基因LOC＿Os01g-52050為最佳候選基因。為了進(jìn)一步驗(yàn)證smg12突變體的候選突變位點(diǎn),我們根據(jù)LOC＿Os01g52050中的突變堿基設(shè)計(jì)dCAPS標(biāo)記(表1)。利用該分子標(biāo)記鑒定野生型KYJ和突變體smg12。結(jié)果顯示,smg12能被相應(yīng)內(nèi)切酶正確切割而野生型KYJ不能被切開,且F2代群體中表型和基因型連鎖,與預(yù)期結(jié)果相同(圖3A,B)。因此,上述結(jié)果表明,smg12中確實(shí)存在C-T的突變。在國家水稻數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http://www.ricedata.cn/)上進(jìn)行搜索,發(fā)現(xiàn)該基因?yàn)镺sBRI1,編碼油菜素內(nèi)酯受體激酶,包含跨膜結(jié)構(gòu)域、亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域和蛋白激酶結(jié)構(gòu)域。OsBRI1外顯子上第2 074個(gè)堿基處發(fā)生了由C到T的置換,產(chǎn)生非同義突變,導(dǎo)致CDS在翻譯過程中第692個(gè)氨基酸由脯氨酸(Pro)變?yōu)榻z氨酸(Ser)(圖3C,D)。因此,LOC＿Os01g52050可能為smg12突變體的候選基因。

水稻突變體d11株高變矮,葉片直立,籽粒變短但寬度無變化。研究發(fā)現(xiàn)D11基因編碼1種新的細(xì)胞色素P450,與油菜素內(nèi)酯生物合成相關(guān)的幾種酶的編碼基因同源性很高,且施加油菜素內(nèi)酯能夠恢復(fù)d11突變體的表型,表明D11對于油菜素內(nèi)酯的合成至關(guān)重要,且油菜素內(nèi)酯影響水稻籽粒大小(Tanabe et al.,2005)。在突變體d54中,OsBRI1編碼區(qū)第2 500個(gè)堿基發(fā)生了由A到T的突變,導(dǎo)致激酶結(jié)構(gòu)域上該位置編碼的異亮氨酸變?yōu)楦彼?且OsBRI1激酶結(jié)構(gòu)域上該位置編碼的異亮氨酸作用非常保守,因此這一突變使OsBRI1激酶活性急劇下降。突變體表現(xiàn)出植株半矮化和葉片直立的表型,一級枝梗數(shù)和二級枝梗數(shù)減少,且籽�？v向長度縮短,變得更圓更小(Zhao et al.,2013)。激酶結(jié)構(gòu)域的突變使水稻產(chǎn)生株高變矮及籽粒變小等一系列異常表型,說明OsBRI1的激酶活性對于油菜素內(nèi)酯維持植株正常生長發(fā)育至關(guān)重要。smg12突變體OsBRI1外顯子上的第2 074個(gè)堿基處發(fā)生了由C到T的置換,產(chǎn)生非同義突變,導(dǎo)致OsBRI1跨膜結(jié)構(gòu)域上該位置編碼的脯氨酸(Pro)變?yōu)榻z氨酸(Ser)。通過比較OsBRI1在水稻和擬南芥中同源基因的氨基酸序列,發(fā)現(xiàn)OsBRI1編碼區(qū)第692位的脯氨酸在各同源基因中非常保守。而這個(gè)脯氨酸的突變使得跨膜結(jié)構(gòu)域蛋白編碼異常,可能會影響油菜素內(nèi)酯激酶活性。smg12突變體表現(xiàn)為株高變矮、一級枝梗數(shù)和二級枝梗數(shù)減少,葉片直立、籽粒變短但寬度無變化,表型類似于突變體d11和d54。因此,推測跨膜結(jié)構(gòu)域?qū)τ贠sBRI1行使功能非常重要,且油菜素內(nèi)酯能夠調(diào)控水稻籽粒的大小。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水稻粒形遺傳的研究進(jìn)展[J]. 宮李輝,高振宇,馬伯軍,錢前.  植物學(xué)報(bào). 2011(06)
[2]油菜素內(nèi)酯（BR）促進(jìn)植物生長機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 侯雷平,李梅蘭.  植物學(xué)通報(bào). 2001(05)



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