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专题——水稻穗发育与产量育种

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水稻穗发育与高产育种     李云峰, 任德勇 中国农业科学   2023,56(7 ):1215 -1217. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.001 摘要  （542） HTML （116） PDF （270KB）（390） 收藏 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

DEP1、Gn1a和qSW5组合应用调控水稻穗部性状     温一博, 陈淑婷, 徐正进, 孙健, 徐铨 中国农业科学   2023,56(7 ):1218 -1227. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.002 摘要  （510） HTML （56） PDF （4114KB）（307） 收藏 【目的】 水稻是重要的粮食作物，为全球超过一半的人口提供主食。穗部性状是影响水稻产量的主要因素，挖掘调控穗部性状的优异基因组合，为提高水稻产量提供聚合育种策略。【方法】 以弯穗型籼稻品种R99和直立穗型粳稻品种SN265构建的151个重组自交系为试材，应用Illumina测序平台对重组自交系和双亲进行全基因组重测序。结合表型数据与遗传图谱，对每穗粒数、一次枝梗着粒数、二次枝梗着粒数和粒型进行QTL分析，筛选QTL区间内的候选基因，应用基于三代测序组装的SN265和R99高质量基因组进行候选基因预测和序列比对，在重组自交系中筛选产量性状表现最好的基因组合，并在SN265遗传背景下应用CRISPR基因编辑技术对目标位点进行基因编辑。【结果】 R99每穗粒数和二次枝梗着粒数显著多于SN265，SN265的一次枝梗着粒数显著高于R99，R99粒型细长，SN265粒型短圆。每个重组自交系平均测序深度为6.25×，R99和SN265的测序深度分别为30×和32×。获得1 456 445个高质量的SNP，利用划bin策略进行图谱构建，得到一个包含3 569个bins，平均长度为58.17 kb的遗传图。QTL分析在第9染色体检测到一个同时调控每穗粒数、一次枝梗着粒数和二次枝梗着粒数的QTL，在第1染色体鉴定到一个调控每穗粒数和二次枝梗着粒数的QTL，在第5染色体鉴定到一个调控粒型的QTL。候选基因预测和序列比对发现第9染色体的DEP1同时调控水稻一次和二次枝梗着粒数，第1染色体的Gn1a主要调控水稻二次枝梗着粒数，第5染色体的qSW5主要调控粒型。在151个重组自交系中，对DEP1、Gn1a和qSW5的不同组合进行分类并调查产量构成因素，发现Gn1aR99/DEP1SN265/qSW5SN265等位基因组合产量表现最好，Gn1aSN265/DEP1R99/qSW5R99产量表现最差。对SN265的Gn1a位点进行分子设计育种，获得2个独立的CRISPR基因编辑株系，通过调查其产量构成因素，发现基因编辑植株穗长显著变长，每穗粒数显著增加，进而显著增加单株产量。【结论】 揭示了DEP1、Gn1a和qSW5对每穗粒数和粒型的影响，明确了Gn1aSN265/DEP1R99/qSW5R99为重组自交系中最佳基因组合，通过改良SN265的Gn1a位点进一步提高了其单株产量。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

水稻CSSL-Z481代换片段携带的穗部性状QTL分析及次级代换系培育     李儒香, 周恺, 王大川, 李巧龙, 向奥妮, 李璐, 李苗苗, 向思茜, 凌英华, 何光华, 赵芳明 中国农业科学   2023,56(7 ):1228 -1247. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.003 摘要  （411） HTML （30） PDF （2761KB）（510） 收藏 【背景】 粮食安全是保障国家安全的重要基础，水稻是人民赖以生存的主要粮食作物，提高其产量是重要的育种目标。水稻产量由每株有效穗数、每穗实粒数和粒重等性状构成，其中，粒重与籽粒形状、充实程度等密切相关。但这些性状都是由多基因控制，遗传基础复杂。染色体片段代换系(CSSL)可将这些复杂性状的QTL较准确地分解为单个孟得尔因子研究，且与育种工作紧密衔接，因而是理想的遗传研究和育种材料。【目的】 前期以4代换片段的水稻染色体片段代换系Z481精细定位了一个易落粒基因SH6，但Z481与受体日本晴间还存在多个显著差异的穗部性状。明晰控制这些差异性状的QTL在代换片段上如何分布，并分解为单片段代换系，对目标QTL的图位克隆及应用于水稻分子设计育种有重要应用价值。【方法】 利用受体亲本日本晴与Z481杂交构建的次级F2分离群体以SAS9.3统计软件的混合线性模型（mixed linear model，MLM）法进行穗部性状QTL定位（P<0.05），然后，根据基因型和表型，从F2选择42个单株在F3株系利用MAS法培育单片段及双片段代换系，并利用IBM SPSS Statistics 25.0的ONE-WAY ANOVA和TWO-WAY ANOVA分析及LSD和Duncans多重比较（P<0.05）分析这些单片段代换系（SSSL）和双片段代换系（DSSL）的QTL加性和上位性效应。【结果】 以日本晴/Z481构建的次级F2群体共定位出12个控制水稻穗部性状的QTL，并培育出相应QTL的11个单片段代换系（S1—S11）和3个双片段代换系（D1—D3）。其中，有8个QTL（qGL1、qGL3、qGL6、qGW1、qGW3、qRLW1、qRLW3和qRLW6）可被单片段代换系所验证，表明这些QTL遗传稳定。此外，利用单片段代换系鉴定到qGL1-2、qGL1-3、qGL3-2等33个QTL。其中，qNSB1-1等15个可能为新鉴定的QTL。且利用3个DSSL分析了非等位QTL间的上位性效应，结果表明，不同QTL聚合会产生不同的上位性效应，如qGL3（a=1.26）和qGL6-2（a=0.86）聚合产生了-0.77的上位性效应，据DSSL遗传模型，D2的粒长遗传效应（1.35）产生了更长的粒长表型；qGWT3-2（a=3.18）和qGWT6-2（a=3.39）聚合产生了-5.46的上位性效应，则D2的千粒重遗传效应（1.11）产生了更小的籽粒。【结论】 Z481的4个代换片段上共携带45个水稻穗部性状的QTL，并进一步分解到11个次级单片段代换系上，单片段代换系具有比F2群体更高的QTL检测效率。利用SSSL和DSSL解析的水稻穗部性状QTL的加性效应和上位性效应，有助于根据这些遗传信息预测设计基因型的表型，从而选择合适的SSSL进行育种设计。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

水稻PDL2的突变导致小穗外稃退化     赵梓钧, 吴如会, 王硕, 张君, 游静, 段倩楠, 唐俊, 张新芳, 韦秘, 刘金艳, 李云峰, 何光华, 张婷 中国农业科学   2023,56(7 ):1248 -1259. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.004 摘要  （360） HTML （45） PDF （5375KB）（182） 收藏 【目的】 小穗是禾本科植物特有的花器官。在水稻中，小穗作为花序的基本单位和独有结构，对水稻的产量和品质具有重要影响。因此，研究水稻小穗和花器官的发育，为水稻产量和品质的形成提供依据。【方法】 使用甲基磺酸乙酯（ethyl methane sulfonate，EMS）诱变籼稻保持系西农1B，获得2个具有相似突变表型的水稻等位突变体polarity defect of lateral organs 2-1和polarity defect of lateral organs 2-2（pdl2-1和pdl2-2）。由于二者表型相似，选取pdl2-1（命名为pdl2）为材料，通过显微观察和石蜡切片技术分析其小穗突变表型；通过农艺性状考察分析小穗外稃突变对水稻产量的影响；通过图位克隆技术验证PDL2的功能；运用原位杂交技术及实时荧光定量PCR（RT-qPCR）技术分析PDL2的表达模式。【结果】 表型分析结果表明，与野生型相比，pdl2突变体外稃明显变窄，不能与内稃紧密钩合，导致小穗开裂，内轮花器官部分裸露在外，但其雄蕊、雌蕊和浆片的形态和数量均表现正常。进一步的石蜡切片结果表明，突变体外稃硅化细胞和泡状细胞体积、数量的降低，以及维管束间距的减小，是导致pdl2外稃的宽度明显变窄的原因。农艺性状考察表明，pdl2外稃的变化最终引起籽粒呈水滴状，并使得pdl2突变体的结实率和千粒重等产量性状明显下降。遗传分析和图位克隆结果表明，PDL2是一个单隐性核基因，是位于水稻第4染色体的OsDCL4。该基因编码一个Dicer-like蛋白，在水稻ta-siRNA的合成途径中发挥重要作用，并且pdl2突变体是OsDCL4的一个新的弱等位突变。利用原位杂交技术及RT-qPCR技术进行的表达模式分析和基因功能分析结果表明，PDL2在水稻各轮花器官中组成型表达，该基因的突变不会影响水稻花器官特征的形成，但会干扰水稻ta-siRNA合成，影响水稻近-远轴极性建立相关基因的表达，从而导致突变体外稃近-远轴极性建立紊乱。【结论】 水稻外稃退化基因PDL2的突变使得外稃近-远轴极性建立紊乱，影响小穗外稃的发育和产量性状的形成。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

水稻短宽粒基因SWG1的图位克隆     朱洪慧, 李映姿, 高远卓, 林泓, 王成洋, 晏紫仪, 彭瀚平, 李田野, 熊茂, 李云峰 中国农业科学   2023,56(7 ):1260 -1274. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.005 摘要  （424） HTML （56） PDF （4703KB）（947） 收藏 【目的】 水稻产量由单位面积有效穗数、每穗粒数和粒重3个因素构成，其中，粒重主要由水稻的籽粒形态决定。筛选和鉴定新的粒型突变材料和基因，可为产量性状的分子设计育种奠定基础。【方法】 在籼稻保持系西大1B（XD1B）的甲基磺酸乙酯（EMS）诱变群体中鉴定到一个短宽粒突变体short and widen grain 1（swg1）；分析籽粒形态和其他农艺性状，并对颖壳进行组织细胞学观察分析；运用BSA法进行基因定位；通过遗传互补试验确定候选基因；采用qRT-PCR分析该基因的表达模式及其他粒型相关基因和细胞发育基因的表达水平。【结果】 农艺性状分析发现，与野生型相比，swg1突变体粒长显著降低，粒宽显著增加，表现出短宽粒的表型；进一步组织和细胞学分析，发现突变体颖壳纵向细胞变短是粒长变短的主要原因，而粒宽增加是由于颖壳横向细胞数目和细胞大小同时增加。遗传分析结果表明，该突变性状受隐性单基因控制，通过图位克隆与遗传互补验证，确定候选基因为LOC_Os07g42410，编码一个植物特异转录因子。qRT-PCR分析发现该基因表达无明显的组织特异性，在茎、叶、幼穗中表达强烈。通过对已知粒型相关基因、细胞周期和细胞扩展相关基因进行分析，发现通过正向调控颖壳横向细胞数目和（或）细胞大小决定粒宽的GS5和GW8在突变体中上调明显，而正向调控纵向细胞数目和大小并负向调控横向细胞数目和大小的GW7/GL7在突变体明显下调；另外，部分与细胞周期和细胞扩展相关的基因也在突变体和野生型之间的表达也呈现显著差异。【结论】 SWG1编码一个植物特异的转录因子，通过调控粒型基因（GS5、GW8和GW7/GL7等）影响颖壳的细胞增殖和细胞扩展，从而决定水稻籽粒长度和宽度。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

水稻α-淀粉酶基因的表达模式与颖花开放的关系     张绩, 周上铃, 何发, 刘莉莎, 张玉娟, 何晋宇, 杜晓秋 中国农业科学   2023,56(7 ):1275 -1282. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.006 摘要  （925） HTML （44） PDF （2479KB）（164） 收藏 【目的】 淀粉降解与水稻浆片膨大和颖花开放过程密切相关，探究α-淀粉酶基因在颖花开放过程中的作用，为杂交水稻制种效率及产量的提高提供理论依据。【方法】 在水稻扬花时，利用稀释碱性品红溶液进行离体穗子吸水试验，观察碱性品红在颖花中残留的组织，通过碘-碘化钾染色法确定11—14期（依据雄蕊发育分期）淀粉粒的分布变化，并通过RT-PCR、RT-qPCR和GUS报告基因检测多个α-淀粉酶基因在此期间的时空表达模式。【结果】 水稻颖花开放前，内外稃片通过相互嵌合的钩合槽（marginal tissues of palea，mtp）将浆片和雌雄蕊封闭在内。当颖花开放时，浆片快速膨大，使得内外稃片的钩合点松开。扬花期间，离体穗子在稀释碱性品红溶液中吸水后，碱性品红染料主要残留在内外稃片钩合槽和浆片相连处组织以及花丝中。碘染试验显示，在12期（颖花开放前），淀粉粒主要分布在雄蕊和内外稃片钩合槽，浆片中也有少量淀粉粒，在13—14期（颖花开放中），内外稃片钩合槽和浆片中的淀粉粒均降解。RT-PCR分析发现OsRAmy2A和OsRAmy3D的表达量从12期开始上升，至13—14期表达量显著增强，到受精后1 d（1 day after pollination，DAP1）表达量又明显下降，OsRAmy3E和OsRAmy3F在此过程中持续表达，OsRAmy3F表达量弱于OsRAmy3E。RT-qPCR分析显示，在11—14期，OsRAmy2A表达量变化最显著，其次是OsRAmy3A和OsRAmy3E，OsRAmy3F的表达量变化幅度最不明显，OsRAmy2A和OsRAmy3A在13—14期表达量显著增加，而OsRAmy3E和OsRAmy3F在不同时期均表达，在13—14期表达量略有升高。在12期，OsRAmy2A主要在内外稃以及内外稃片钩合槽上表达，在13—14期主要在内外稃片钩合槽、浆片以及花丝上表达。【结论】 水稻颖花开放过程中淀粉粒在mtp和浆片中明显降解，与OsRAmy2A、OsRAmy3D等α-淀粉酶基因时空表达模式相对应，可能与水稻浆片膨大导致颖花开放过程密切相关。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价