水稻包頸基因遺傳分析

湯莉+查仁明+張修寶+崔彥芹+劉洋+羅洪發(fā)

摘要：攜有包頸性狀的水稻品種與花溪糯稻進行正交與反交，F(xiàn)1在抽穗期全部表現(xiàn)正常，可以正常抽穗結(jié)實，并且正交和反交2組雜交后代無明顯差異，由此可以推測控制水稻包頸性狀的基因為隱性細(xì)胞核基因。同時，包頸水稻突變體與花溪糯稻雜交組合F2代在抽穗期出現(xiàn)包頸性狀植株和正常抽穗植株的分離比經(jīng)卡方測驗完全符合3 ∶ 1 的遺傳模式。由此可以推斷，控制水稻包莖性狀的基因為細(xì)胞核單基因隱性遺傳。通過觀察統(tǒng)計結(jié)果推測可知，控制水稻包頸性狀的基因主要作用于水稻的拔節(jié)抽穗期，表達(dá)特點為水稻各莖節(jié)無法正常拔高，直接導(dǎo)致水稻稻穗不能正常拱出劍葉鞘，間接導(dǎo)致水稻穗長較短，穗粒數(shù)較少，最終導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，但籽粒較飽滿。

關(guān)鍵詞：水稻;包頸突變體;遺傳分析

中圖分類號： S511.032;Q344+.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0069-03

收稿日期：2014-11-05

基金項目：貴州省科學(xué)技術(shù)基金（編號：黔科合J字[2007]2052號）;貴州大學(xué)人才基金[編號：貴大人基合字（2007）032號]。

作者簡介：湯 莉（1989—），女，貴州清鎮(zhèn)人，碩士研究生，從事種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用研究。E-mail：19890915tangli@163.com。

通信作者：羅洪發(fā)，博士，副教授，從事種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用研究。E-mail：lohofa@sina.com。

包頸水稻在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及水稻育種中經(jīng)常因為發(fā)生包頸而導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，所以研究包頸水稻的遺傳信息具有重要的發(fā)育生物學(xué)意義和應(yīng)用價值，包頸水稻的研究一直是發(fā)育生物學(xué)研究的難點和熱點。目前，在水稻中已報道了5 種包穗突變體（包括shp1、shp2、shp5、shp6和fsp），其中大多數(shù)表現(xiàn)為半包穗，與esp2完全不同，雖然fsp也表現(xiàn)為全包穗，但它的倒1節(jié)間至倒5 節(jié)間均有不同程度的短縮，不像esp2 那樣只特異地作用于倒1節(jié)間。迄今為止，只有看到shp6基因被定位在2 號染色體上的報道[1-4]。包頸基因具有“一因多效”的功能，除了控制株高外，對其他的組織、器官也具有影響，使稻穗包被于劍葉的葉鞘中，內(nèi)外稃不能正常打開[5-7]。

水稻生長進入幼穗分化后期，穗頸節(jié)間伸長，幼穗開始突破葉鞘包被而伸出。有研究表明，稻節(jié)間伸長受多種激素信號分子的調(diào)節(jié)，不僅受生長促進型植物激素調(diào)節(jié)，而且還受伸長抑制型激素調(diào)控。在生長促進型激素中，赤霉素含量與莖伸長生長的關(guān)系最密切，如果其合成及代謝途徑受阻，則會導(dǎo)致濃度下降及激素間的平衡關(guān)系發(fā)生改變，影響植株高度和穗莖伸長;脫落酸（ABA）為伸長抑制型激素，對水稻莖伸長有獨特的抑制作用，其含量增加影響莖的伸長，導(dǎo)致植株矮化[3]。雖然生產(chǎn)上在不育系開始抽穗時應(yīng)用赤霉素可以解除不育系的包頸問題，但適合使用赤霉素的時間較短，易受陰雨天氣的影響，而且赤霉素的大量使用不僅會大量增加成本，影響種子的質(zhì)量，還會污染環(huán)境[8]。因此，必須從根本上解除不育系包頸的遺傳障礙。挖掘控制水稻包穗的相關(guān)基因，研究水稻包穗的生物學(xué)機制，從基因工程角度消除不育系的包穗特征[9]。

用甲基磺酸乙酯（EMS）誘變水稻品種獲得1個水稻包頸突變體，水稻的包穗現(xiàn)象主要是由于倒1節(jié)間縮短而造成的，倒1節(jié)間縮短的程度決定了包穗的程度。倒1節(jié)間幾乎完全退化，基本不伸長，從而導(dǎo)致稻穗全部包裹在劍葉葉鞘中;節(jié)間縮短具有高度的特異性，僅局限在倒1節(jié)間上，其余各節(jié)間的長度皆沒有明顯的變化[10]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的包頸突變體由水稻品種經(jīng)EMS化學(xué)誘變而來，由貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供;其他材料有花溪糯稻和大粒香。

1.2 試驗方法

1.2.1 觀察突變性狀是否具有穩(wěn)定性遺傳 發(fā)現(xiàn)水稻包頸的突變之后，讓其連續(xù)自交，達(dá)到性狀穩(wěn)定性遺傳，并篩選出具有表達(dá)包頸性狀的純合體植株。

1.2.2 親本雜交 具有包頸性狀的水稻植株（突變純合體）與花溪糯稻配置正反交雜交組合，各做2株，分別收獲種子即雜交F1代。

1.2.3 種植F1代植株 F1代種植之后，觀察其性狀表現(xiàn)（正?；虬i），F(xiàn)1代進一步自交，收獲種子即F2代來構(gòu)建雜交群體。

1.2.4 種植雜交F2代，測量生長性狀 種植水稻包頸突變體和花溪糯稻正反交雜交組合的F2代，并且觀察記錄F2群體的株高、分蘗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、結(jié)實率和葉片等表型性狀。

1.2.5 統(tǒng)計性狀分離數(shù)量 對水稻包頸突變體與花溪糯稻的正反交雜交組合產(chǎn)生的F2群體進行田間性狀的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，確定正常植株與包頸突變型植株的數(shù)量，然后根據(jù)卡方檢驗結(jié)果對田間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和遺傳分析，以確定矮稈多蘗突變體的遺傳規(guī)律。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 雜交群體F1代表現(xiàn)性狀 通過觀察包頸水稻突變體與花溪糯稻雜交的F1代表現(xiàn)性狀，來分析控制水稻包頸性狀基因的顯性、隱性。如果F1代表現(xiàn)性狀與花溪糯稻一致，即可正常抽穗，則說明該基因為隱性;相反，如果F1代表現(xiàn)性狀與突變體一致即無法正常抽穗，則說明該基因為顯性。

1.3.2 正反交F1代表現(xiàn)性狀 通過對比包頸水稻突變體與花溪糯稻正反交組合F1代的表現(xiàn)性狀，來推測控制水稻包頸性狀的基因是細(xì)胞核基因還是細(xì)胞質(zhì)基因。如果以突變體為母本的雜交組合F1代表現(xiàn)的為包頸，而以花溪糯稻為母本的雜交組合F1代表現(xiàn)正常，則說明該性狀由細(xì)胞質(zhì)基因控制;相反，如果正反交組合的F1代表現(xiàn)性狀完全相同，則說明該性狀是由細(xì)胞核基因控制的。

1.3.3 F2代性狀分離的表現(xiàn) 通過觀察、對比、記錄以及總結(jié)，來分析控制水稻包頸性狀基因的表達(dá)時間、表達(dá)方式、作用位置以及該基因表達(dá)后所產(chǎn)生的直接影響、間接影響和所產(chǎn)生的最終結(jié)果。

1.3.4 雜交群里中分離的數(shù)量 在水稻抽穗期性狀分離之后，分別對可正常抽穗植株和不能正常抽穗植株進行統(tǒng)計。如果分離比達(dá)到1 ∶ 3的比例且無明顯性差異，則說明該性狀為單基因控制;如果該基因F2代性狀分離比符合 15 ∶ 1 的比例，則說明該性狀由雙隱性基因控制;其他情況具體分析。

1.3.5 分離后2種表現(xiàn)性狀的株高 分別取成熟的可抽穗植株和不能抽穗的植株各20株，測量株高，取平均值，通過對比來說明控制水稻包頸性狀的基因?qū)χ仓曛旮叩挠绊?。株高為植株根頸部到主莖頂部的距離。

1.3.6 分離后2種表現(xiàn)性狀的穗長 在水稻成熟后，分別隨機選取水稻20株，測量穗長，取平均值，通過對比來說明控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ舅腴L的影響。穗長未水稻最高穗從莖基部到穗頂部的長度（不連芒）。

1.3.7 分離后2種表現(xiàn)性狀的單穗籽粒數(shù) 在水稻成熟后，分別隨機選取20株水稻的最高稻穗，統(tǒng)計其單穗籽粒數(shù)，取平均值，通過對比來說明控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ舅肓?shù)的影響。穗粒數(shù)即1個水稻穗子的全部籽粒數(shù)。

1.4 統(tǒng)計分析

田間種植F1自交得F2，調(diào)查F2分離群體中突變型與野生型的植株數(shù);調(diào)查雜合體分單株收獲分別種植后突變型與野生型的植株數(shù)量以及分離和不分離的單株數(shù)。對數(shù)據(jù)進行分析，卡方測定分離比例，由此推導(dǎo)出有關(guān)基因的遺傳規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制水稻包頸性狀的顯性和隱性基因

通過觀察包頸水稻突變體與花溪糯稻雜交F1代性狀發(fā)現(xiàn)，所有F1代植株在抽穗期均可正常抽穗，由此可初步推斷控制水稻包頸性狀的基因為隱性。

2.2 控制水稻包頸性狀的基因類型

分區(qū)種植包頸水稻突變體與花溪糯稻正反交產(chǎn)生的F1代，觀察對比F1代表現(xiàn)性狀，發(fā)現(xiàn)2個區(qū)域表現(xiàn)無明顯差異，由此推斷控制水稻包頸性狀的基因為細(xì)胞核基因。

2.3 控制水稻包頸性狀的基因表達(dá)時間和表達(dá)方式

觀察包頸水稻突變體與花溪糯稻正反交組合F2代植株均于拔節(jié)期抽穗?yún)^(qū)發(fā)生較為明顯的性狀差異，植株高度上出現(xiàn)明顯差異，由此可初步判斷控制水稻包頸性狀的基因作用于水稻的莖節(jié)上。

2.4 水稻包頸性狀的控制基因

在包頸水稻突變體和花溪糯稻的正反雜交組合的F2代群體中都能發(fā)現(xiàn)2種不同株型的植株，一種是表現(xiàn)與花溪糯稻基本一致的正常株型，另一種是與包頸水稻突變體相似的株型，突變株型在抽穗期不能正常抽穗，植株變矮，穗長較短，穗粒數(shù)較少。由此可以看出，分離群體植株性狀發(fā)生了分離，出現(xiàn)了包頸水稻突變性狀。筆者對性狀差異比較明顯的包頸水稻突變體和抽穗期正常抽穗植株的數(shù)量進行統(tǒng)計，在包頸水稻突變體與花溪糯稻正交組合的F2后代中，獲得395株植株，可正常抽穗植株的數(shù)量為307株，突變植株的數(shù)量為88株，根據(jù)卡方檢驗計算公式得出：χ2=1.560 3<χ20.05，1=3.84，說明差異不顯著;在與花溪糯稻反交組合的F2后代中，獲得 425株植株，表現(xiàn)正常的植株為308株，包頸水稻突變植株為117株，根據(jù)卡方檢驗計算公式得出χ2=1.450 2<χ20.05，1=3.84，差異不顯著;同樣，包頸雜合體與大粒香的正反交2種組合的分離比例也符合3 ∶ 1的理論分離比例?？梢?，包頸突變體屬于常染色體上的隱性單基因遺傳（表1）。

表1 F2代分離群體的統(tǒng)計分析

組合名稱

植株數(shù)（株）

群體

總數(shù) 突變型 可正常

抽穗

理論分

離比例卡方值

包頸突變體×花溪糯稻 395 88 307 3 ∶ 1 1.560 3

花溪糯稻×包頸突變體 425 117 308 3 ∶ 1 1.450 2

包頸突變體×大粒香 478 125 353 3 ∶ 1 0.337 6

大粒香×包頸突變體 401 88 313 3 ∶ 1 1.995 8

2.5 包頸突變體的表觀性狀

2.5.1 控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ局旮叩挠绊?將包頸水稻突變體與花溪糯稻、大粒香雜交F2代出現(xiàn)包頸性狀植株和雜交F2代表現(xiàn)正常植株的株高進行統(tǒng)計對比，結(jié)果（表2）發(fā)現(xiàn)，包頸水稻突變體與雜交F2代出現(xiàn)包頸性狀的株高相近，花溪糯稻與雜交F2代表現(xiàn)正常植株株高相近，而F2代表現(xiàn)正常植株株高明顯高于出現(xiàn)包頸性狀的植株。由此可以推斷，控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ局旮叩挠绊懨黠@。

2.5.2 控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ舅腴L及穗粒數(shù)的影響 將包頸水稻突變體、花溪糯稻、雜交F2代出現(xiàn)包頸性狀植株和雜交F2代表現(xiàn)正常植株的穗長進行統(tǒng)計對比，結(jié)果（表2）發(fā)現(xiàn)，包頸水稻突變體與雜交F2代出現(xiàn)包頸性狀的穗長相近，花溪糯稻與雜交F2代表現(xiàn)正常植株穗長相近，而F2代表現(xiàn)正常植株穗長明顯長于出現(xiàn)包頸性狀的植株。同時，因為穗長的差距較大，導(dǎo)致兩者穗粒數(shù)也有較大差距，F(xiàn)2代表現(xiàn)正常植株的穗粒數(shù)明顯高于表現(xiàn)出包頸性狀的植株。由此可以推斷，控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ舅腴L以及穗粒數(shù)影響明顯。

表2 2組雜交組合F2代部分農(nóng)藝性狀

雜交組合 表現(xiàn)型 株高

（cm） 穗長

（cm） 穗粒數(shù)

（粒）

包頸突變體× 可正常抽穗 112.6±9.3 22.4±2.6 182.3±36.1

花溪糯稻 不可正常抽穗 97.4±7.4 5.2±1.2 46.2±13.3

包頸突變體× 可正常抽穗 104.3±7.8 25.2±2.7 152.4±29.6

大粒香 不可正常抽穗 89.7±5.3 7.4±0.9 47.5±12.2

2.5.3 控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ咀铐敹饲o節(jié)的影響 觀察測量結(jié)果顯示，原水稻品種發(fā)生突變后，水稻最頂端莖節(jié)明顯變短。據(jù)統(tǒng)計，突變前材料的最頂端莖節(jié)長25 cm，而突變后，突變體的最頂端莖節(jié)長只有2 cm，由此可見控制水稻包頸性狀的基因?qū)λ咀铐敹饲o節(jié)長度影響明顯。這也是可能導(dǎo)致水稻最終包頸的原因，因為最頂端莖節(jié)過短，所以稻穗無法頂出劍葉鞘的瓶頸，形成包頸;又因為水稻劍葉鞘的包裹，所以水稻的稻穗生長受到抑制，導(dǎo)致水稻的穗長較短，生長籽粒較少。

3 結(jié)論與討論

本研究的包頸突變材料與野生型差異較大，易于鑒別，能準(zhǔn)確地進行田間數(shù)據(jù)統(tǒng)計，突變雜合體材料與2個野生型材料配置的正反交組合，F(xiàn)1均不表現(xiàn)出突變性狀或中間性狀，說明突變體是由隱性基因控制的，沒有母本效應(yīng);F2群體中野生型和突變型的分離比例符合孟德爾3 ∶ 1的遺傳分離比例，由單基因控制，由此證明該包頸基因是由常染色體單基因控制的。

本研究結(jié)果還顯示，水稻雜交群組出現(xiàn)性狀分離是在拔節(jié)抽穗期，由此推斷控制水稻包頸性狀的基因主要于拔節(jié)期開始表達(dá)，表達(dá)的結(jié)果為拔節(jié)期最頂端莖節(jié)無法生長或生長較少，導(dǎo)致莖稈較短，稻穗無法從劍葉鞘內(nèi)抽出，從而影響到稻穗的生長，使得穗長較短、單穗籽粒數(shù)較少。所以，控制水稻包頸性狀基因的表達(dá)時間是在拔節(jié)抽穗期，表達(dá)結(jié)果為植株相對矮小，稻穗無法抽出劍葉鞘，稻穗穗長較短且穗粒數(shù)相對較少，但可以正常結(jié)實，且籽粒飽滿。

從水稻包頸性狀的基因?qū)用嫔现v，包括研究的這組性狀，全部是由常染色體隱性基因控制的，而基本也是由激素分泌不足、劍葉鞘包裹過緊、所有莖節(jié)都較短和頂端莖節(jié)在抽穗期無法伸長等多種原因所引起的全包頸、半包頸。而本試驗研究的突變體則是由于頂端莖節(jié)在抽穗期無法伸長所引起的全包頸突變，但導(dǎo)致水稻最頂端莖節(jié)無法伸長的根本原因還有待研究。

從水稻包頸性狀的表達(dá)結(jié)果上講，該基因控制的性狀可以導(dǎo)致水稻株高相對矮18～25 cm，穗長短15～20 cm，穗粒數(shù)少120～150粒。水稻的包頸現(xiàn)象嚴(yán)重影響水稻的整體產(chǎn)量，而氣候條件、噴施農(nóng)藥濃度、特殊病蟲害等都會成為水稻出現(xiàn)包頸的原因，所以今后解決水稻包頸現(xiàn)象的研究也應(yīng)該成為研究的重點。

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