水稻披垂葉突變基因研究進(jìn)展

夏建彬 李明星 劉輝 陳曉龍

摘要 水稻是重要的糧食作物，全球有超過50%的人口以稻米作為主食。同時(shí)水稻又作為一種模式生物被各大研究機(jī)構(gòu)所研究。水稻披垂葉突變體是由于控制水稻中脈形成的基因發(fā)生突變，導(dǎo)致基因發(fā)生功能缺失，使水稻葉片中脈的形成不能正常進(jìn)行，從而出現(xiàn)披垂葉的性狀。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2個(gè)基因位點(diǎn)與水稻中脈形成有關(guān)，DL和DL2基因正是這2個(gè)不同的位點(diǎn)。研究水稻披垂葉突變基因，對(duì)研究水稻葉中脈的形成以及水稻理想株型的選育有重要的意義。對(duì)水稻披垂葉突變基因的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以對(duì)水稻這一類特殊株型得到更好地了解。

關(guān)鍵詞 水稻；披垂葉；突變基因

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）29-0020-03

Research Progress of Rice Drooping Leaf Mutant Genes

XIA Jianbin， LI Mingxing， LIU Hui et al

（College of Chemistry and Life Science， Zhejiang Normal University，Jinhua， Zhejiang 321004）

Abstract Rice is an important food crop in the world， with a population of over 50% people with rice as the staple food. At the same time， rice as a model organism is studied by major research institutes . Rice drooping leaf mutants was due to the formation of rice midrib gene mutation， gene deletion can lead to the formation of power， can not be normal in rice leaves midrib， which appeared drooping leaf characters. It was found that two gene loci formed with rice DL and DL2 genes on midvein， they were the two different sites. The research of rice drooping leaf mutant gene， has focused on the formation of the research of rice leaf midrib and breeding of rice ideotype .In this paper， we will review the research progress of rice drooping leaf mutant genes， and hope to get a better understanding of the specific plant types of rice.

Key words Rice；Drooping leaf；Mutant genes

作者簡(jiǎn)介 夏建彬（1992—），男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：植物遺傳學(xué)。

收稿日期 2017-07-26

水稻披垂葉突變體是由于控制水稻中脈發(fā)育的基因發(fā)生突變而導(dǎo)致的一種特殊的水稻株型。到目前為止已經(jīng)定位到2個(gè)有關(guān)水稻中脈發(fā)育的基因位點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，DL基因的組成型表達(dá)會(huì)促進(jìn)細(xì)胞沿著葉原基的軸增殖，形成支撐植物葉片直立伸長(zhǎng)的中脈，從而保證葉片能夠直立生長(zhǎng)。攜帶DL功能缺失的突變體植株不能形成完整的中脈，結(jié)果導(dǎo)致植株葉片下垂，從而形成披垂葉的性狀。另外，在花中，DL基因嚴(yán)重的突變會(huì)引起心皮向雄蕊同源轉(zhuǎn)換。若在植物中攜帶DL弱等位基因，則會(huì)使心皮的數(shù)量增加和體積增大，這表示花分生組織的確定性被部分還原。

在后來的研究中又發(fā)現(xiàn)了一種新的披垂葉突變體，而且經(jīng)過定位得知該基因并不是在3號(hào)染色體上，而是在另一條染色體1號(hào)染色體上，與先前報(bào)道的的DL的基因位點(diǎn)并不相同。

水稻披垂葉突變體最初來源于國際水稻研究所，RGS20（國際水稻研究所育成的）及其衍生系[1]。在后續(xù)的研究中，通過一系列的途徑獲得了許多不同的水稻披垂葉突變體植株，包括化學(xué)誘變、組織培養(yǎng)以及雜交選育等等，目前已報(bào)道的披垂葉突變體大多都是在DL基因處發(fā)生了等位突變，國內(nèi)外許多研究證實(shí)DL的等位基因位于3號(hào)染色體的短臂上，控制著花器官的發(fā)育和葉片中脈的形成。另外，有報(bào)道指出，在1號(hào)染色體上也存在控制水稻葉形的基因DL2，突變體同樣導(dǎo)致垂葉的表型，研究者將突變基因命名為dl2。

1 水稻披垂葉突變體的一般表型特征

水稻葉片呈長(zhǎng)披針形，均勻地分布著許多平行的縱走脈紋。在發(fā)育中的葉片，在中脈結(jié)構(gòu)形成之前，近軸中心區(qū)域的中心維管束通過細(xì)胞增殖增厚。這些細(xì)胞增殖為中脈的形成提供了足夠的細(xì)胞。中脈是保持葉片直立性的一個(gè)重要的因素，是葉原基附近的細(xì)胞增殖形成的。披垂葉性狀的形成多是因?yàn)榧?xì)胞不能正常地沿著葉原基的軸增殖，不能形成中脈，從而出現(xiàn)披垂葉表型。研究發(fā)現(xiàn)，水稻dl突變體的葉片和葉鞘不能形成中脈，而且缺少足夠發(fā)達(dá)的清除細(xì)胞，在中脈的位置形成小的側(cè)脈，不過水稻葉片的其他結(jié)構(gòu)均是正常的[2]。水稻葉片的形態(tài)是影響水稻光合作用的重要因素，葉片接受光的面積是光合作用的重要影響因子，而葉片的形態(tài)勢(shì)必會(huì)影響植株的光合作用，從而影響水稻植株的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量。

水稻DL基因是一種多效基因，它不僅控制著水稻葉片中脈的形成，同時(shí)還影響花器官的發(fā)育。因此，在許多水稻披垂葉突變體中，往往還伴隨著花器官發(fā)育的異常，如雌蕊雄蕊化、雌蕊柱頭數(shù)量增加等。另外，由于花器官的異常，還會(huì)導(dǎo)致水稻的不育。

2 水稻披垂葉突變體的遺傳類型

據(jù)國內(nèi)外研究表明，控制水稻披垂葉性狀的基因都是隱性基因，且穩(wěn)定遺傳。由于研究材料的不同，主要有單隱性遺傳和2對(duì)隱性基因控制的遺傳。張小祥等[3]利用3個(gè)水稻披葉材料MR304、MR312、MR168進(jìn)行研究，其中，MR304披葉性狀受2對(duì)基因控制，其中1對(duì)為主效基因，而其他的2個(gè)材料均為1對(duì)隱性基因控制的性狀。王楠等[4]用突變體dl（t）作父本，Y2B 和縉香2B作母本2種雜交組合，得到的F1植株全部為正常植株，而F2代群體則有1/4表現(xiàn)為突變體表型，也說明該突變體由1對(duì)隱性基因控制。王永全[5]觀察dl-5突變體與野生型雜交的F1代表型與野生型一樣，F(xiàn)2代野生型與突變型的比例為3∶1，說明其突變表型是由一對(duì)隱性基因控制。

3 水稻披垂葉突變基因的定位和功能分析

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2個(gè)披垂葉相關(guān)基因DL和DL2，并且已經(jīng)成功克隆DL基因。Nagasawa等[2]通過形態(tài)學(xué)標(biāo)記將突變DL基因定位在水稻3號(hào)染色體上。Huang 等[6]將DL2基因定位在1號(hào)染色體上，這與先前報(bào)道的dl等位基因位于3號(hào)染色體上不同。

3.1 水稻DL基因的定位和功能分析

Nagasawa等[2]通過形態(tài)標(biāo)記把突變基因的DL座位定位于水稻第3染色體短臂上距端粒50 cM的位置，并且與連鎖的分子標(biāo)記相距166cM；Yamaguchi 等[7]通過圖位克隆的方法，進(jìn)行一系列的序列分析，將突變基因定位在3號(hào)染色體大約10 kb的區(qū)域內(nèi)，并發(fā)現(xiàn)DL基因正是目的野生基因；羅瓊等[8]對(duì)W-255突變體進(jìn)行研究，用分子標(biāo)記將控制披垂葉性狀的基因定位在第3染色體短臂上2個(gè)相近的分子標(biāo)記R3156和R3126之間，并把該基因暫時(shí)命名為DL（t），推測(cè)該基因很可能是DL基因家族中一個(gè)新的等位基因；王彬等[9]利用SSR分子標(biāo)記將控制披葉性狀的相關(guān)基因定位在第3染色體上，位于RM563與RM282之間；王楠等[4]將dl（t）控制披葉性狀的基因定位在第3染色體RM6038和RM7576之間，分別相距3.99、0.47 cM，且與RM3124共分離。

通過進(jìn)一步的序列分析得出，DL基因大約7.4 kb堿基，包括7個(gè)外顯子和它們之間的6個(gè)內(nèi)含子（圖1）。CDS全長(zhǎng)為591 bp，編碼196個(gè)氨基酸組成的假定的一個(gè)YABBY蛋白域及一個(gè)鋅指結(jié)合域。

水稻披垂葉基因（DL）在水稻植株發(fā)育過程中有重要的作用，并且與水稻葉片中脈的形成及花中心皮的特化密切相關(guān)[7]。DL基因編碼一種假定的轉(zhuǎn)錄因子，含有鋅指蛋白和螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域。分子克隆揭示了DL基因是YABBY基因家族的一員，像YABBY基因家族的其他成員一樣，DL基因包含許多內(nèi)含子和外顯子[10]，而且與擬南芥CRABS CLAW（CRC）基因密切相關(guān)?；蜉p或重的dl 等位基因都導(dǎo)致水稻中脈不能形成。對(duì)dl突變體進(jìn)行表型分析，同時(shí)結(jié)合空間表達(dá)式模式和DL基因的異位表達(dá)，證明DL基因通過促進(jìn)細(xì)胞增殖調(diào)控水稻葉片中心區(qū)域的中脈形成。

大量的科研報(bào)道已經(jīng)指出，許多水稻披垂葉突變體都是在DL基因處發(fā)生的等位突變，目前為止已經(jīng)有10多個(gè)DL基因的等位突變被克隆到（表1），像Nagasaw得到的dl-1、dl-2、dl-sup1、dl-sup2等等。這些等位突變分布在這些位點(diǎn)上[8]。由于DL基因功能的多效性，往往會(huì)導(dǎo)致水稻披垂葉以及花器官發(fā)育的異常。

dl-1突變體的花有40%表現(xiàn)異常，雌蕊有3～4個(gè)柱頭，極少數(shù)的花出現(xiàn)雌蕊雄蕊化，結(jié)實(shí)率略低于野生型。dl-2是一種弱等為突變，它的花基本正常，只有少數(shù)花的雌蕊有3個(gè)柱頭，是已發(fā)現(xiàn)的所有花等位突變體中表型最弱的一個(gè)。dl-sup1和dl-sup2的表型幾乎完全相同，它們的雌蕊完全異化為雄蕊，而原來的雄蕊的數(shù)量和位置都沒有受到影響，這些異位雄蕊交替生于原來雌蕊的位置上。

王永全[5]發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的披垂葉突變體dl-5，突變體的表型為雌蕊異化為多輪同軸同側(cè)生長(zhǎng)的葉片狀器官，葉片皮披垂。通過圖位克隆方法將突變基因定位在3號(hào)染色體短臂上21 kb區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域正是DL基因所處的位置。dl-5突變體突變導(dǎo)致基因發(fā)生堿基的替換，鋅指結(jié)構(gòu)域位點(diǎn)發(fā)生突變，導(dǎo)致突變表型。

另外，還有許多DL等位突變體被鑒定到。王軍等[11]將dl-6定位在水稻第3號(hào)色體的短臂上85kb的區(qū)域內(nèi)。它的第1個(gè)外顯子存在1個(gè)單堿基突變，導(dǎo)致野氨基酸發(fā)生突變，即半胱氨酸突變?yōu)榫彼?；同時(shí)突變體dl-6在YABBY 基因的3′端還存在8個(gè)堿基的缺失[11]。GS156S披垂葉突變體是由1對(duì)隱性基因控制的披垂葉突變體，而且基因同樣位于3號(hào)染色體短臂上[12]，并且利用披垂葉標(biāo)記進(jìn)行不育系選育工作[13]。

3.2 水稻DL2披垂葉基因定位和功能分析

Huang等[6]發(fā)現(xiàn)一種新的水稻披垂葉突變體，并將其命名為dl2。通過基因分析證明dl2突變體的垂葉性狀由一對(duì)單隱性基因控制。并且將DL2基因定位在1號(hào)染色體上，位于2個(gè)SSR引物RM1和RM302之間，這與先前報(bào)道的水稻在3號(hào)染色體上的DL基因不同。

Huang等[6]表征了水稻dl2突變體的表型特征。dl2突變等位基因影響了中脈的發(fā)育和葉總脈絡(luò)模式。葉片解剖結(jié)果顯示，dl2突變體的中脈缺少清除細(xì)胞和近軸小維管束，這可能引起水稻披垂葉的表型。dl2葉片含有更多的小葉脈，而且dl2葉片維管束的大小也會(huì)發(fā)生變化。并且，也在dl2的根中發(fā)現(xiàn)類似的解剖學(xué)變化。dl2根的中心維管束處的木質(zhì)部和韌皮部數(shù)量也有所減少。另外，在dl2突變體中，營養(yǎng)體發(fā)育葉發(fā)生相對(duì)的改變，比如葉片長(zhǎng)度變長(zhǎng)，不定根和側(cè)根數(shù)量減少等等。對(duì)dl2進(jìn)行更深層次的研究結(jié)果顯示，dl2維管模式扭曲與一個(gè)有缺陷的PAT（極性運(yùn)輸）活性和對(duì)不同種類的極性生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑的敏感性有關(guān)[15]。

葉片維管系統(tǒng)分化和脈絡(luò)模式在運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)和保持植物形態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用，這對(duì)提高光合效率來說也是一個(gè)重要的農(nóng)藝性狀。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無中脈的dl2水稻突變體的葉片維管分化相關(guān)的蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組在全基因組表達(dá)。通過DGE和iTRAQ技術(shù)調(diào)查得到轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)的豐富度差異。轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組表達(dá)譜相關(guān)性不大，但轉(zhuǎn)錄和蛋白水平有適度的相關(guān)性。另外，根據(jù)功能注釋，發(fā)現(xiàn)一些差異表達(dá)的蛋白質(zhì)（DEPs）可能與葉維管模式有關(guān)。

4 展望

水稻披垂葉突變體的垂葉表型是由于控制水稻葉片中脈形成的基因發(fā)生突變引起的。先前的研究報(bào)道指出，許多水稻披垂葉突變體的形成皆是由于多效基因DL基因的突變引起。并且在該基因位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)許多等位突變體。而且也發(fā)現(xiàn)DL基因的不同位點(diǎn)，例如不同的內(nèi)含子外顯子的突變，都有可能引起不同程度的表型突變。不過最近研究又發(fā)現(xiàn)新的基因位點(diǎn)，不同于先前報(bào)道的DL基因位點(diǎn)，不過這一基因還有待進(jìn)一步的研究。這也使水稻披垂葉突變體的研究呈現(xiàn)出更加多樣化的趨勢(shì)，給先前大眾對(duì)披垂葉的研究帶來新的方向。

另外，國內(nèi)外許多報(bào)道指出，許多披垂葉突變體可以通過選育得出具有不育性狀的突變體，由于具有披垂葉這一特殊而又明顯的表型，使得育種更具有定向性，若能夠選育出披葉不育株系，可以提高選育的效率，并且能降低選育的成本，有利于更加有效地進(jìn)行相關(guān)的育種工作。

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