水稻圓?；騌S的鑒定和定位

陳雅萍 繆 榮 劉 喜 陳本佳 蘭 杰 馬騰飛 王益華 劉世家 江 玲

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水稻圓?；虻蔫b定和定位

陳雅萍 繆 榮 劉 喜 陳本佳 蘭 杰 馬騰飛 王益華 劉世家 江 玲*

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 江蘇省植物基因工程技術(shù)研究中心, 江蘇南京 210095

闡明水稻籽粒大小相關(guān)基因的遺傳和分子機(jī)制對(duì)水稻產(chǎn)量形成具有重要意義。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)誘變粳稻品種“寧粳3號(hào)”篩選獲得圓粒突變體()。遺傳分析表明, 突變體圓粒表型由單隱性核基因控制。穎殼掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),籽粒變圓主要是細(xì)胞數(shù)目改變導(dǎo)致的。在突變體中, 細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)較野生型顯著升高。將定位在第3染色體短臂標(biāo)記RM3413與N3-5之間, 物理距離約589 kb。突變影響B(tài)R信號(hào)途徑, 改變了粒型相關(guān)基因的表達(dá)。本研究有助于闡明水稻籽粒發(fā)育的分子機(jī)制。

水稻; 圓粒突變體; 表型分析; 基因定位

水稻產(chǎn)量是一個(gè)復(fù)雜的性狀, 與單株穗數(shù)、每穗粒數(shù)及粒重等有關(guān), 而粒重與粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚等相關(guān)。所以, 優(yōu)化籽粒形狀對(duì)提高水稻產(chǎn)量至關(guān)重要[1]。

參與水稻粒型大小的調(diào)控途徑眾多, 如植物激素、泛素化蛋白酶體途徑、G-蛋白信號(hào)、表觀遺傳學(xué)途徑等。粒長(zhǎng)粒重主效基因?qū)αＶ仄鹭?fù)調(diào)控作用[2];編碼一個(gè)環(huán)型E3泛素連接酶, 位于細(xì)胞質(zhì)中將其底物錨定到蛋白酶體進(jìn)行降解, 可負(fù)調(diào)節(jié)細(xì)胞的分裂[3];通過促進(jìn)細(xì)胞分裂和細(xì)胞膨大調(diào)控籽粒大小[4]; 非洲稻通過調(diào)控外穎和內(nèi)穎縱向細(xì)胞的伸長(zhǎng)控制非洲栽培稻的粒長(zhǎng), 同時(shí)也能調(diào)控種子落粒性[5];位點(diǎn)上17.1-kb的串聯(lián)重復(fù)引起表達(dá)水平上調(diào), 并下調(diào)鄰近負(fù)調(diào)因子表達(dá), 從而增加水稻粒長(zhǎng)并改善稻米外觀品質(zhì)[6];編碼一個(gè)絲氨酸羧肽酶, 正向調(diào)控水稻籽粒大小, 高表達(dá)形成更大的籽粒[7]; HGW作為一個(gè)重要的上游調(diào)控蛋白促進(jìn)抽穗和粒重相關(guān)基因的表達(dá), 很可能直接通過控制水稻籽粒的重量[8];編碼早期籽粒灌漿過程中碳分配所需的細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶,編碼吲哚-3-乙酸(IAA)-葡萄糖水解酶, 影響胚乳合胞體向細(xì)胞期的轉(zhuǎn)變, 二者都調(diào)節(jié)灌漿過程中的源-庫(kù)關(guān)系, 從而影響最終的粒重[9-10];基因座上的等位基因變異是其啟動(dòng)子中的10 bp缺失, 顯著降低了基因的表達(dá)水平并因此降低了谷粒寬度[11];編碼一個(gè)鈣調(diào)素結(jié)合蛋白, 與糖原合酶激酶GSK2互作并抑制GSK2激酶活性。GW5抑制GSK2的自磷酸化及GSK2對(duì)OsBZR1和DLT的磷酸化, 影響細(xì)胞核中未磷酸化的OsBZR1和DLT蛋白的積累, 從而調(diào)節(jié)油菜素內(nèi)酯響應(yīng)基因的表達(dá)[12]。水稻粒型基因中除與粒型相關(guān)的主效QTL外, 還有許多與作物的生長(zhǎng)發(fā)育及激素傳導(dǎo)相關(guān)的基因也影響粒型, 如、、、、等[13-17]。

本研究利用EMS誘變“寧粳3號(hào)”篩選到一個(gè)籽粒變圓且穩(wěn)定遺傳的突變體()。從表型、生理特性、遺傳方式等方面對(duì)鑒定, 明確了其遺傳特性, 并對(duì)突變基因進(jìn)行了精細(xì)定位。對(duì)的研究有利于進(jìn)一步加深人們對(duì)水稻粒型調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí), 為完善水稻粒型的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

利用與“寧粳3號(hào)”雜交構(gòu)建遺傳分析群體, 對(duì)F1和F2植株進(jìn)行表型觀察與統(tǒng)計(jì)。以與“滇粳優(yōu)”雜交構(gòu)建F2遺傳分離群體, 用于基因定位。

1.2 突變體表型考察

將野生型和在同一時(shí)期種植于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土橋?qū)嶒?yàn)基地。在成熟期分別測(cè)定野生型和的株高、穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)等主要農(nóng)藝性狀。利用萬深SC-G自動(dòng)考種分析儀測(cè)定粒長(zhǎng)、粒寬、千粒重, 重復(fù)3次, 隨機(jī)取20個(gè)單株測(cè)定株高等農(nóng)藝性狀。

1.3 穎殼掃描電鏡觀察

取野生型和抽穗后的穎殼, 將其固定在2.5%戊二醛溶液中, 抽真空1 h, 室溫避光放置48 h, 而后利用掃描電鏡(S-3000N, Hitachi, Tokyo, Japan)觀察穎殼外表皮細(xì)胞。

1.4 基因定位

成熟期從與“滇粳優(yōu)”構(gòu)建的F2群體中選取與突變體粒型一致的極端個(gè)體220株, 采用CTAB法提取葉片DNA, 用于基因型分析。從實(shí)驗(yàn)室已有的分子標(biāo)記中, 篩選突變體與“滇粳優(yōu)”之間有多態(tài)性的標(biāo)記, 最終篩選到均勻分布于12條染色體的有多態(tài)性標(biāo)記256對(duì)。利用F2群體中的10個(gè)極端個(gè)體進(jìn)行基因型和表型連鎖分析, 確定與目的基因連鎖的分子標(biāo)記, 再進(jìn)一步擴(kuò)大極端個(gè)體數(shù)量進(jìn)行精細(xì)定位。精細(xì)定位引物序列見表1。

表1 用于精細(xì)定位的分子標(biāo)記

1.5 油菜素內(nèi)酯(BR)處理

選取野生型和的飽滿種子各100粒, 經(jīng)浸種與催芽, 選發(fā)芽一致的播種, 在30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d, 培養(yǎng)條件為14 h光照/10 h黑暗, 待小苗長(zhǎng)至三葉期后, 剪取包含第二葉的葉片、葉枕和葉鞘的2 cm區(qū)段于不同濃度梯度(0、0.1、1.0 μmol L–1)的BR溶液中浸泡, 在光照條件下30℃處理2 d后, 用量角器測(cè)量葉夾角, 并照相。

1.6 qRT-PCR分析

用總RNA提取試劑盒(康為世紀(jì)生物科技有限公司)提取和野生型幼苗葉片的總RNA, 用DU800分光光度計(jì)檢測(cè)RNA的濃度及質(zhì)量, 用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA的完整性。取2 μg RNA作模板, 用SuperScript II Kit試劑盒(TaKaRa公司)反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。利用qRT-PCR分析及野生型中粒型相關(guān)基因、細(xì)胞周期相關(guān)基因、油菜素內(nèi)酯合成和信號(hào)途徑相關(guān)基因的表達(dá)水平。以()為內(nèi)參基因, 擴(kuò)增反應(yīng)在 7900HT Real-time PCR儀(Applied Biosystems)進(jìn)行。10 μL實(shí)時(shí)熒光定量PCR體系含cDNA模板2 μL、2× SYBRSelect Master Mix (TOYOBO) 5 μL、正反引物(10 μmol L–1)各0.3 μL, ddH2O補(bǔ)足10 μL。Real-time PCR程序?yàn)?0℃反應(yīng)30 s, 95℃反應(yīng)5 s, 60℃反應(yīng)34 s, 40個(gè)循環(huán)。待擴(kuò)增反應(yīng)結(jié)束后, 利用7900HT Real-time PCR儀(Applied Biosystems)自帶的軟件分析Ct值, 計(jì)算出目的基因的表達(dá)量。采用2–ΔΔCt方法分析基因表達(dá), 設(shè)置3個(gè)生物重復(fù)。相關(guān)基因所用引物序列參照文獻(xiàn)[18-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體rs的表型鑒定

與野生型相比, 突變體的粒長(zhǎng)變短、粒寬變大, 粒厚增加, 籽粒顯著變圓(圖1-B, C; 表2), 粒長(zhǎng)、粒寬分別為6.39 mm和2.58 mm (圖1-D, E), 為野生型的85.1%和114.4%。此外, 突變體的千粒重相對(duì)于野生型降低了約11.6% (圖1-F), 結(jié)實(shí)率比野生型下降, 但在株高、穗長(zhǎng)等方面差異不顯著(圖1-A和表2)。

2.2 突變性狀的遺傳分析

為明確水稻圓粒突變體的遺傳特性, 對(duì)與野生型進(jìn)行正、反交試驗(yàn)。正交與反交F1單株均表現(xiàn)與野生型類似的表型, 說明圓粒是受隱性核基因控制的。通過對(duì)各組合F2代分離群體調(diào)查發(fā)現(xiàn), F2群體的單株可分為兩類, 一類表型正常, 另一類與突變體表型相似, 且野生型和突變表型的單株在F2群體中的分離比符合3∶1 (表3), 表明的突變表型是由單隱性核基因控制。

圖1 野生型和突變體rs的表型

A: 野生型和在抽穗期植株表現(xiàn), 比例尺為10 cm。B, C: 野生型和糙米籽粒表現(xiàn)。比例尺為6 mm。D, F: 野生型和粒長(zhǎng)、粒寬與千粒重比較。**代表突變體與野生型之間在= 0.01水平上差異顯著。

A: plants of the wild type and themutant at heading stage. Bar = 10 cm. B, C: grain phenotypes of the wild type and. Bar = 6 mm. D, F: comparisons of grain length, width, and the 1000-grain weight. ** Significant difference at= 0.01 level between the wild type and the mutant.

表2 野生型和rs的農(nóng)藝性狀比較

**在= 0.01 水平上差異顯著。

**Significantly difference at= 0.01.

表3 突變體rs的遺傳分析

χ2(0.05, 1)= 3.84. WT: wild type

2.3 穎殼外表皮細(xì)胞掃描電鏡觀察

水稻籽粒大小通常由穎殼細(xì)胞大小和細(xì)胞數(shù)目的多少?zèng)Q定。為了明確導(dǎo)致圓粒表型的原因, 對(duì)和野生型成熟籽粒穎殼的外表皮細(xì)胞進(jìn)行掃描電鏡觀察(圖2-A, B)。相比野生型,的細(xì)胞長(zhǎng)度與寬度無顯著差異(圖2-C, D), 然而, 突變體和野生型細(xì)胞數(shù)目差異顯著, 即縱向細(xì)胞數(shù)目減少約16.33% (圖2-E), 橫向細(xì)胞數(shù)目增加約15.38% (圖2-F)。綜上,籽粒變圓的原因主要是細(xì)胞數(shù)目改變。

2.4 細(xì)胞周期相關(guān)基因表達(dá)分析

細(xì)胞分裂是指活細(xì)胞為增殖其數(shù)量由一個(gè)細(xì)胞分裂為兩個(gè)細(xì)胞的過程, 細(xì)胞數(shù)目的變化通常與細(xì)胞分裂的改變有關(guān)。為確定突變體細(xì)胞數(shù)目的變化是否與細(xì)胞分裂相關(guān), 利用qRT-PCR分析細(xì)胞周期相關(guān)基因在野生型和中的表達(dá)水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相比野生型, 多數(shù)與細(xì)胞周期相關(guān)的基因在突變體中顯著上調(diào), 如(圖3)。綜上, 突變體圓?？赡苁桥c細(xì)胞周期的變化有關(guān)。

圖2 穎殼組織學(xué)分析

A, B: 掃描電鏡觀察穎殼外表皮。比例尺為200 μm。C, D: 穎殼外表皮細(xì)胞長(zhǎng)度與寬度的比較。E, F: 穎殼外表皮細(xì)胞數(shù)目的比較。 *和**分別表示在= 0.05與=0.01水平上差異顯著。

A, B; scanning electron microscope analysis of the outer surfaces of glumes. Bar=200 μm. C, D: comparison of cell length and width in outer glumes. E, F: comparison of cell number in outer glumes. Data are given as means ± SD. *= 0.05; **= 0.01.

圖3 細(xì)胞周期相關(guān)基因(CycA2;1、CycD4、E2F2、CycT1、CDKB、CDKA1、CycA2;2、Cdc20和CycA2;3)在野生型與rs中的表達(dá)分析

數(shù)據(jù)結(jié)果為3次生物重復(fù)平均值, *和**分別表示在= 0.05與0.01水平上差異顯著。

Values are mean±SD (= 3). * and ** indicate significant differences between WT andat= 0.05 and= 0.01 by Student’s-test.

2.5 基因定位

為分離基因, 構(gòu)建和“滇粳優(yōu)”秈粳雜交F2群體, 利用10個(gè)具有典型突變性狀的F2單株和覆蓋水稻12條染色體的SSR標(biāo)記進(jìn)行初步連鎖分析, 將突變基因初步定位于第3染色體標(biāo)記RM3413和N3-10之間, 兩者物理距離約為1116 kb。而后利用220個(gè)F2突變單株并開發(fā)新的InDel標(biāo)記對(duì)目的基因進(jìn)行精細(xì)定位。最終將目標(biāo)基因定位在標(biāo)記RM3413和N3-5間, 物理距離約589 kb (圖4)。根據(jù)Gramane和RiceData等網(wǎng)站預(yù)測(cè), 該區(qū)間內(nèi)共有85個(gè)開放閱讀框(ORF)分別為β-膨脹素前體、編碼假定的蛋白、編碼類似于EL2蛋白、編碼含有同源框結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)、編碼類似于轉(zhuǎn)錄因子同系物BTF3樣蛋白質(zhì)、編碼肽酶、編碼胰蛋白酶樣絲氨酸和半胱氨酸結(jié)構(gòu)域蛋白以及編碼未知功能的DUF791家族蛋白等。在該區(qū)間內(nèi)未見已克隆的與籽粒大小相關(guān)基因的報(bào)道。因此, 推測(cè)可能是與粒型相關(guān)的新基因。

2.6 油菜素內(nèi)酯(BR)處理

為檢測(cè)是否與油菜素內(nèi)酯合成或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān), 利用油菜素內(nèi)酯2,4-epiBL處理野生型和幼苗來檢測(cè)其對(duì)BR敏感性。由圖5-A可以看出, 野生型的葉夾角隨著BR濃度升高呈增大趨勢(shì)且增大幅度明顯, 當(dāng)2,4-epiBL的濃度達(dá)到1 μmol L–1時(shí), 葉夾角為128.5°, 表現(xiàn)為下垂?fàn)顟B(tài)。然而, 隨2,4-epiBL的濃度升高, 突變體葉夾角的增大趨勢(shì)減緩, 當(dāng)2,4-epiBL的濃度達(dá)到1 μmol L–1時(shí), 葉夾角為96.25°, 表現(xiàn)為敏感性降低(圖5-B)。另外, 利用qRT-PCR分析與油菜素內(nèi)酯合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因在野生型和中的表達(dá)水平表明, 多數(shù)與BR合成和信號(hào)相關(guān)基因(、、、、)的表達(dá)呈下調(diào)趨勢(shì)(圖5-C), 而油菜素內(nèi)酯合成限速酶基因、油菜素內(nèi)酯信號(hào)相關(guān)基因、受到負(fù)反饋調(diào)節(jié), 其表達(dá)呈顯著上調(diào)。由此推斷,的突變影響B(tài)R合成途徑和信號(hào)途徑。

圖4 RS基因的精細(xì)定位

黑色圓圈表示著絲粒; 粗豎線表示共分離標(biāo)記; 標(biāo)記下方的數(shù)字為極端個(gè)體的數(shù)目。

The black circle means the centromere; the thick vertical line means a co-segregate marker; the number under the markers means the number of extreme individuals.

2.7 粒型基因的表達(dá)分析

水稻粒型受復(fù)雜分子網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控, 目前在水稻中已經(jīng)報(bào)道了一些參與調(diào)控籽粒大小的基因, 如、、、、、、、。為探究與這些粒型調(diào)控因子的相互關(guān)系, 我們對(duì)這些基因在野生型與突變體中的表達(dá)進(jìn)行了qRT-PCR分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相比野生型,、、等基因在中表達(dá)上調(diào),、、等基因表達(dá)下調(diào)(圖6), 這暗示的突變影響了粒型相關(guān)基因的表達(dá)。調(diào)控水稻粒型的具體分子機(jī)制將是后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖5 野生型和突變體rs對(duì)2,4-epiBL處理的響應(yīng)

A: 不同2,4-epiBL濃度處理, 上面為野生型, 下面為。B: 不同2,4-epiBL濃度處理葉夾角的變化。C: 野生型和中BR合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑基因的表達(dá)水平。**分別代表突變體與野生型之間差異達(dá)0.01顯著水平。

A: performance of lamina joint to 2,4-epiBL in wild-type (up) and(down). B: changes of lamina inclination to 2,4-epiBL. C: expression levels of BR synthesis and signal transduction pathway genes in the wild type and** Significant difference at the 0.01 level between wild type and

(圖6)

*與**分別表示在= 0.05與0.01水平上差異顯著。*= 0.05; **=0.01.

3 討論

本研究通過EMS誘變的方法從“寧粳3號(hào)”為背景的突變體庫(kù)中篩選到一個(gè)籽粒變圓的突變體。相關(guān)研究指出器官大小由細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞大小共同決定, 與之對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)基本過程, 即細(xì)胞增殖和細(xì)胞擴(kuò)張[20-21]。而細(xì)胞增殖和細(xì)胞擴(kuò)張與植物體內(nèi)激素含量相關(guān)。調(diào)控水稻粒重的編碼IAA-葡萄糖水解酶, 通過控制IAA供應(yīng)影響合胞體到細(xì)胞化階段的轉(zhuǎn)變, 從而限制了細(xì)胞數(shù)目和籽粒長(zhǎng)度[22]。是生長(zhǎng)素的原初響應(yīng)基因, 參與調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn), 是生長(zhǎng)素響應(yīng)和轉(zhuǎn)運(yùn)的正調(diào)控因子, 是植物特異的控制器官大小的調(diào)節(jié)因子[14]。是一個(gè)BR信號(hào)受體, 通過控制細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng), 調(diào)控器官發(fā)育[23]。油菜素內(nèi)酯是一種新型植物內(nèi)源激素, 是第一個(gè)被分離出的具有活性的油菜素甾族化合物(brassinosteroids, BRs), 在自然界中已發(fā)現(xiàn)超過70種BR[24], 目前育種研究工作者已篩選出一些參與BR調(diào)控途徑相關(guān)的突變體[25-26]。相比野生型,對(duì)外源BR敏感性降低, BR信號(hào)相關(guān)基因、與在突變體中顯著下調(diào), 而BR合成基因受負(fù)反饋調(diào)節(jié)而表達(dá)上調(diào), 說明的突變影響了植株體內(nèi)正常的BR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。細(xì)胞學(xué)觀察顯示細(xì)胞數(shù)目的改變是導(dǎo)致籽粒變圓的原因, 遺傳分析表明該突變受隱性單基因控制, 并將精細(xì)定位于第3染色體短臂末端, 位于標(biāo)記RM3413和N3-5之間大約589 kb的區(qū)間內(nèi), 而第3染色體上已報(bào)道的控制粒型的相關(guān)基因、等均不在該區(qū)間內(nèi), 提示可能是一個(gè)新的控制粒型的基因。

植物激素對(duì)種子大小起著直接或間接的作用, 尤其是油菜素內(nèi)酯和生長(zhǎng)素。如是一個(gè)BR信號(hào)受體, 在植物生長(zhǎng)和發(fā)育中起著重要作用, 通過控制細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng), 調(diào)控器官發(fā)育[27]。參與油菜素內(nèi)酯生物合成, 過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致粒長(zhǎng)、粒寬增加, 同時(shí)會(huì)引起發(fā)育的花藥和種子中糖的積累[28]。是油菜素內(nèi)酯信號(hào)傳導(dǎo)的下游信號(hào)分子, 干擾抑制表達(dá), 導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)生矮稈、直立葉的表型, BR敏感性降低且BR應(yīng)答基因表達(dá)發(fā)生改變[29]。因此, 對(duì)基因進(jìn)行克隆和功能研究, 可能為闡明BR調(diào)控水稻籽粒大小的分子網(wǎng)絡(luò)提供新的線索。

可能影響與的表達(dá), 來控制水稻籽粒大小。是籽粒大小的正向調(diào)控因子, 其突變會(huì)產(chǎn)生小粒[7]。參與生長(zhǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn), 正向調(diào)控籽粒大小, 其功能性獲得突變體粒長(zhǎng)和粒寬分別增加15.2%和17.0%[14]。相比野生型, 粒型基因與的表達(dá)水平在突變體中顯著下調(diào)。突變體的表型可能與和表達(dá)下調(diào)有關(guān)。因此, 需要進(jìn)一步克隆基因, 并進(jìn)行功能分析, 闡述的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò), 為調(diào)控水稻粒型的分子育種提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

鑒定了一個(gè)圓粒突變體, 相比野生型,籽粒變圓, 而其他農(nóng)藝性狀無顯著差異。對(duì)外源BR處理敏感性降低。細(xì)胞數(shù)目的改變是導(dǎo)致籽粒變圓的原因。突變是由1對(duì)隱性基因控制,該基因被定位在第3染色體標(biāo)記RM3413和N3-5之間, 共包含80個(gè)ORFs。突變影響B(tài)R合成途徑和信號(hào)途徑, 改變了粒型相關(guān)基因的表達(dá)。

致謝：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游粳稻生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、長(zhǎng)江流域雜交水稻協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)中心。

[1] Xing Y, Zhang Q. Genetic and molecular bases of rice yield., 2010, 61: 421–442.

[2] Mao H, Sun S, Yao J, Wang C, Yu S, Xu C, Li X, Zhang Q. Linking differential domain functions of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice.2010, 107: 19579–19584.

[3] Song X J, Huang W, Shi M, Zhu M Z, Lin H X. A QTL for rice grain width and weight encodes a previously unknown RING- type E3 ubiquitin ligase., 2007, 39: 623–630.

[4] Hu J, Wang Y, Fang Y, Zeng L, Xu J, Yu H, Shi Z, Pan J, Zhang D, Kang S, Zhu L, Dong G, Guo L, Zeng D, Zhang G, Xie L, Xiong G, Li J, Qian Q. A rare allele ofenhances grain size and grain yield in rice., 2015, 8: 1455–1465.

[5] Wu W, Liu X, Wang M, Meyer R S, Luo X, Ndjiondjop M N, Tan L, Zhang J, Wu J, Cai H, Sun C, Wang X, Wing RA, Zhu Z. A single-nucleotide polymorphism causes smaller grain size and loss of seed shattering during African rice domestication., 2017, 3: 17064–17071.

[6] Wang Y, Xiong G, Hu J, Jiang L, Yu H, Xu J, Fang Y, Zeng L, Xu E, Xu J, Ye W, Meng X, Liu R, Chen H, Jing Y, Wang Y, Zhu X, Li J, Qian Q. Copy number variation at thelocus contributes to grain size diversity in rice., 2015, 47: 944–952.

[7] Xu C, Liu Y, Li Y, Xu X, Xu C, Li X, Xiao J, Zhang Q. Differential expression ofregulates grain size in rice., 2015, 66: 2611–2634.

[8] Li J, Chu H, Zhang Y, Mou T, Wu C, Zhang Q, Xu J. The ricegene encodes a ubiquitin-associated (UBA) domain protein that regulates heading date and grain weight., 2012, 7: e34231.

[9] Wang E, Wang J, Zhu X, Hao W, Wang L, Li Q, Zhang L, He W, Lu B, Lin H, Ma H, Zhang G, He Z. Control of rice grain-filling and yield by a gene with a potential signature of domestication., 2008, 40: 1370–1374.

[10] Ishimaru K, Hirotsu N, Madoka Y, Murakami N, Hara N, Onodera H, Kashiwagi T, Ujiie K, Shimizu B, Onishi A, Miyagawa H, Katoh E. Loss of function of the IAA-glucose hydrolase geneenhances rice grain weight and increases yield., 2013, 45: 707–711.

[11] Wang S, Wu K, Yuan Q, Liu X, Liu Z, Lin X, Zeng R, Zhu H, Dong G, Qian Q, Zhang G, Fu X. Control of grain size, shape and quality byin rice., 2012, 44: 950–954.

[12] Liu J, Chen J, Zheng X, Wu F, Lin Q, Heng Y, Tian P, Cheng Z, Yu X, Zhou K, Zhang X, Guo X, Wang J, Wang H, Wan J M.acts in the brassinosteroid signaling pathway to regulate grain width and weight in rice., 2017, 3: 17043–17080.

[13] Hong Z, Ueguchi-Tanaka M, Umemura K, Uozu S, Fujioka S, Takatsuto S, Yoshida S, Ashikari M, Kitano H, Matsuoka M. A rice brassinosteroid-deficient mutant,(), is caused by a loss of function of a new member of cytochrome P450., 2003, 15: 2900–2910.

[14] Liu L, Tong H, Xiao Y, Che R, Xu F, Hu B, Liang C, Chu J, Li J, Chu C. Activation ofsignificantly improves grain size by regulating auxin transport in rice., 2015, 112: 11102–11107.

[15] Abbasi F, Onodera H, Toki S, Tanaka H, Komatsu S., a calcium-dependent protein kinase gene from rice, is induced in response to cold and gibberellin in rice leaf sheath., 2004, 55: 541–552.

[16] Yamamuro C, Ihara Y, Wu X, Noguchi T, Fujioka S, Takatsuto S, Ashikari M, Kitano H, Matsuoka M. Loss of function of a ricehomolog prevents internode elongation and bending of the lamina joint., 2000, 12: 1591–1605.

[17] Liu S, Hua L, Dong S, Chen H, Zhu X, Jiang J, Zhang F, Li Y, Fang X, Chen F., a mitogen-activated protein kinase, influences rice grain size and biomass production., 2015, 84: 672–681.

[18] Xia K, Ou X, Tang H, Wang R, Wu P, Jia Y, Wei X, Xu X, Kang S H, Kim S K, Zhang M. Rice microRNAtargets the obtusifoliol 14α-demethylase geneand mediates the biosynthesis of phytosterols and brassinosteroids during development and in response to stress.2015, 208: 790–802.

[19] Zhang S, Wu T, Liu S, Liu X, Jiang L, Wan J. Disruption ofis critical for floral organ development and plant architecture in rice (L.).2016, 34: 748–760.

[20] Horiguchi G, Ferjani A, Fujikura U, Tsukaya H. Coordination of cell proliferation and cell expansion in the control of leaf size in., 2006, 119: 37–42.

[21] Horvath B M, Magyar Z, Zhang Y, Hamburger A W, Bako L, Visser R G, Bachem C W, Bogre L.regulates organ size through cell growth and proliferation in plants., 2006, 25: 4909–4920.

[22] Ishimaru K, Hirotsu N, Madoka Y, Murakami N, Hara N, Onodera H, Kashiwagi T, Ujiie K, Shimizu B, Onishi A, Miyagawa H, Katoh E. Loss of function of the IAA-glucose hydrolase geneenhances rice grain weight and increases yield., 2013, 45: 707–718.

[23] Nakamura A, Matsuoka M. The role ofand its homologous genes,and, in rice., 2006, 140: 580–590.

[24] Andrzej B. Metabolism of brassinosteroids in plants., 2007, 45: 95–107.

[25] Hong Z, Ueguchitanaka M, Shimizusato S, Inukai Y, Fujioka S, Shimada Y, Takatsuto S, Agetsuma M, Yoshida S, Watanabe Y, Uozu S, Kitano H, Ashikari M, Matsuoka M. Loss-of-function of a rice brassinosteroid biosynthetic enzyme, C-6 oxidase, prevents the organized arrangement and polar elongation of cells in the leaves and stem., 2002, 32: 495–508.

[26] Sakamoto T, Morinaka Y, Inukai Y, Kitano H, Fujioka S. Auxin signal transcription factor regulates expression of the brassinosteroid receptor gene in rice., 2013, 73: 676–688.

[27] Gui J, Zheng S, Liu C, Shen J, Li J, Li L. OsREM4.1 interacts with OsSERK1 to coordinate the interlinking between abscisic acid and brassinosteroid signaling in rice., 2016, 38: 201–214.

[28] Zhu X, Liang W, Cui X, Chen M, Yin C, Luo Z, Zhu J, Lucas W J, Wang Z, Zhang D. Brassinosteroids promote development of rice pollen grains and seeds by triggering expression of, a MYB domain protein., 2015, 82: 570–581.

[29] Bai M Y, Zhang L Y, Gampala S S, Zhu S W, Song W Y, Chong K, Wang Z Y. Functions of OsBZR1and 14-3-3 proteins in brassinosteroid signaling in rice., 2007, 104: 13839–13844.

Identification and mapping of round seed related gene in rice (L.)

CHEN Ya-Ping, MIAO Rong, LIU Xi, CHEN Ben-Jia, LAN Jie, MA Teng-Fei, WANG Yi-Hua, LIU Shi-Jia, and JIANG Ling*

State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement / Research Center of Jiangsu Plant Gene Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China

It is significant to clarify the genetic and molecular mechanism of genes related to rice grain size for rice yield. A mutant() was screened fromvariety “Ningjing 3” mutagenized by ethyl methane sulfonate (EMS). Genetic analysis revealed that the phenotype ofwas controlled by a single recessive nuclear gene. Scanning electron microscope observation indicated that the change of cell number was responsible for the mutant phenotype of. Compared with the wild type, the expression of cell cycle related-genes increased significantly in.was located in the 589 kb region of chromosome 3, between markers RM3413 and N3-5. Themutation affected BR signal pathway, and changed the expression of grain size-related genes. This research contributes to elucidating the molecular mechanism of rice grain development.

rice (L.); round seed mutant; phenotypic analysis; gene mapping

2018-06-07;

2018-10-08;

2018-11-01.

10.3724/SP.J.1006.2019.82032

通信作者(Corresponding author): 江玲, E-mail: jiangling@njau.edu.cn

E-mail: 11115225@njau.edu.cn

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0100101-08), 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(91535302)和國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(201710307014)。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0100101-08), the Key Projects of National Natural Science Foundation (91535302), and the National University Student Innovation Program (201710307014).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20181030.1120.004.html