[目的]水稻穗顶端退化严重影响产量,鉴定与克隆水稻穗顶端退化相关基因,可以丰富水稻穗发育调控的分子机理,为水稻高产分子设计育种提供理论基础和基因资源.[方法]从粳稻品种武运粳30号EMS突变体库筛选到一份稳定遗传的穗顶端退化突变体panicle apical abortion 21(paa21).对退化一次枝梗比例、每穗退化粒数占比、每穗粒数、株高、穗长、单株产量等农艺性状进行统计.使用台盼蓝和伊文思蓝染色检测顶端小穗是否发生程序性细胞死亡.测定WT和paa21不同发育时期幼穗和不同穗部位的H2O2含量.paa21分别与籼稻Ⅱ-32B、9311正反交进行遗传分析.利用paa21与籼稻Ⅱ-32B杂交构建的F2群体进行基因定位和克隆.使用SWISS-MODEL网站预测野生型和突变体蛋白的三维结构.利用RT-qPCR分析ROS响应标志基因、程序性细胞死亡相关基因、过氧化氢酶相关基因的表达量.[结果]paa21突变体发生严重的穗顶端退化,统计paa21所有一次枝梗退化情况,发现退化小穗主要位于顶端的一次枝梗上.与WT相比,paa21的株高、每穗粒数、穗长和单株产量均降低.通过观察不同发育时期的幼穗,发现在paa21突变体幼穗发育至12 cm时,可见穗顶端退化表型.台盼蓝和伊文思蓝染色结果表明突变体顶端小穗发生程序性细胞死亡.在退化的paa21顶端小穗中观察到更强烈的DAB染色;H2O2含量测定结果表明,与WT相比,paa21穗中积累更高水平的ROS.遗传分析表明paa21突变表型受一对隐性核基因控制.图位克隆结果发现paa21中Os02g0673100第二外显子发生一个C到T的突变,导致丙氨酸突变为缬氨酸.该基因编码一个铝激活的苹果酸转运蛋白ALMT7.突变位点位于第4个跨膜螺旋上.SWISS-MODEL预测结果表明,该突变位点并未对突变体蛋白三维结构造成明显影响.RT-qPCR结果表明,在幼穗发育至10 cm时,paa21中ROS响应标志基因Os01g0826400、Os05g0474800和Os02g0181300,程序性细胞死亡相关基因VPE2和VPE3,过氧化氢酶编码基因CATA、CATB、CATC的表达量较WT大幅升高.此外,paa21 10 cm幼穗中过氧化氢酶(CAT)的活性较WT明显下降.[结论]paa21幼穗在发育后期顶端小穗中积累过量的ROS,产生程序性细胞死亡,最终导致顶端小穗发生退化.

水稻;穗顶端退化;活性氧;程序性细胞死亡

赫磊;路凯;赵春芳;姚姝;周丽慧;赵凌;陈涛;朱镇;赵庆勇;梁文化;王才林;朱丽;张亚东

江苏省农业科学院粮食作物研究所/国家耐盐碱水稻技术创新中心华东中心/江苏省优质水稻工程技术研究中心/国家水稻改良中心南京分中心/江苏省农业生物学重点实验室,南京210014;中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室,杭州310006

中国农业科学

[1]赫磊;路凯;赵春芳;姚姝;周丽慧;赵凌;陈涛;朱镇;赵庆勇;梁文化;王才林;朱丽;张亚东-.水稻穗顶端退化突变体paa21的表型分析及基因克隆)[J].中国农业科学,2022(24):4781-4792

穗顶端退化,paa21,Os02g0673100,ALMT7,Os01g0826400,Os05g0474800,Os02g0181300,VPE2,VPE3,CATB

稻穗,表型分析,基因克隆,富水,发育调控,分子机理,水稻高产,分子设计育种,基因资源,粳稻品种,EMS,突变体库,稳定遗传,panicle,apical,abortion,枝梗,数占,每穗粒数,株高,穗长,单株产量,农艺性状,台盼蓝,伊文思蓝,蓝染,程序性细胞死亡,WT,不同发育时期,穗部,H2O2,籼稻,32B,正反交,交进,遗传分析,F2,基因定位,SWISS,MODEL,野生型,三维结构,qPCR,ROS,应标,标志基因,过氧化氢酶,通过观察,幼穗发育,染色结果,DAB,含量测定,测定结果,更高水平,突变表型,图位克隆,二外,外显子,丙氨酸,缬氨酸,基因编码,苹果酸,转运蛋白,突变位点,编码基因,CATA,CATC

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