水稻高溫敏感側(cè)根缺失突變體k209的鑒定和基因定位

林靜霞，王毅哲，梁人尹，劉 燁，丁沃娜，朱世華，鄭文娟*

(1 寧波大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江寧波 315211；2 寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315212)

根系是水稻吸收水分、養(yǎng)分、固定和支持植株的器官，發(fā)達(dá)的根系對(duì)植株維持正常的生理功能及抵抗不良環(huán)境具有重要的作用。側(cè)根作為水稻胚后發(fā)育的重要器官，在水稻根構(gòu)型的建立中起著重要的作用，它能夠大幅度增加根系的吸收面積[1]。水稻的側(cè)根發(fā)生源自臨近原生韌皮部的中柱鞘細(xì)胞的分裂，研究表明側(cè)根發(fā)生的位置并不完全由遺傳因素決定，也受外界環(huán)境條件的影響。側(cè)根的數(shù)量、分布及發(fā)育狀況的好壞直接影響其對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收，從而改變植株在各種環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況，最終影響作物產(chǎn)量以及質(zhì)量[2]?，F(xiàn)階段對(duì)水稻的側(cè)根發(fā)育機(jī)制了解還很少，目前已經(jīng)報(bào)道了一些水稻側(cè)根發(fā)育相關(guān)突變體[3]，但經(jīng)過(guò)功能鑒定的主要是幾個(gè)水稻生長(zhǎng)素途徑相關(guān)蛋白，如OsAUX1[4]、OsIAA3[5]、OsIAA11[6]、OsIAA13[7]、OsIAA23[8]和OsCYP2[9]等，整體上人們對(duì)水稻側(cè)根發(fā)生、發(fā)育的認(rèn)識(shí)還不是很清楚。

溫度是影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育的最重要因素之一。目前，高溫已經(jīng)成為水稻產(chǎn)量的主要限制因素，隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，高溫脅迫危害水稻生產(chǎn)的問(wèn)題愈發(fā)突出[10-11]。溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)抑制水稻生長(zhǎng)發(fā)育。高溫對(duì)水稻的影響不僅限于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，在其生殖期、花期都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，而這些影響最終會(huì)造成株系不育[12]。溫度對(duì)水稻根系的影響，從作用程度上講，不及肥料與水分，但從功能上講，卻不容忽視。根際溫度影響著根系的生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)及根中各種代謝過(guò)程。溫度對(duì)水稻根系生長(zhǎng)的影響主要表現(xiàn)在生長(zhǎng)前期根系的形成和生長(zhǎng)后期根系的衰竭。

k209是從EMS誘變的秈稻Kasalath突變體庫(kù)中篩選而來(lái)的一個(gè)對(duì)高溫敏感的側(cè)根缺失突變體。該突變體在正常條件下的株高、主根和不定根的表型與野生型Kasalath基本相同，但側(cè)根的數(shù)目與長(zhǎng)度較野生型均有減少；在高溫條件下則與野生型有著顯著的區(qū)別，主要表現(xiàn)為地上部矮化，主根和不定根的伸長(zhǎng)受到不同程度的抑制，最明顯的性狀表現(xiàn)為側(cè)根完全缺失。本研究在突變體k209表型鑒定和遺傳分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了基因定位，最終將K209定位在4號(hào)染色體上，為該基因的克隆和水稻側(cè)根發(fā)育的分子機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 水稻材料與培養(yǎng)條件

水稻高溫敏感側(cè)根缺失突變體k209是由秈稻Kasalath經(jīng)EMS誘變后篩選得到。正常培養(yǎng)條件：光照12 h，相對(duì)濕度70%，白天32 ℃，夜晚22 ℃；高溫培養(yǎng)條件：光照12 h，相對(duì)濕度70%，34 ℃恒溫培養(yǎng)。水稻培養(yǎng)液的配方參照Yoshida等[13]。

1.2 表型分析

將野生型Kasalath和突變體k209的種子用蒸餾水沖洗干凈，以0.6%稀 HNO3破休眠處理16 h，37 ℃暗處催芽約2 d至露白。將露白的種子播于水稻培養(yǎng)液浮著的尼龍網(wǎng)紗上面，在正常和高溫條件下培養(yǎng)7 d后，用照相機(jī)(Nikon D70s)拍攝幼苗全株表型和根部性狀，用標(biāo)尺測(cè)量株高、主根長(zhǎng)和不定根長(zhǎng)，用體式鏡(Leica MZ95，Germany)對(duì)根莖結(jié)合部、主根中段和根尖進(jìn)行拍攝。對(duì)7 d苗齡的野生型Kasalath和突變體k209的主根進(jìn)行亞甲基藍(lán)染色，并用體式鏡拍攝觀(guān)察側(cè)根原基。樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)為20株，3次重復(fù)。

1.3 遺傳分析和定位群體的構(gòu)建

用純合突變體k209作為母本，野生型kasalath為父本雜交獲得F1個(gè)體。F1種子在34 ℃條件下恒溫生長(zhǎng)7 d觀(guān)察其側(cè)根表型；F1自花授粉獲得F2群體，隨機(jī)選取F2群體的種子在34 ℃條件下生長(zhǎng)7 d，統(tǒng)計(jì)野生型表型和突變體表型的分離比并進(jìn)行χ2檢驗(yàn)分析。突變體k209與粳稻Nipponbare雜交，F(xiàn)1自交獲得F2群體，其在34 ℃高溫條件下生長(zhǎng)7 d后分離出來(lái)的側(cè)根缺失植株用于基因定位。

1.4 分子標(biāo)記分析

1.4.1分子標(biāo)記的選擇和設(shè)計(jì)用于基因定位的分子標(biāo)記來(lái)自已公布的SSR序列(http://www.gramene.org/)，每條染色體按照20 cM的遺傳距離較均勻合理地選擇約10個(gè)SSR標(biāo)記進(jìn)行粗定位。根據(jù)已公布的粳稻Nipponbare全基因組序列信息RGP(http://rgp.dna.affrc.go.jp/E/toppage. html)和中國(guó)華大基因研究中心提供的秈稻品種9311全基因組序列比對(duì)，在有差異的序列兩側(cè)設(shè)計(jì)引物，檢測(cè)后選取在親本間條帶有差異的InDel標(biāo)記對(duì)K209進(jìn)行精細(xì)定位。InDel和SSR標(biāo)記引物均由上海生工生物工程有限公司合成。

1.4.2PCR擴(kuò)增采用簡(jiǎn)易TPS法[14]從水稻葉片中提取親本、F1和F2分離群體的DNA。利用PCR擴(kuò)增篩選的分子標(biāo)記，具體的擴(kuò)增體系是：1 μL模板DNA、1 μL 10×PCR buffer、1.2 μL 25 mmol/L MgCl2、0.3 μL 2.5 mmol/L dNTP、0.3 μL 10 μmol/L上下游引物、0.1 μL 5 U/mLTaqDNA聚合酶、5.8 μL超純水。PCR反應(yīng)條件是：94 ℃預(yù)變性4 min；94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，34個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸5 min。

配制聚丙烯酰胺凝膠，待膠凝固后，用3 μL PCR產(chǎn)物點(diǎn)樣，開(kāi)始電泳跑膠。跑完P(guān)AGE膠后用0.1% AgNO3銀染10 min，清水洗凈后，再倒入400 mL顯色液顯色，直至膠呈現(xiàn)黑色條帶。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體的表型鑒定

兩種溫度環(huán)境下培養(yǎng)的野生型Kasalath和突變體k209的7 d幼苗表型觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，k209在正常培養(yǎng)條件下，株高、主根長(zhǎng)、不定根長(zhǎng)均與野生型的基本相同(圖1, a、c)，但側(cè)根數(shù)目變少，只有野生型的64.19%(表1)；而在高溫培養(yǎng)條件下，k209出現(xiàn)了明顯的突變性狀，主要表現(xiàn)為側(cè)根缺失，此外幼苗株高變矮，為野生型的57.18%；主根和不定根的長(zhǎng)度都變短，分別只有野生型的55.46%和44.07%，不定根數(shù)與野生型相比有所增加(圖1, b、d；表1)。在體式鏡下觀(guān)察根部各個(gè)部位的表型可知，正常培養(yǎng)條件下突變體k209的側(cè)根長(zhǎng)度明顯變短，只有野生型的41.12%(圖2和表1)；在高溫條件下，k209的側(cè)根完全缺失(圖2)。

2.2 突變體側(cè)根原基發(fā)生分析

為了了解突變體k209高溫側(cè)根缺失的原因，對(duì)7 d苗齡的野生型Kasalath和突變體k209的幼苗主根進(jìn)行了亞甲基藍(lán)染色觀(guān)察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常條件下，野生型和k209幼苗主根上均可以觀(guān)察到側(cè)根原基以及肉眼可見(jiàn)的側(cè)根，k209的側(cè)根原基數(shù)約為Kasalath的79.28%；在高溫條件下，Kasalath和k209幼苗主根上均可以觀(guān)察到側(cè)根原基，但k209側(cè)根原基數(shù)目明顯少于Kasalath，約為Kasalath的58.03%，且不能突破表皮長(zhǎng)出側(cè)根(圖3和表2)。

2.3 遺傳分析

a．常溫培養(yǎng)下整株表型；b．高溫下整株表型；c．常溫培養(yǎng)下根系表型；d．高溫下根系表型。Bars=2 cm圖1 7 d苗齡的野生型Kasalath與突變體k209的表型a. Seedlings under normal temperature; b. Seedlings under high temperature; c. Roots under normal temperature; d. Roots under high temperature. Bars=2 cmFig.1 Phenotypic characteristics of 7-day-old wild type Kasalath and k209 mutant

溫度Temperature性狀 Trait Kasalathk209與Kasalath比較 Compared Kasalath WT/%常溫Normal temperature(32 ℃/22 ℃)株高Plant height/cm18.93±1.5918.61±1.42-1.69主根長(zhǎng)Primary root length/cm14.95±0.7914.92±0.85-0.20不定根長(zhǎng)Adventitious root length/cm5.27±0.505.89±0.4111.76不定根數(shù)Adventitous root number3.54±0.843.77±0.806.50側(cè)根長(zhǎng)Lateral root length/mm9.07±0.123.73±0.17-58.88側(cè)根數(shù)Lateral root number197.33±10.66126.67±2.49-35.81高溫High temperature(34 ℃)株高Plant height/cm19.15±2.1610.95±1.09-42.82主根長(zhǎng)Primary root length/cm13.27±0.607.36±0.34-44.54不定根長(zhǎng)Adventitious root length/cm5.90±0.212.60±0.46-55.93不定根數(shù)Adventitous root number3.23±0.585.15±0.6659.44側(cè)根長(zhǎng)Lateral root length/mm10.13±0.1700側(cè)根數(shù)Lateral root number188.33±3.4000

注：不定根長(zhǎng)為最長(zhǎng)3根不定根長(zhǎng)度的平均值；側(cè)根長(zhǎng)為最長(zhǎng)3根側(cè)根長(zhǎng)度的平均值

Note：Adventitious root length is the average length of three longest adventitious roots; Lateral root length is the average length of three longest lateral roots

圖2 7 d苗齡的野生型Kasalath與突變體k209的主根體視鏡照 (Bars=1 mm)Fig.2 The primary root of the 7-day-old wild type Kasalath and k209 mutant under stereoscope (Bars=1 mm)

圖3 7 d苗齡的野生型Kasalath和突變體k209主根側(cè)根原基的亞甲基藍(lán)染色Fig.3 Lateral root primordia stained with methylene blue on primary roots of 7-day-old wild type Kasalath and k209 mutant

2.4 突變體基因定位

選用粳稻Nipponbare和突變體雜交獲得的F2群體作為定位群體，提取30株F2側(cè)根缺失突變株的DNA，然后吸取等量DNA至離心管中構(gòu)建一個(gè)突變池。以突變池為模板，Kasalath、Nipponbare和F1為對(duì)照，用181對(duì)現(xiàn)有的SSR序列引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增和聚丙烯酰胺凝膠顯色。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在4號(hào)染色體上的物理位置為11 471 kb的分子標(biāo)記RM16604處混合樣品基因型為野生型Kasalath，解包檢測(cè)結(jié)果為30個(gè)群體重組為零(圖4)，說(shuō)明RM16604可能與K209基因連鎖。

表2 不同溫度條件下7 d苗齡的野生型Kasalath和

注：表中數(shù)據(jù)取3個(gè)不同主根上的側(cè)根原基數(shù)的平均值

Note: The average number of the LRPs of three primary roots

選用RM16604附近的SSR引物和設(shè)計(jì)新的InDel分子標(biāo)記進(jìn)行解包分析(表4)，同時(shí)不斷擴(kuò)大F2突變?nèi)后w進(jìn)行分析，RM16604和11408K分子標(biāo)記處重組子數(shù)目為零。在7522K和11524K處分別檢測(cè)到重組子(圖5)，最終將K209基因定位在標(biāo)記7522K和11524K之間，物理距離大約為4 002 kb，著絲粒正好位于此區(qū)間內(nèi)(圖6)。

3 討 論

植物側(cè)根形成是根系發(fā)育的關(guān)鍵因素，受多方面的影響。與地上部分側(cè)枝的形成相比，側(cè)根形成具有更多的不確定性[15]?，F(xiàn)階段對(duì)禾谷類(lèi)作物側(cè)根發(fā)育的研究還較為滯后，這在一定程度上給開(kāi)展以根系優(yōu)良性狀為目標(biāo)的作物育種等實(shí)際工作造成了困難。因此，對(duì)于水稻等禾谷類(lèi)作物側(cè)根發(fā)生發(fā)育的過(guò)程和調(diào)控機(jī)理的研究極為重要。

表3 突變體k209的遺傳分析

1.Kasalath；2. Nipponbare；3. F1(k209×Nipponbare)；4～25. F2側(cè)根缺失單株圖4 與K209基因連鎖的SSR標(biāo)記RM16604的擴(kuò)增結(jié)果1. Kasalath; 2. Nipponbare; 3. F1(k209×Nipponbare); 4-25. Lateral rootless individuals in the F2 populationFig.4 Amplification of the SSR marker RM16604 linked with the K209 gene

引物名稱(chēng) Primer name上游引物(5′→3′)Forward sequence下游引物(5′→3′)Reverse sequence5304KGATGTCAAACACTCAAACCATCGTTCATCACTTTCTCCAACTCRM3471AGATCCCGACAGATGGTGACAACAGAGGGAGGGAGCAGAG7522KTGTGAGTTCTGATCCTTTATAACTTTTAACTTGTTCCGAG11408KACGGCAAGCGAAGGATTCTAATTTTGGTAGTAGGAAGTCTCTRM16604CGGTACATAATATACGGTCAGGATGCTGGGTATTGCCTAACTGCTTTCC11524KGTATCAATCGAATCCTCATGTCGGATAGACTGGCACTACT

1.Kasalath；2. Nipponbare；3. F1(k209×Nipponbare)；4～25. F2側(cè)根缺失單株；☆.重組單株圖5 標(biāo)記7522K和11524K在Nipponbare/k209 F2群體中分離的部分?jǐn)U增結(jié)果1.Kasalath; 2. Nipponbare; 3. F1(k209×Nipponbare); 4-25. Lateral root loss individuals in F2 population; ☆.RecombinantFig.5 Segregation of markers 7522K and 11524K in partial individuals of the Nipponbare/k209 F2 population

圖6 K209基因在水稻4號(hào)染色體上的分子定位示意圖Fig.6 Schematic diagram of the K209 gene mapped on rice chromosome 4

側(cè)根的發(fā)生大致可以分為起始、原基形成、分生組織形成以及活化等幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)期[16]，內(nèi)在遺傳調(diào)控因子和外在環(huán)境因素共同決定谷物中側(cè)根的形成。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)了一些與水稻側(cè)根生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的突變體，它們主要表現(xiàn)在側(cè)根伸長(zhǎng)受限制以及側(cè)根密度降低。在大多數(shù)情況下，側(cè)根發(fā)生缺失的水稻突變體中其他類(lèi)型的根也會(huì)表現(xiàn)出異常發(fā)育，這恰恰體現(xiàn)了谷類(lèi)根系結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制。本研究中的側(cè)根缺失突變體k209在正常培養(yǎng)溫度(晝32 ℃/夜22 ℃)下的株高、主根長(zhǎng)、不定根長(zhǎng)及不定根數(shù)與野生型相比差異不大，但側(cè)根的數(shù)目與長(zhǎng)度均有減少；在高溫(34 ℃恒溫)條件下突變體幼苗表現(xiàn)為側(cè)根完全缺失，主根和不定根的長(zhǎng)度變短，且株高變矮。通過(guò)亞甲基藍(lán)染色結(jié)果分析表明，在正常培養(yǎng)條件下，野生型和突變體k209的7 d苗齡主根上均能觀(guān)測(cè)到一定數(shù)量的側(cè)根原基以及突破表皮形成的側(cè)根；在高溫條件下，野生型和k209幼苗主根上均可以觀(guān)察到側(cè)根原基，但是k209的側(cè)根原基數(shù)目明顯少于野生型，且不能突破表皮長(zhǎng)出側(cè)根。可見(jiàn)，高溫對(duì)k209的側(cè)根原基的發(fā)生和發(fā)育都有影響。

已有研究表明，生長(zhǎng)素對(duì)側(cè)根發(fā)生發(fā)育的調(diào)控非常關(guān)鍵。在水稻中，編碼Aux/IAA蛋白的OsAUX1[4]、OsIAA3[5]、OsIAA11[6]、OsIAA13[7]和OsIAA23[8]基因突變都導(dǎo)致了其對(duì)應(yīng)的突變體側(cè)根發(fā)生缺陷。OsAUX1基因位于1號(hào)染色體上，它參與生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸，在調(diào)控生長(zhǎng)素介導(dǎo)的水稻側(cè)根起始中發(fā)揮功能，aux1突變體主根變長(zhǎng)，側(cè)根減少；OsIAA3基因位于12號(hào)染色體上，突變體iaa3表現(xiàn)在側(cè)根伸長(zhǎng)受到抑制以及密度減少；OsIAA11基因位于3號(hào)染色體上，iaa11的側(cè)根原基萌發(fā)受到抑制；OsIAA13基因位于3號(hào)染色體上，iaa13突變體的側(cè)根密度降低；OsIAA23基因位于6號(hào)染色體上，與突變體iaa3表型類(lèi)似，iaa23的側(cè)根伸長(zhǎng)也受到抑制同時(shí)密度減少。此外，編碼親環(huán)素蛋白的OsCYP2/LRT2基因參與Aux/IAA蛋白降解從而調(diào)控側(cè)根發(fā)生，OsCYP2/LRT2基因位于2號(hào)染色體上，突變體cyp2和lrt2表現(xiàn)為對(duì)生長(zhǎng)素不敏感，側(cè)根缺失[17-18]。

近年來(lái)在水稻中已篩選到一些與溫度相關(guān)的突變體，但和溫度相關(guān)的水稻側(cè)根突變體的報(bào)道還很少，與k209具有類(lèi)似發(fā)生機(jī)制的突變體主要有hts1[19]和orc3[20]。對(duì)突變體hts1的初步研究表明，26 ℃時(shí)突變體hts1的側(cè)根表型正常，28～32 ℃時(shí)表現(xiàn)為少側(cè)根，34 ℃以上表現(xiàn)為無(wú)側(cè)根以及不定根數(shù)目顯著增加，目前還沒(méi)有該基因的定位報(bào)道。OsORC3基因位于10號(hào)染色體上，突變體orc3在26 ℃培養(yǎng)下側(cè)根正常發(fā)育，而在34 ℃高溫環(huán)境下表現(xiàn)為側(cè)根缺失，亞甲基藍(lán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高溫條件下突變體orc3的側(cè)根原基發(fā)育正常，但最終無(wú)法突破表皮形成側(cè)根。

本研究中的水稻高溫敏感側(cè)根缺失突變體k209屬于隱性單基因突變。突變基因被定位在4號(hào)染色體的InDel標(biāo)記7522K和11524K之間，目前該區(qū)間還沒(méi)有側(cè)根發(fā)育相關(guān)基因的報(bào)道，表明K209基因是一個(gè)調(diào)控側(cè)根發(fā)育的新基因。因此該基因的克隆和功能的深入研究有助于進(jìn)一步揭示植物側(cè)根發(fā)育的分子機(jī)制。