水稻不同穗型品種幼穗分化相關(guān)基因表達(dá)分析

金正勛，王 劍，王思宇，王 珊，張忠臣，李鋼夑，樸鐘澤

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 韓國農(nóng)村振興廳農(nóng)業(yè)科學(xué)院，全羅北道 全州 54874；3. 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所，上海 201403）

穗型與水稻產(chǎn)量和群體結(jié)構(gòu)等關(guān)系密切，是水稻理想株型育種和栽培研究關(guān)注的熱點(diǎn)問題。水稻穗型主要包括穗長、枝梗數(shù)、每穗粒數(shù)、著粒密度和粒型等[1-2]，增加枝梗數(shù)和穗粒數(shù)或增大籽粒是選育超級稻新品種、獲取水稻超高產(chǎn)重要途徑之一。細(xì)胞分裂素是影響水稻穗發(fā)育和生長重要激素。研究表明，幼穗發(fā)育受激素調(diào)控，特別是與細(xì)胞分裂素代謝密切相關(guān)[3]。高溫下幼穗中激素代謝紊亂，特別是細(xì)胞分裂素含量顯著降低，抑制穎花形成[4-5]。OsLOGL2和OsLOGL3是細(xì)胞分裂素合成酶相關(guān)基因，OsCKX5和OsCKX9是細(xì)胞分裂素氧化酶相關(guān)基因，OsRR2、OsRR5是細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因，這些基因均與水稻幼穗分化和形成關(guān)系密切。OsCKX2 基因表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致花序分生組織細(xì)胞分裂素積累，改變花序分生組織和花軸分支組織，增加生殖器官數(shù)量，提高籽粒產(chǎn)量[6]；OsCKX3和OsCKX5缺失突變體增加花器官體積以及胚珠數(shù)量，最終增加產(chǎn)量[7]；OsRR2 結(jié)合在細(xì)胞分裂素氧化酶基因OsCKX4啟動子上直接調(diào)控該基因表達(dá)[8]。LOG 基因突變體分生組織細(xì)胞分裂能力明顯降低，莖端分生組織體積明顯減小，枝梗分化受到強(qiáng)烈抑制，且僅在每個枝梗頂部形成一朵穎花[9]。

鑒于CKX、RR、LOG 等家族基因直接或間接調(diào)控穗部性狀發(fā)育和形成，且DNA 轉(zhuǎn)錄是結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控重要節(jié)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)錄速度和數(shù)量均影響關(guān)聯(lián)酶活性強(qiáng)弱，進(jìn)而調(diào)控性狀表現(xiàn)強(qiáng)弱。因此，本試驗(yàn)選擇與水稻幼穗分化相關(guān)基因和不同穗型粳稻品種，通過盆栽試驗(yàn)比較分析不同穗型水稻品種間穗部性狀以及幼穗分化相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量遺傳差異及相互間關(guān)系，旨在為解析水稻穗部性狀形成轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)理和開發(fā)超高產(chǎn)栽培技術(shù)等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試品種為多粒型晚熟品種GWS 15 和松粳9號，較多粒型晚熟品種東農(nóng)7366和龍稻27號，少粒型晚熟品種GWS 14 和中熟品種龍稻5 號，其中，龍稻27 號和龍稻5 號由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作與栽培研究所提供，其他品種由研究室選育新品種。

1.2 方法

本試驗(yàn)于2018 年和2019 年在黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園盆栽場開展。試驗(yàn)采用盆栽種植方法，盆規(guī)格為長60 cm、寬40 cm、高40 cm，盆栽用土過篩混勻后等量裝盆。4月5日播種，大缽體盤育苗，每個孔播兩粒催芽籽，大棚旱育秧管理。5月15日選取長勢一致秧苗插秧，每盆插2 行8 穴，每穴插2 棵苗，緩苗后定植1 棵苗，每個品種3盆，其中兩盆用于調(diào)查及測定穗發(fā)育情況，另一盆用于室內(nèi)考種，正常水管理。全年施氮量為純氮105 kg·hm-2，按盆表面積折算成每盆施氮量，N∶P2O5∶K2O 比為1∶0.5∶0.8。氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，鉀肥為硫酸鉀。施肥方法是磷肥全部作基肥；鉀肥50%作基肥，50%作穗肥，氮肥50%作基肥，20%作分蘗肥，30%作穗肥。插秧前3 d 施入基肥與上層20 cm 土壤混拌均勻，灌水浸泡，秧苗開始分蘗時施入分蘗肥，穗肥在幼穗分化始期一次性施入。

1.3 取樣方法

插秧后每個品種秧苗按照分蘗發(fā)生順序依次標(biāo)記分蘗等級，僅標(biāo)記主莖及第1 次和第2 次分蘗。待幼穗分化開始時剝離標(biāo)記的莖鞘觀察幼穗分化情況，分別于幼穗長度為5、10、20、30 mm時取標(biāo)記莖幼穗，迅速液氮處理后放入-80 ℃冰柜內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量測定

從水稻基因庫獲取基因定位區(qū)域，使用Primer 5.0及NCBI內(nèi)Primer BLAST功能，在基因保守區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)高特異性Actin1內(nèi)參基因和幼穗分化相關(guān)基因引物，其引物序列見表1。

選 用NOVA?Taq SYBR?Green qPCR Premix（NOVA，愚公生命科技有限公司，江蘇連云港）定量試劑盒及Roche Light Cycler TM 熒光定量PCR儀，以Actin1 基因?yàn)閮?nèi)參基因，采用Delte-DelteCt法分析基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量。參照基因ΔCT法，依公式ΔCT=2Ct(reference)-Ct(target)計(jì)算基因相對表達(dá)量， 其中Ct(reference)-Ct(target)分別為內(nèi)參基因表達(dá)量和目標(biāo)基因達(dá)到設(shè)定熒光值時擴(kuò)增循環(huán)次數(shù)。

表1 RT-qPCR反應(yīng)引物設(shè)計(jì)Table 1 Design of RT-qPCR reaction primer

1.5 數(shù)據(jù)分析

2018 年與2019 年試驗(yàn)結(jié)果一致，本研究僅選用2019 年試驗(yàn)數(shù)據(jù)作分析，數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007和SPSS 23.0軟件，LSD法顯著性測驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種間穗部性狀比較及穗型分類

供試不同品種間穗部性狀方差分析及多重比較結(jié)果見表2，同時根據(jù)供試6 個不同品種計(jì)算穗部性狀間簡單相關(guān)系數(shù)。由表2可知，供試不同品種除每穗一次枝梗數(shù)外，每穗總粒數(shù)、穗長、每穗二次枝梗數(shù)、每穗一次枝梗粒數(shù)、每穗二次枝梗粒數(shù)F值均達(dá)極顯著，說明不同品種間除每穗一次枝梗數(shù)外，其他穗部性狀均呈極顯著遺傳差異。多重比較結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)最多品種是GWS15 和松粳9 號，其次是東農(nóng)7366 和龍稻27號，而GWS 14 和龍稻5 號最少，且最多的兩個品種和其他品種間及次多的兩個品種和最少的兩個品種間差異均顯著，說明不同穗型品種間每穗總粒數(shù)遺傳差異顯著。據(jù)此本試驗(yàn)將供試6個不同品種劃分為3 種穗型，即GWS 15 和松粳9 號為多粒型品種，東農(nóng)7366 和龍稻27 號為較多粒型品種，GWS 14和龍稻5號為少粒型品種。

不同穗型品種每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)均是多粒型品種＞較多粒型品種＞少粒型品種，不同穗型品種間差異均顯著。相關(guān)分析表明，每穗總粒數(shù)與每穗二次枝梗數(shù)、每穗二次枝梗粒數(shù)間相關(guān)系數(shù)分別為0.9124 和0.9552，均相關(guān)顯著。說明每穗總粒數(shù)與每穗二次枝梗數(shù)、每穗二次枝梗粒數(shù)間關(guān)系密切，增加每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)有利于增加每穗總粒數(shù)，進(jìn)而增加庫容。由表2可見，不同穗型品種每穗一次枝梗粒數(shù)依次為龍稻5號＞龍稻27號＞GWS14＞松粳9號＞GWS 15＞東農(nóng)7366，少粒型品種每穗一次支梗粒數(shù)多于其他穗型品種，尤其是總粒數(shù)最少的龍稻5號均顯著多于其他穗型品種，說明每穗一次支梗粒數(shù)多的穗型品種與每穗總粒數(shù)并不一致。

2.2 不同穗型品種間幼穗形成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量比較

2.2.1 不同穗型品種間幼穗OsLOGL2 基因表達(dá)量變化動態(tài)比較

在幼穗生長過程中供試不同穗型品種幼穗OsLOGL2 基因mRNA 表達(dá)量比較列于表3。由表3可見，隨幼穗生長，供試不同穗型品種幼穗OsLOGL2 基因mRNA 表達(dá)量均持續(xù)升高，與幼穗長度5 mm 相比，30 mm 幼穗該基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量平均上升幅度多粒型品種為88.2%、較多粒型品種為91.4%、少粒型品種為70.6%，上升幅度均較大，且少粒型品種小于多粒型和較多粒型品種。幼穗長度5、10、20、30 mm 時OsLOGL2 基因mRNA 表達(dá)量多粒型品種和少粒型品種間平均極差分別為0.482、0.921、1.177、1.293，在幼穗生長過程中OsLOGL2基因mRNA表達(dá)量多粒型品種高于較多粒型和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，與少粒型品種相比，多粒型和較多粒型品種平均表達(dá)量分別高1.33 倍和1.22 倍。相關(guān)分析結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與平均幼穗OsLOGL2 基因mRNA 表達(dá)量間相關(guān)系數(shù)分別為0.9920、0.9433和0.9745，均達(dá)極顯著。說明不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗OsLOGL2 基因mRNA 表達(dá)量遺傳差異較大，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsLOGL2 基因mRNA 表達(dá)量關(guān)系密切，幼穗OsLOGL2 基因通過mRNA 表達(dá)量正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)。

表2 不同穗型品種間穗部性狀比較Table 2 Comparison of ear traits among different types of cultivars

表3 不同穗型品種間幼穗OsLOGL2基因mRNA表達(dá)量比較Table 3 Comparison of mRNA expression of OsLOGL2 gene among different panicle type varieties

2.2.2 不同穗型品種間幼穗OsLOGL3 基因表達(dá)量變化動態(tài)比較

在幼穗生長過程中供試不同穗型品種幼穗OsLOGL3 基因mRNA 表達(dá)量比較見表4。由表4 可見，隨幼穗生長供試不同穗型品種幼穗OsLOGL3基因mRNA 表達(dá)量均持續(xù)上升，與幼穗長度5 mm相比，30 mm幼穗該基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量平均上升幅度多粒型品種為32.8%、較多粒型品種為29.2%、少粒型品種為30.1%，上升幅度均較大，其上升幅度多粒型品種大于較多粒型和少粒型品種。幼穗長5、10、20、30 mm時OsLOGL3基因mRNA表達(dá)量多粒型和少粒型品種間平均極差分別是0.333、0.420、0.530、0.479，幼穗生長過程中OsLOGL3 基因mRNA 表達(dá)量多粒型品種高于較多粒型品種和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，與少粒型品種相比，多粒型品種和較多粒型品種平均表達(dá)量分別高1.31倍和1.15倍。相關(guān)分析結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與平均幼穗OsLOGL3 基因mRNA 表達(dá)量間相關(guān)系數(shù)分別為0.9540、0.8668和0.9240，均達(dá)顯著或極顯著。說明不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗OsLOGL3基因mRNA表達(dá)量遺傳差異較大，每穗總粒數(shù)及每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsLOGL3基因mRNA 表達(dá)量關(guān)系密切，幼穗OsLOGL3 基因是通過mRNA 表達(dá)量正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)。

表4 不同穗型品種間幼穗OsLOGL3基因mRNA表達(dá)量比較Table 4 Comparison of mRNA expression of OsLOGL3 gene among different panicle type varieties

2.2.3 不同穗型品種間幼穗OsCKX5 基因表達(dá)量變化動態(tài)比較

幼穗生長過程中供試不同穗型品種間幼穗OsCKX5基因mRNA表達(dá)量比較結(jié)果見表5。由表5可見，隨幼穗生長，供試不同穗型品種幼穗OsCKX5基因mRNA 表達(dá)量均持續(xù)上升，與幼穗長度5 mm相比，30 mm幼穗該基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量平均上升幅度多粒型品種為32.8%、較多粒型品種為35.4%、少粒型品種為28.3%，上升幅度均較大，其上升幅度少粒型品種小于多粒型和較多粒型品種。幼穗長度5、10、20、30 mm時OsCKX5基因mRNA表達(dá)量多粒型和少粒型品種間平均極差分別為0.193、0.271、0.291、0.301，幼穗生長過程中OsCKX5基因mRNA表達(dá)量多粒型品種高于較多粒型和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，與少粒型品種相比，多粒型和較多粒型品種平均表達(dá)量分別高1.22 倍和1.13 倍。相關(guān)分析結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與平均幼穗OsCKX5 基因mRNA 表達(dá)量間相關(guān)系數(shù)分別為0.9680、0.9273 和0.9615，均達(dá)極顯著。說明不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗OsCKX5 基因mRNA表達(dá)量遺傳差異較大，每穗總粒數(shù)及每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsCKX5基因mRNA 表達(dá)量關(guān)系密切，幼穗OsCKX5 基因通過mRNA表達(dá)量正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)。

表5 不同穗型品種間幼穗OsCKX5基因mRNA表達(dá)量比較Table 5 Comparison of mRNA expression of OsCKX5 gene among different panicle type varieties

2.2.4 不同穗型品種間幼穗OsCKX9 基因表達(dá)量變化動態(tài)比較

幼穗生長過程中供試不同穗型品種間幼穗OsCKX9基因mRNA表達(dá)量比較結(jié)果見表6。由表6可見，隨幼穗生長，供試不同穗型品種幼穗OsCKX9基因mRNA 表達(dá)量均持續(xù)升高，與幼穗長度5 mm相比，30 mm幼穗該基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量平均上升幅度多粒型品種為52.6%、較多粒型品種為65.5%、少粒型品種為59.3%，上升幅度較大，其上升幅度多粒型品種小于較多粒型和少粒型品種。幼穗長度5、10、20、30 mm時OsCKX9基因mRNA表達(dá)量多粒型品種和少粒型品種間平均極差分別為0.251、0.310、0.358、0.274，幼穗生長過程中OsCKX9 基因mRNA 表達(dá)量多粒型品種始終高于較多粒型和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，與少粒型品種相比，多粒型和較多粒型品種平均表達(dá)量分別高1.63倍和1.35倍。相關(guān)分析結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與平均幼穗OsCKX9 基因mRNA 表達(dá)量間相關(guān)系數(shù)分別為0.9730、0.9320 和0.9733，均達(dá)極顯著。說明不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗OsCKX9基因mRNA表達(dá)量遺傳差異較大，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsCKX5基因mRNA 表達(dá)量高低關(guān)系密切，幼穗OsCKX9 基因通過mRNA 表達(dá)量正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)。

表6 不同穗型品種間幼穗OsCKX9基因mRNA表達(dá)量比較Table 6 Comparison of mRNA expression of OsCKX9 gene among different panicle type varieties

2.2.5 不同穗型品種間幼穗OsRR5基因表達(dá)量變化動態(tài)比較

幼穗生長過程中供試不同穗型品種幼穗OsRR5基因mRNA 表達(dá)量比較列于表7。由表7 可見，隨幼穗生長，供試不同穗型品種幼穗OsRR5 基因mRNA 表達(dá)量均持續(xù)升高，與幼穗長度5 mm 相比，30 mm幼穗該基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量平均上升幅度多粒型品種為90.9%、較多粒型品種為81.0%、少粒型品種為78.6%，上升幅度均較大，其上升幅度多粒型品種＞較多粒型品種＞少粒型品種。幼穗長度5、10、20、30 mm 時OsRR5 基因mRNA 表達(dá)量多粒型和少粒型品種間平均極差分別為0.397、0.497、0.777、0.897，幼穗生長過程中OsRR5基因mRNA表達(dá)量多粒型品種始終高于較多粒型和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，與少粒型品種相比，多粒型和較多粒型品種平均表達(dá)量分別高1.44 倍和1.23 倍。相關(guān)分析結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與平均幼穗OsRR5基因mRNA表達(dá)量間相關(guān)系數(shù)分別為0.9720、0.8955 和0.9455，均達(dá)顯著或極顯著。說明不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗OsRR5基因mRNA表達(dá)量遺傳差異較大，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsRR5基因mRNA表達(dá)量關(guān)系密切，幼穗OsRR5基因通過mRNA 表達(dá)量正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)。

表7 不同穗型品種間幼穗OsRR5基因mRNA表達(dá)量比較Table 7 Comparison of mRNA expression of OsRR5 gene among different panicle type varieties

2.2.6 不同穗型品種間幼穗OsRR2 基因表達(dá)量變化動態(tài)比較

幼穗生長過程中供試不同穗型品種幼穗OsRR2基因mRNA 表達(dá)量比較見表8。由表8 可見，隨幼穗生長，供試不同穗型品種幼穗OsRR2基因mRNA表達(dá)量均持續(xù)升高，與幼穗長度5 mm相比，30 mm幼穗該基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量平均上升幅度多粒型品種為45.7%、較多粒型品種為47.8%、少粒型品種為61.9%，上升幅度均較大，但少粒型品種＞較多粒型品種＞多粒型品種。幼穗長度5、10、20、30 mm時OsRR2 基因mRNA 表達(dá)量多粒型和少粒型品種間平均極差分別為0.360、0.379、0.494、0.444，幼穗生長過程中OsRR2 基因mRNA 表達(dá)量多粒型品種高于較多粒型品少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，與少粒型品種相比，多粒型品種和較多粒型品種平均表達(dá)量分別高1.63 倍和1.33倍。相關(guān)分析結(jié)果表明，每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與平均幼穗OsRR2基因mRNA 表達(dá)量間相關(guān)系數(shù)分別為0.9710、0.9160和0.9602，均達(dá)顯著或極顯著。說明不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗OsRR2基因mRNA表達(dá)量遺傳差異較大，每穗總粒數(shù)及每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsRR2基因mRNA表達(dá)量關(guān)系密切，幼穗OsRR2 基因通過mRNA 表達(dá)量正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)。

表8 不同穗型品種間幼穗OsRR2基因mRNA表達(dá)量比較Table 8 Comparison of mRNA expression of OsRR2 gene among different panicle type varieties

2.2.7 不同穗型品種間幼穗細(xì)胞分裂素合成酶和氧化酶基因表達(dá)量總和變化動態(tài)比較

幼穗生長過程中供試不同穗型品種幼穗細(xì)胞分裂素合成相關(guān)酶基因OsLOGL2、OsLOGL3和氧化酶相關(guān)基因OsCKX5、OsCKX9轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和比較結(jié)果分別列于表9和10。

由表9 可知，隨幼穗生長,供試不同穗型品種幼穗細(xì)胞分裂素合成相關(guān)酶基因OsLOGL2、OsLOGL3和氧化酶相關(guān)基因OsCKX5、OsCKX9轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和均同步持續(xù)上升，上升幅度均較大，但在幼穗生長過程中幼穗細(xì)胞分裂素合成相關(guān)酶基因OsLOGL2、OsLOGL3轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和高于氧化酶相關(guān)基因OsCKX5、OsCKX9轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和，兩者比值為2.32～2.91，即細(xì)胞分裂素合成相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和比氧化酶相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和高2倍以上（見表10），且多粒型品種高于較多粒型和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種。說明幼穗生長過程中雖幼穗細(xì)胞分裂素合成相關(guān)酶和氧化酶相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量同步持續(xù)上升，但合成相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和遠(yuǎn)高于氧化酶相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和，幼穗細(xì)胞分裂素合成代謝優(yōu)于降解代謝。

表9 不同穗型品種間幼穗OsLOGL2、OsLOGL3和OsCKX5、OsCKX9基因mRNA表達(dá)量總和比較Table 9 Comparison of mRNA expression total amount of OsLOGL2, OsLOGL3 and OsCKX5, OsCKX9 genes among different panicle type varieties

表10 不同穗型品種間幼穗OsLOGL2、OsLOGL3和OsCKX5、OsCKX9基因mRNA表達(dá)量總和比值比較Table 10 Comparison of mRNA expression total amount ratio of OsLOGL2, OsLOGL3 and OsCKX5, OsCKX9 genes among different panicle type varieties

3 討論與結(jié)論

水稻穗型與多個穗部性狀相關(guān)，在穗型分類中，由于研究目的及方向等不同，不同研究者所選取性狀也有所差異，分類結(jié)果各異，如直立穗、彎曲穗、半彎曲穗、密穗、稀穗、長穗、短穗、輕穗、重穗等多種穗型。通過改良穗型和增加每穗粒數(shù)提高水稻單產(chǎn)已成為水稻超高產(chǎn)品種選育和栽培技術(shù)研究重要共識，因此深入研究穗粒數(shù)形成內(nèi)外調(diào)控機(jī)制對水稻穗型塑造及提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。鑒于此，本研究根據(jù)供試品種間每穗總粒數(shù)遺傳差異特點(diǎn)，將供試品種劃分為多粒型、較多粒型、少粒型3種穗型，以便闡明不同穗型形成分子調(diào)控機(jī)制。

基因轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)調(diào)控重要環(huán)節(jié)之一，其表達(dá)量不僅受自身遺傳因素控制，且受氮素營養(yǎng)、溫度、水分等外源環(huán)境因素影響[10-11]。水稻中細(xì)胞分裂素氧化酶基因OsCKX2表達(dá)缺失引起細(xì)胞分裂素在花絮分生組織中積累，導(dǎo)致穎花分化數(shù)目增加，有利于水稻大穗形成[12]。水稻穗型相關(guān)基因DEP1、LP 及DST 直接或間接調(diào)控OSCKX2 表達(dá)水平，調(diào)控水稻每穗穗粒數(shù)改變水稻產(chǎn)量[13]。Gao等研究結(jié)果表明，OsRR2結(jié)合在細(xì)胞分裂素氧化酶基因OsCKX4 啟動子上直接調(diào)控該基因表達(dá)[8]。長日照條件下，Ghd7 基因表達(dá)增強(qiáng)，引起水稻穗型變大和穗粒數(shù)增多[14]。陳燕華等研究結(jié)果表明，高溫下細(xì)胞分裂素合成有關(guān)基因OsLOGL2 和OsLOGL3表達(dá)降低，噴施0.15 mg·L-1油菜素內(nèi)酯（EBR）同時促進(jìn)高溫和適溫條件下OsLOGL2 和OsLOGL3表達(dá)[15]。與適溫相比，高溫抑制OsRR2、OsRR5、ORR2 和ORR4 表達(dá)，噴施0.15 mg·L-1EBR 顯著提高4 個基因高溫下表達(dá)量，且高于適溫下表達(dá)量。由上可知，穗型相關(guān)基因表達(dá)水平不僅與基因自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，且還受其他調(diào)控基因及基因產(chǎn)物影響，基因表達(dá)水平變化引起與穗部性狀發(fā)育和生長有關(guān)激素、營養(yǎng)物質(zhì)等含量變化，最終引起穗部性狀表型變異。由本研究結(jié)果也可知，隨幼穗生長供試不同穗型品種幼穗OsLOGL2、OsLOGL3、OsCKX5、OsCKX9、OsRR2、OsRR5 基因mRNA 表達(dá)量均持續(xù)上升，其上升幅度均較大，且不同穗型品種間幼穗生長不同時期幼穗上述6 個基因mRNA表達(dá)量遺傳差異較大，在幼穗生長過程中上述6個基因mRNA表達(dá)量多粒型品種高于較多粒型和少粒型品種，較多粒型品種又高于少粒型品種，且每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗上述6個基因mRNA表達(dá)量均呈顯著或極顯著正相關(guān)。說明每穗總粒數(shù)、每穗二次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗粒數(shù)與幼穗OsCKX5、OsCKX9、OsRR2、 OsRR5、 OsLOGL2、 OsLOGL3 基 因mRNA表達(dá)量關(guān)系密切，上述基因通過mRNA 表達(dá)量變化正向調(diào)控每穗穎花分化和形成，基因表達(dá)量上調(diào)有利于增加每穗穎花數(shù)，穗型相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量變化是穗部性狀發(fā)生數(shù)量變異的重要內(nèi)在調(diào)控機(jī)制。且幼穗分化相關(guān)的同工型基因間轉(zhuǎn)錄表達(dá)量差異較大。 本試驗(yàn)中OsLOGL2、 OsCKX5、OsRR5 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量均高于同工的OsLOGL3、OsCKX9、OsRR2 基因。因此，通過不同作用性質(zhì)穗型相關(guān)基因聚合，調(diào)控穗型相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平，增強(qiáng)幼穗分化和形成所必需細(xì)胞分裂素水平，以增加每穗總粒數(shù)形成強(qiáng)大庫容，是選育水稻超高產(chǎn)品種重要途徑。

比較本試驗(yàn)不同功能基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和可知，幼穗生長過程中雖幼穗細(xì)胞分裂素合成相關(guān)酶基因和氧化酶相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量均同步持續(xù)上升，但合成相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和遠(yuǎn)高于氧化酶相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量總和，說明在幼穗生長過程中細(xì)胞分裂素合成代謝和降解代謝同步發(fā)生，但合成代謝強(qiáng)于降解代謝，以維持幼穗生長所必需細(xì)胞分裂素濃度。所以，通過外源激素調(diào)控幼穗內(nèi)源激素水平，增加每穗粒數(shù)進(jìn)而形成強(qiáng)大庫容是提高水稻單產(chǎn)或減輕高溫災(zāi)害等重要外源調(diào)控技術(shù)途徑。