水稻披垂葉突變基因研究進展

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。同時水稻又作為一種模式生物被各大研究機構所研究。水稻披垂葉突變體是由于控制水稻中脈形成的基因發生突變，導致基因發生功能缺失，使水稻葉片中脈的形成不能正常進行，從而出現披垂葉的性狀。目前已經發現2個基因位點與水稻中脈形成有關，DL和DL2基因正是這2個不同的位點。研究水稻披垂葉突變基因，對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。對水稻披垂葉突變基因的研究進展進行綜述，以對水稻這一類特殊株型得到更好地了解。

關鍵詞 水稻；披垂葉；突變基因

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 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。

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育的基因發生突變而導致的一種特殊的水稻株型。到目前為止已經定位到2個有關水稻中脈發育的基因位點。

研究發現，DL基因的組成型表達會促進細胞沿著葉原基的軸增殖，形成支撐植物葉片直立伸長的中脈，從而保證葉片能夠直立生長。攜帶DL功能缺失的突變體植株不能形成完整的中脈，結果導致植株葉片下垂，從而形成披垂葉的性狀。另外，在花中，DL基因嚴重的突變會引起心皮向雄蕊同源轉換。若在植物中攜帶DL弱等位基因，則會使心皮的數量增加和體積增大，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現了一種新的披垂葉突變體，而且經過定位得知該基因并不是在3號染色體上，而是在另一條染色體1號染色體上，與先前報道的的DL的基因位點并不相同。

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，包括化學誘變、組織培養以及雜交選育等等，目前已報道的披垂葉突變體大多都是在DL基因處發生了等位突變，國內外許多研究證實DL的等位基因位于3號染色體的短臂上，控制著花器官的發育和葉片中脈的形成。另外，有報道指出，在1號染色體上也存在控制水稻葉形的基因DL2，突變體同樣導致垂葉的表型，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

水稻葉片呈長披針形，均勻地分布著許多平行的縱走脈紋。在發育中的葉片，在中脈結構形成之前，近軸中心區域的中心維管束通過細胞增殖增厚。這些細胞增殖為中脈的形成提供了足夠的細胞。中脈是保持葉片直立性的一個重要的因素，是葉原基附近的細胞增殖形成的。披垂葉性狀的形成多是因為細胞不能正常地沿著葉原基的軸增殖，不能形成中脈，從而出現披垂葉表型。研究發現，水稻dl突變體的葉片和葉鞘不能形成中脈，而且缺少足夠發達的清除細胞，在中脈的位置形成小的側脈，不過水稻葉片的其他結構均是正常的[2]。水稻葉片的形態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，而葉片的形態勢必會影響植株的光合作用，從而影響水稻植株的生長發育，進而影響水稻產量。

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，同時還影響花器官的發育。因此，在許多水稻披垂葉突變體中，往往還伴隨著花器官發育的異常，如雌蕊雄蕊化、雌蕊柱頭數量增加等。另外，由于花器官的異常，還會導致水稻的不育。

2 水稻披垂葉突變體的遺傳類型

據國內外研究表明，控制水稻披垂葉性狀的基因都是隱性基因，且穩定遺傳。由于研究材料的不同，主要有單隱性遺傳和2對隱性基因控制的遺傳。張小祥等[3]利用3個水稻披葉材料MR304、MR312、MR168進行研究，其中，MR304披葉性狀受2對基因控制，其中1對為主效基因，而其他的2個材料均為1對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表現為突變體表型，也說明該突變體由1對隱性基因控制。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，F2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，已經發現了2個披垂葉相關基因DL和DL2，并且已經成功克隆DL基因。Nagasawa等[2]通過形態學標記將突變DL基因定位在水稻3號染色體上。Huang 等[6]將DL2基因定位在1號染色體上，這與先前報道的dl等位基因位于3號染色體上不同。

3.1 水稻DL基因的定位和功能分析

Nagasawa等[2]通過形態標記把突變基因的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記相距166cM；Yamaguchi 等[7]通過圖位克隆的方法，進行一系列的序列分析，將突變基因定位在3號染色體大約10 kb的區域內，并發現DL基因正是目的野生基因；羅瓊等[8]對W-255突變體進行研究，用分子標記將控制披垂葉性狀的基因定位在第3染色體短臂上2個相近的分子標記R3156和R3126之間，并把該基因暫時命名為DL（t），推測該基因很可能是DL基因家族中一個新的等位基因；王彬等[9]利用SSR分子標記將控制披葉性狀的相關基因定位在第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。

通過進一步的序列分析得出，DL基因大約7.4 kb堿基，包括7個外顯子和它們之間的6個內含子（圖1）。CDS全長為591 bp，編碼196個氨基酸組成的假定的一個YABBY蛋白域及一個鋅指結合域。

水稻披垂葉基因（DL）在水稻植株發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[7]。DL基因編碼一種假定的轉錄因子，含有鋅指蛋白和螺旋-環-螺旋結構域。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基因包含許多內含子和外顯子[10]，而且與擬南芥CRABS CLAW（CRC）基因密切相關。或輕或重的dl 等位基因都導致水稻中脈不能形成。對dl突變體進行表型分析，同時結合空間表達式模式和DL基因的異位表達，證明DL基因通過促進細胞增殖調控水稻葉片中心區域的中脈形成。

大量的科研報道已經指出，許多水稻披垂葉突變體都是在DL基因處發生的等位突變，目前為止已經有10多個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上[8]。由于DL基因功能的多效性，往往會導致水稻披垂葉以及花器官發育的異常。

dl-1突變體的花有40%表現異常，雌蕊有3～4個柱頭，極少數的花出現雌蕊雄蕊化，結實率略低于野生型。dl-2是一種弱等為突變，它的花基本正常，只有少數花的雌蕊有3個柱頭，是已發現的所有花等位突變體中表型最弱的一個。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]發現一個新的披垂葉突變體dl-5，突變體的表型為雌蕊異化為多輪同軸同側生長的葉片狀器官，葉片皮披垂。通過圖位克隆方法將突變基因定位在3號染色體短臂上21 kb區域內，這個區域正是DL基因所處的位置。dl-5突變體突變導致基因發生堿基的替換，鋅指結構域位點發生突變，導致突變表型。

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號色體的短臂上85kb的區域內。它的第1個外顯子存在1個單堿基突變，導致野氨基酸發生突變，即半胱氨酸突變為精氨酸；同時突變體dl-6在YABBY 基因的3′端還存在8個堿基的缺失[11]。GS156S披垂葉突變體是由1對隱性基因控制的披垂葉突變體，而且基因同樣位于3號染色體短臂上[12]，并且利用披垂葉標記進行不育系選育工作[13]。

3.2 水稻DL2披垂葉基因定位和功能分析

Huang等[6]發現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單隱性基因控制。并且將DL2基因定位在1號染色體上，位于2個SSR引物RM1和RM302之間，這與先前報道的水稻在3號染色體上的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育和葉總脈絡模式。葉片解剖結果顯示，dl2突變體的中脈缺少清除細胞和近軸小維管束，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發生變化。并且，也在dl2的根中發現類似的解剖學變化。dl2根的中心維管束處的木質部和韌皮部數量也有所減少。另外，在dl2突變體中，營養體發育葉發生相對的改變，比如葉片長度變長，不定根和側根數量減少等等。對dl2進行更深層次的研究結果顯示，dl2維管模式扭曲與一個有缺陷的PAT（極性運輸）活性和對不同種類的極性生長素轉運抑制劑的敏感性有關[15]。

葉片維管系統分化和脈絡模式在運輸營養物質和保持植物形態方面起著至關重要的作用，這對提高光合效率來說也是一個重要的農藝性狀。調查發現，無中脈的dl2水稻突變體的葉片維管分化相關的蛋白質組和轉錄組在全基因組表達。通過DGE和iTRAQ技術調查得到轉錄物和蛋白質的豐富度差異。轉錄組和蛋白質組表達譜相關性不大，但轉錄和蛋白水平有適度的相關性。另外，根據功能注釋，發現一些差異表達的蛋白質（DEPs）可能與葉維管模式有關。

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生突變引起的。先前的研究報道指出，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。并且在該基因位點發現許多等位突變體。而且也發現DL基因的不同位點，例如不同的內含子外顯子的突變，都有可能引起不同程度的表型突變。不過最近研究又發現新的基因位點，不同于先前報道的DL基因位點，不過這一基因還有待進一步的研究。這也使水稻披垂葉突變體的研究呈現出更加多樣化的趨勢，給先前大眾對披垂葉的研究帶來新的方向。

另外，國內外許多報道指出，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行相關的育種工作。

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