水稻分蘖角度基因TIG1功能性分子标记的开发和应用_李珍珠.pdf

DOI：10.13430/ki.jpgr.20221108001植物遗传资源学报 2023，24（3）：808-816Journal of Plant Genetic Resources水稻分蘖角度基因TIG1功能性分子标记的开发和应用李珍珠，彭清祥，邱先进，徐俊英，李志新，刘海洋（农业农村部长江中游作物绿色高效生产重点实验室（部省共建）/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心/长江大学农学院，湖北荆州 434000）摘要：水稻分蘖角度是水稻株型建成的重要性状之一，对水稻产量有着重要的贡献。目前水稻中可利用的分蘖角度调控基因主要有TAC1（Tiller Angle Control 1）和TIG1（Tiller Inclided Growth 1），需进一步挖掘新的可用基因资源和分子标记以促进水稻理想株型育种。本研究中以大角度的野生稻为供体，小角度的栽培稻珍汕97为受体构建了BC3F2群体，在第54号家系中分蘖角度存在分离，利用QTL-seq技术进行水稻分蘖角度的QTL定位，在8号染色体上检测到一个QTL位点。通过对区间内已知基因的序列比对提出TIG1为候选基因。根据TIG1启动子449 bp处CT的关键变异设计KASP功能性分子标记，并在定位群体和育成品种中进行了验证，证实利用该KASP标记可以准确地鉴定出TIG1位点的基因型。TIG1在粳稻中以大角度基因型TIG1占绝对优势，而在籼稻中61.40%的品种为小角度基因型tig1，38.40%的品种为大角度基因型TIG1，对水稻株型改良有着重要的潜在利用价值。该KASP标记的开发为水稻分蘖角度的分子标记辅助改良提供了新工具，有望加快水稻理想株型的育种进程。关键词：水稻；分蘖角度；KASP分子标记；TIG1Development and Application of Functional Molecular Marker of Rice Tiller Angle Gene TIG1LI Zhen-zhu，PENG Qing-xiang，QIU Xian-jin，XU Jun-ying，LI Zhi-xin，LIU Hai-yang（Ministry of Agriculture and Rural Affairs Key Laboratory of Sustainable Crop Production in the Middle Reaches of the Yangtze River（Co-construction by Ministry and Province）/Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry/College of Agriculture，Yangtze University，Hubei Jingzhou 434000）Abstract：The tiller angle is one of the most important traits in the plant architecture of rice，which significantly determines the rice yield.At present，the major tiller angle genes in rice are TAC1（Tiller Angle Control 1）and TIG1（Tiller Inclided Growth 1）.It is necessary to further explore new loci and molecular markers to promote ideal plant architecture breeding in rice.In this study，a BC3F2 population was developed using large-angled wild rice as the donor and small-angled cultivar Zhenshan 97 as the recipient，and tiller angle separation was observed in the 54th line.QTL mapping of tiller angel was performed using QTL-seq，and a QTL was detected on chromosome 8.TIG1 was identified as the candidate gene through sequence comparison of known genes within the interval.A KASP functional molecular marker was designed based on the causal variation of CT at 449 bp in the promoter of TIG1.The marker was verified in the mapping population and varieties，and it was confirmed that the KASP marker can accurately identify the genotype of the TIG1 locus.In Geng/Japonica TIG1 with large angle is dominant，while 61.40%and 38.40%of Xian/Indica varieties carry tig1 with small angle and TIG1 with large angle，respectively.This marker has significant potential utilization value 收稿日期：2022-11-08 修回日期：2022-12-26 网络出版日期：2023-02-01URL：https：/doi.org/10.13430/ki.jpgr.20221108001第一作者研究方向为水稻遗传育种，E-mail：；彭清祥为共同第一作者通信作者：刘海洋，研究方向为水稻环境适应性的遗传机制，E-mail：基金项目：国家自然科学基金（32071989）；湖北省重点研发计划（2022BBA002）Foundation projects：National Natural Science Foundation of China（32071989）；The Key Research and Development Program of Hubei Province（2022BBA002）3 期李珍珠等：水稻分蘖角度基因TIG1功能性分子标记的开发和应用for improvement of rice plant architecture.The development of this KASP marker provides a new tool for molecular marker-assisted improvement of rice tiller angle and is expected to speed up the breeding process for the ideal rice plant architecture.Key words：rice；tiller angle；KASP molecular maker；TIG1近年来，随着世界人口的不断增加，人类对粮食的需求量也不断攀升。水稻是全球近50%人口的主要粮食，水稻产量的高低影响着世界粮食安全，高产成为水稻遗传育种长期以来的主要追求目标。株型是影响水稻产量的重要因素之一，分蘖角度对株型有着显著影响，因此通过优化分蘖角度培育具有理想株型的品种是作物在单位面积土地上实现高产的重要手段1-3。水稻分蘖角是分蘖和垂直线之间的夹角，主要取决于基生分蘖节的生长。当分蘖节的近轴生长大于其远轴生长时，分蘖角较大，反之，分蘖角较窄。自从水稻基因组测序的完成开发出大量DNA标记并应用到水稻QTL（Quantitative trait locus）定位之后，大大加速了水稻分蘖角度基因的定位和克隆。近些年来，已经克隆了多个影响水稻分蘖角度的基因。这些基因可以根据其调控方式分为3种类型4：（1）通过影响向地性调节水稻分蘖角度：Loose Plant Architecture 1（LPA1）通过影响淀粉质体的沉积速率来调节分蘖角度和茎的向地性5；OsAGPL1和 OsAGPL3 编 码 ADP-glucose pyrophosphorylase（AGP）的大亚基，通过影响水稻叶鞘、叶枕中的淀粉合成来调节水稻茎向地性和分蘖角6；LAZY2编码一种新的叶绿体蛋白，可以和 Oryza sativa plastidic phosphogluc-omutase（OspGM）相互作用来调节重力感应细胞中的淀粉合成，影响LAZY1介导的生长素的侧向运输进行分蘖角度的调控7。（2）通过影响生长素的含量和分布来调节水稻分蘖角度的基因：LAZY1通过介导重力刺激时生长素的不对称分布来调节水稻分蘖角度和向地性，lazy1突变体因为向地性降低表现出大分蘖角度表型8。Brevis Radix-Like 4（BRXL4）通过影响LAZY1的核定位来调节水稻的向地性和分蘖角度9。HEAT STRESS TRANSCRIPTION FACTOR 2D（HSFA2D）诱导 LAZY1 的转录来影响生长素的不对称分布，进而调节水稻分蘖角度9。WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX6（WOX6）和WOX11这两个转座子基因通过影响生长素的不对称分布来调节水稻分蘖角度10。OsHOX1和OsHOX28作用于HSFA2D的上游，减弱了植物生长素的横向转运，从而抑制了WOX6和WOX11在接受重力刺激的植物茎基下部的表达11。OsPIN1 和 OsPIN2 与HSFA2D作用，通过影响生长素的不对称分布来调节水稻分蘖角度12-13。PLANT ARCHITECTURE AND YIELD1（PAY1）和 Tiller Angle Control 4（TAC4）都通过调节生长素的运输和分布来调节水稻分蘖角度14-15。（3）调控途径未知的基因：PROSTRATE GROWTH 1（PROG1）的人工选择导致水稻植株结构发生巨大变化，不仅导致生长习性从匍匐生长转变为直立生长，而且提高了水稻产量，匍匐生长植株的主穗粒数仅为直立生长植株的主穗粒数的57.6%16-17。非洲野生稻由匍匐生长向直立生长的非洲栽培稻的转化是由PROG7的选择导致18。此外，RICE PLANT ARCHITECTURE DOMESTICATION（RPAD）基因座的110 kb和113 kb的缺失，分别促进了亚洲栽培水稻和非洲栽培稻从匍匐生长向直立生长的转变19。Tiller Angle Control 1（TAC1）位于9号染色体上，是粳稻和籼稻分蘖角度不同的关键调控因子20。Tiller Angle Control 3（TAC3）位于3号染色体上，与D2和TAC1一起作用，通过调节LOC_Os03g51660的表达来调控水稻分蘖角度21。TILLER INCLINED GROWTH 1（TIG1）位于8号染色体上，编码TCP转录激活因子，主要在分蘖基部进行表达。TIG1基因通过正向调控细胞扩张基因EXPA3、EXPB5和SAUR39促进远地侧细胞伸长，导致近地侧和远地侧细胞伸长不平衡来使分蘖角度增大。根据TIG1基因1329 bp启动子、801 bp编码区和502 bp非编码区的序列变异，将216份材料的序列分为9种单倍型。进一步通过表型和表达量的分析发现H1单倍型为小角度，比较不同单倍型序列发现位于启动子区域的 SNP7（648 bp）、SNP9（44