地方种是小麦育种的重要种质资源,为了解矮秆基因在地方种中的分布,本研究检测了甘肃省地方种矮秆基因等位变异类型及其在不同麦区的分布频率.结果表明:(1)地方种Rht-B1b和Rht-D1b的频率极低;41.4％的地方种携带Rht8,且春麦区高于冬麦区;46.7％的地方种含Rht24b,春麦区低于冬麦区.Ppd-D1a的频率仅17.8％,且春麦区低于冬麦区.另外,仅检测到Rht-D 1 b/Rht8、Rht-D 1 b/Rht24b和Rht8/Rht24b 3种组合,频率分别为0.2％、0.5％和12.8％.(2)地方种携带的矮秆基因及其组合分布频率低于育成种,且差异较大.不同来源育成品种携带的优势矮秆等位变异和频率不同,清水试验站的品种以Rht-D1b、Rht8和Rht24b为主,黄羊试验站的品种以Rht-B1b、Rht-D1b、Rht8和Rht24b为主,甘谷试验站的品种以Rht8和Rht24b为主.清水和黄羊试验站的品种秆矮、丰产性好,可在河西、沿黄灌区、陇南、陇东的小麦育种中应用;甘谷试验站的品种茎秆高,抗病性突出,可应用于定西、天水、陇南和陇东等旱地小麦的抗病改良.(3)基于分子标记检测结果,筛选出15份地方种和31份育成种,以上材料均携带2个及以上降秆基因(包括矮秆基因或Ppd-D1a),可为甘肃不同麦区小麦矮秆育种提供亲本材料.

赤霉病严重影响小麦的产量和品质,利用抗病基因改良品种的赤霉病抗性是防治赤霉病危害的有效途径.为创制适用于黄淮麦区抗赤霉病小麦新品系,提高半冬性品种抗赤霉病育种效率.本研究以携带赤霉病抗性主效基因Fhb1、Fhb2、Fhb4和Fhb5的高秆抗赤霉病品系L06486为供体,与黄淮麦区丰产、广适但高感品种济麦24进行杂交,得到的杂种再与矮秆种质206A杂交,于F3至F6连续进行大规模育种田弥雾接种鉴定.通过田间选择,在F7获得106个新品系.采用单花滴注法对106份品系进行抗性评价,同时利用7个与抗赤霉病主效基因Fhb1、Fhb2、Fhb4和Fhb5紧密连锁的分子标记进行基因型分析.结果表明,与亲本济麦24相比,F,品系的赤霉病抗性明显提高.106份新品系中,有98份赤霉病抗性水平达中感以上;有105份携带1～4个抗病基因.Fhb1、Fhb2、Fhb4和Fhb5的检出频率分别为96.23％、41.51％、18.87％和87.74％.携有单个或多个抗性基因的小麦品系较不携带抗性基因的品系表现出更强的赤霉病抗性,聚合抗病基因越多,品系的赤霉病抗性越强.创制的14份携有Fhb1基因组合、中抗赤霉病且农艺性状优良的小麦新品系将为黄淮麦区小麦赤霉病抗性的改良提供帮助.

株高是影响玉米株型和种植密度的重要农艺性状,培育耐密植的矮秆/半矮秆新品种可为增产做贡献.但目前多数矮秆突变体单株产量损失较大,难以在育种中应用.因此,探究玉米株高的调控机制、挖掘株高基因的优良等位变异,从而改善玉米株型结构、提高群体光能利用率、增强群体对水肥的耐性,对提高玉米产量尤为重要.本文综述了目前挖掘到的株高数量性状位点,阐述了株高相关基因主要受植物激素、微管结合蛋白以及成花因子调节;概述了Brachytic2(Br2)基因在玉米矮秆育种研究中的应用及其局限性;最后展望了矮秆有利等位基因及其分子标记和现代生物技术在矮秆种质资源创制中的重要价值.本文将为玉米株高的遗传机制解析以及矮秆玉米分子育种奠定基础.

发掘矮秆基因并解析其调控机制,为玉米矮化育种提供基因资源和理论依据.利用形态观察和石蜡切片方法,研究了玉米矮秆突变体K15d与野生型K15的矮化特征差异;通过等位性鉴定并利用PCR扩增克隆了矮秆基因d15,分析了 3个时期茎节间中d15的表达模式.与野生型K15比较,突变体K15d的株高、穗位高和穗下节间数分别降低39.22％、69.75％和38.83％,差异均达显著或极显著水平;茎秆横切面细胞大小差异不明显,纵切面细胞变短,排列不规则.矮秆基因d15与br2等位,第5外显子5485-5685 bp区间缺失200 bp,编码区全长3983 bp.d15编码蛋白的跨膜结构域为10个,比D15编码蛋白的跨膜结构域减少2个,负责底物结合和转运功能的第2个保守功能域缺失.d15启动子较br2仅有2个SNPs差异.在拔节前、拔节期和拔节后3个时期,突变体中d15基因的表达量与野生型间均无显著差异.由此可见,矮秆基因d15的矮化特征及表达模式均与br2相似,是1个新的br2等位基因,丰富了玉米矮秆基因资源.

本研究从贵州地方粳稻(Oryza sativa ssp.japonica)品种‘黎平杂边禾’甲基磺酸乙酯(EMS)突变体库中筛选获得一份能稳定遗传的矮秆小粒突变体,暂命名为dss1 (dwarf and small seed 1).与野生型相比,dss1表现为植株矮化、株型直立、叶色深绿、籽粒变小、第二节间严重缩短、穗长增加等典型油菜素内酯(BR)缺陷突变体的性状.显微观察结果表明dss1叶鞘表皮细胞的长度变短,可能是突变体第二叶鞘长度比野生型短的原因.对突变体的暗形态建成与BR敏感性研究表明,黑暗条件下突变体表现为去黄化表型,对外源BR敏感.遗传特性分析证明dss1突变体由一个隐性单基因位点控制.利用MutMap技术将dss1基因定位于3号染色体上,筛选获得一个候选基因,测序结果表明,dss1候选基因为BR合成途径关键酶基因OsDWARF,dss1是由于该基因第5个外显子上第335位的氨基酸由苏氨酸(ACT)突变为异亮氨酸(ATT)所引起的.定位得到的矮化小粒基因DSS1为一个新的OsDWARF等位基因.

水稻是世界上最重要的作物之一,株高是决定水稻产量的重要因素,不断发掘新的水稻株高调控基因,阐明水稻株高调控机理具有重要的意义.本研究在Kitaake的EMS(甲基磺酸乙酯)诱变后代中筛选到一个矮秆小粒突变体dsg7,与Kitaake相比,dsg7株高变矮,千粒重下降.通过叶鞘切片观察证实,由于细胞数目减少导致小粒表型的出现.利用图位克隆,将DSG7定位到第7染色体长臂237kb的区间内,经过生物信息学分析和测序证实Os0790616000为突变基因,编码一个植物中广泛存在的蛋白.本研究证实DSG7参与水稻株高发育调控,为阐明水稻株高调控提供新的理论基础,有助于水稻株高发育分子机制的进一步阐释.

株高和分蘖是水稻重要的农艺性状,直接影响到产量.本研究从粳稻品种日本晴的组培苗后代中分离出一个可稳定遗传的半矮化多分蘖突变体t489,相比野生型,突变体株高明显下降、分蘖能力明显增强.遗传分析表明该性状受l对隐性基因控制.进一步基因鉴定发现,突变体中编码植物激素独脚金内酯(SLs,Strigolactones)合成途径中的类胡萝卜素裂解双加氧酶7即D 17/HTD1基因编码区第916 bp位置的碱基由G突变为T,导致蛋白翻译提前终止,仅编码305个氨基酸组成的蛋白,但此突变并未造成该基因转录水平的改变.基于此突变位点开发的dCAPS-D 17标记与突变体和日本晴构建的BC1F2群体中的矮化多分蘖植株共分离,这表明G916T突变与表型相关,t489可能是一个新的D17/HTD1等位突变体.

二十世纪五六十年代,半矮秆水稻和小麦新品种的育成和大面积推广,有效地解决了“高产与倒伏”之间的制约矛盾,这一历程即为众所周知的“绿色革命”.水稻半矮秆基因sd1(semi-dwarf1)既增加了水稻收获指数,又有效地解决了因密植和大量施肥导致的植株倒伏和减产问题,实现了水稻单产的大幅度提升.然而,半矮秆水稻和小麦品种也表现出其植物生长对氮肥响应的减弱,根系对氮肥的吸收速率下降,导致氮肥利用效率(nitrogen use efficiency,NUE)下降.因此,协同改良半矮化作物的高产与氮肥高效利用性状,对保障国家粮食安全和农业可持续发展具有重要意义.傅向东课题组的研究显示,水稻生长调节因子GRF4和生长抑制因子DELLA相互之间的反向平衡调节赋予了植物生长与碳-氮代谢之间的稳态共调节.DELLA蛋白高水平积累导致了作物半矮化,实现了植株耐高肥和抗倒伏的高产目标,但其伴随着氮肥利用效率的降低.相反,GRF4蛋白高水平积累能协同提高作物光合作用和氮肥利用效率,但并不改变“绿色革命”品种的半矮化优良性状,从而实现了在现有高产品种中协同提升产量和氮肥利用效率.DELLA-GRF4分子调控模块的解析为“少投入、多产出、保护环境”的绿色高产高效农作物新品种培育提供了理论基础和具有育种利用价值的新基因资源.

定位甘蓝型矮秆直立株型油菜的株高基因,解析矮秆性状的遗传规律,对油菜育种的产量具有重要意义.通过甘蓝型三系油菜(不育系5824ci×恢复系5771r)杂交,在F1中发现变异单株,命名“DW871”.经多代自交,从群体中选取纯合矮秆和对应纯合高秆杂交,从杂交后代分离群体中分别选取47个矮秆、47个高秆和10个纯合矮秆材料,分别构建基因池.利用BSA-seq简化基因组测序技术,以47个矮秆与47个高秆,10个纯合矮秆与47个高秆进行关联分析(BSA),从47个矮秆与47个高秆基因混合池间检测到差异SNP共121998个,非同义突变SNP共1582个,在ChrA10染色体上定位1个显著关联区域,区间长度6.39 Mb,合1405个候选基因;从10个纯合矮秆与47个高秆基因混合池间共获得1752011个SNP,非同义突变SNP共27723个,InDel 518420个,在ChrA03、ChrA04、ChrA06、ChrA07、ChrA10和ChrC03上定位共19个与性状相关的候选区域,区间长度5.35 Mb,合1143个候选基因.然而由于未达到理论阈值,这个区域很可能是假阳性区域,需要进一步验证.47个矮秆基因混池和10个纯矮秆基因混池在ChrA10染色体上定位的关联区域互相重合,重合区间为1.83 Mb.本研究在ChrA10染色体上定位1个与DW871株高性状显著关联区间,这一研究结果为精细定位甘蓝型矮秆直立株型油菜株高性状基因奠定了良好基础.

以半矮秆育种为代表的“绿色革命”极大地提高了作物产量,但也带来氮营养利用效率降低的严重问题.“绿色革命”主要基于调控赤霉素的代谢和信号转导而实现.前期的研究发现,赤霉素信号转导关键因子DELLA蛋白通过调控GRF4而负调控氮素的吸收利用,为半矮秆品系氮利用效率低的问题提供了解决方案.最近的一项研究进一步揭示了GA信号途径与氮响应交叉互作的新机制.该研究发现水稻(Oryza sativa) NGR5是氮素调控分蘖数目的一个关键基因,其表达受氮诱导.通过招募PRC2,NGR5对D14和OsSPL14等分蘖抑制基因所在位点进行H3K27me3甲基化修饰,从而抑制其表达.而在半矮秆背景下超表达NGR5可以提高低氮水平下的水稻产量.NGR5同时也被发现为赤霉素受体GID1的一个新靶标,受到其负调控.该研究发现了调控赤霉素信号通路的新机制,并对高产高效的新一代“绿色革命”育种实践具有重要启示.