周 可李 燕王世明崔國慶楊正林何光華凌英華趙芳明,*

1西南大學(xué)水稻研究所 / 轉(zhuǎn)基因植物與安全控制重慶市市級重點實驗室, 重慶400716;2貴州省茶葉研究所, 貴州貴陽550006

水稻紫鞘染色體片段代換系Z519的鑒定及PSH1候選基因分析

周 可1,**李 燕1,2,**王世明1崔國慶1楊正林1何光華1凌英華1趙芳明1,*

1西南大學(xué)水稻研究所 / 轉(zhuǎn)基因植物與安全控制重慶市市級重點實驗室, 重慶400716;2貴州省茶葉研究所, 貴州貴陽550006

花青素是廣受人們喜愛的植物色素, 在食品加工、雜種純度鑒定中具有重要的作用。本研究鑒定了一個以日本晴為受體、優(yōu)良紫鞘恢復(fù)系R225為供體親本的紫鞘水稻染色體片段代換系Z519。Z519共含有16個代換片段,分布于除第10染色體外的其他11條染色體, 平均長度為6.85 Mb。Z519在芽鞘3 mm時鞘尖呈現(xiàn)紫色, 其后在葉鞘、葉緣、莖維管束和柱頭等部位出現(xiàn)紫色線條, 而日本晴各部位均為綠色。Z519葉鞘中花青素含量極顯著高于日本晴,劍葉中沒有顯著差異。與受體日本晴相比, Z519的株高顯著降低, 千粒重、主穗總粒數(shù)和實粒數(shù)顯著增加, 有效穗數(shù)、主穗長和結(jié)實率無顯著差異。進一步以日本晴與Z519雜交產(chǎn)生的F1和F2群體對紫鞘基因進行了遺傳分析和分子定位。該紫鞘表型受顯性單基因控制, 位于第1染色體InDel標記L03和SSR標記L01之間37.8 kb的區(qū)域, 被命名為PSH1。對該區(qū)間進行候選基因預(yù)測和測序, Z519在一個編碼質(zhì)體ATP/ADP轉(zhuǎn)運蛋白的LOC_Os01g45910基因第一外顯子的第238～252堿基的GTG重復(fù)區(qū)又多插入了GTG 3個堿基, 導(dǎo)致增加了一個甘氨酸。qRT-PCR結(jié)果進一步表明其表達量在Z519中明顯降低, 初步確定LOC_Os01g45910是PSH1的候選基因。該研究為PSH1調(diào)控花青素的分子機制奠定了良好基礎(chǔ)。

水稻; 染色體片段代換系; 紫鞘PSH1; 基因定位

花青素屬類黃酮化合物, 是一種天然的食用色素, 廣泛存在于植物中, 具有抗氧化、預(yù)防心腦血管疾病、抵御低溫、抑制腫瘤細胞等生物功能[1]?；ㄇ嗨氐纳锖铣芍饕ㄟ^苯丙氨酸途徑[2], 即苯丙氨酸在一系列酶的催化作用下生成過渡產(chǎn)物4-香豆酸CoA和二氫黃酮醇, 最后生成各種花青素類似物[3]。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展, 已發(fā)現(xiàn)大量調(diào)控其合成途徑所需酶的結(jié)構(gòu)基因, 如 CHS、CHI、F3H、F3’H、F3’5’H、DFR[4-7]等; 以及編碼轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)基因, 如R2R3-MYB蛋白、MYB家族的BHLH蛋白、WD40蛋白基因家族[8-9]等。WD40-bHLHMYB形成的復(fù)合體主要影響其下游基因的表達, 直接調(diào)控花青素合成早期基因[10]。此外, 花青素的轉(zhuǎn)運與積累在一定程度上也影響著植株顏色的表現(xiàn),但其轉(zhuǎn)運過程尚未完全清楚[11-12]。目前比較公認的有4種蛋白(GST、MRP、MATE和BTL-homologue)可能參與花青苷類物質(zhì)向液泡的轉(zhuǎn)運, 即花青素在細胞質(zhì)中可在GST的作用下糖基化, 在植物液泡膜的谷胱甘肽泵作用下運到液泡中。目前已在許多植物中克隆了GST基因, 如玉米中的Bronze2基因和擬南芥中的TT19基因等[13-14]?；ㄇ嗨卦谌~鞘、葉片、種皮等部位累積, 可產(chǎn)生有色稻, 據(jù)其沉積的濃淡及分布, 在食品改良、分類學(xué)和遺傳學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用價值, 尤其在雜種純度鑒定, 目的基因瞬時表達, 以及轉(zhuǎn)基因的指示中具有非常重要的作用[15]。

我們以粳稻日本晴為受體、優(yōu)良紫鞘恢復(fù)系R225為供體通過高代回交和分子標記輔助選擇, 鑒定了一個紫鞘水稻染色體片段代換系 Z519。目前,在水稻中, 分子定位的紫鞘基因還較少, 如位于第1染色體的 PSH1(t)[16]、第 6染色體的 PSH(t)[17]和OsC1[15]及第11染色體的OsA1[15]。圖位克隆的僅有OsC1和 OsA1[15]。此外, 2個水稻紫葉的候選基因OsB1和OsB2是以玉米的B基因序列作探針被同源克隆的[18]。這些研究為揭示花青素分子調(diào)控途徑奠定了良好基礎(chǔ), 但還遠遠不夠, 鑒定新的水稻花青素相關(guān)基因, 對深入理解花青素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有重要意義。

本文進一步對該紫鞘染色體片段代換系 Z519進行分子鑒定、形態(tài)分析、生理生化和重要農(nóng)藝性狀評價; 對該紫鞘性狀進行遺傳分析、基因定位和候選基因分析。研究結(jié)果對該紫鞘基因克隆和花青素調(diào)控途徑的分子機制研究有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與田間種植

水稻染色體代換系片段 Z519是以日本晴為受體親本、西南大學(xué)水稻研究所自主選育的優(yōu)良紫鞘恢復(fù)系R225為供體親本, 經(jīng)連續(xù)回交和自交并通過表型和分子標記選擇, 在 BC3F7獲得的遺傳穩(wěn)定的紫鞘染色體片段代換系。

用于遺傳分析和基因定位的材料是以日本晴和Z519雜交產(chǎn)生的F1和F2隱性群體。

2014年3月8日, 將日本晴、Z519和F2種植于重慶西南大學(xué)實驗基地育苗。4月15日移栽, 各栽親本30株及F2全部。每行栽10株, 行、株距分別為26.4 cm和16.5 cm, 常規(guī)管理。

1.2 試驗方法

1.2.1 Z519代換片段鑒定 以綠鞘日本晴和紫鞘 R225有多態(tài)性的 253個多態(tài)性標記[19]從 BC2F1開始進行分子標記和表型雙重選擇。2013年在BC3F4的Z120中發(fā)現(xiàn)綠鞘株(8株)與紫鞘株(21株)的比例接近1∶3, 收獲5株紫鞘株, 連續(xù)自交, 然后從每個株系取20株進行分子標記輔助選擇, 在BC3F7選出了純合紫鞘染色體代換系片段Z519。在分子標記篩選的過程中, 當(dāng)某一標記的帶型與受體親本日本晴帶型一致時, 則認為該DNA片段來自受體親本日本晴的基因組; 當(dāng)某一標記的帶型與供體親本R225帶型一致時, 則認為該DNA片段來自供體親本R225的基因組; 當(dāng)連續(xù)幾個標記的帶型與供體親本一致時, 則認為該段為一個代換片段。參照Paterson等[20]方法計算代換片段的長度。

1.2.2 農(nóng)藝性狀分析 成熟后, 分別取日本晴和Z519中間行的 10株考查其株高、有效穗數(shù)、主穗長、主穗實粒數(shù)、主穗總粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重等農(nóng)藝性狀, 然后進行t測驗統(tǒng)計分析。

1.2.3 葉綠素及花青素含量測定 在抽穗期分別取日本晴和Z519各10株的劍葉和葉鞘, 按鄒琦方法測定葉綠素含量[21]; 按于曉南等方法測定花青素含量[22]。

1.2.4 分子定位 以日本晴/Z519的F2分離群體的276株隱性(綠鞘)株作為定位群體。選用16個代換片段中效果較好的標記對 F2群體的 30個綠鞘株進行基因連鎖分析, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一標記與紫鞘基因可能連鎖時, 用F2群體中的10株綠鞘單株和10株紫鞘單株進一步驗證。當(dāng)證明確實存在連鎖時, 擴大群體, 用這一代換片段上的所有標記進行定位。

采用堿煮法[23]提取用于基因定位的 F2單株DNA, 采用CTAB法[24]提取親本DNA。PCR反應(yīng)體系和 10%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳及快速銀染方法與向佳等方法相同[23]。將具有日本晴帶型的單株記為A, 具有Z519帶型的單株記為B, 具有雙親帶型的單株記為H。用MapMaker 3.0進行數(shù)據(jù)分析和作圖, 用Kosambi函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)化為遺傳距離。

1.2.5 候選基因預(yù)測與測序 在水稻自動釋義數(shù)據(jù)庫(RAD)(http://ricegaas.dna.affrc.go.jp/rgadb/)和水稻釋義計劃數(shù)據(jù)庫(RAP-DB)(http://rapdb.dna.affrc. go.jp/)中, 查詢精細定位區(qū)間內(nèi)所有基因信息。與Gramene (http://www.gramene.org/rice_mutant/)中查詢的基因信息比對, 結(jié)合基因預(yù)測功能, 篩選候選基因。

以日本晴和Z519的DNA序列設(shè)計引物, 分段擴增候選基因。PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳分離后切膠回收并連接到pMD19-T載體, 連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)DH5α, PCR檢測篩選陽性克隆子送上海英濰捷基貿(mào)易有限公司測序, 然后分析測序結(jié)果。

1.2.6 候選基因的qRT-PCR表達分析 按TaKaRa生物工程有限公司試劑盒說明書 提取及純化日本晴和 Z519的葉鞘 RNA, 按照逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書制作cDNA。以Actin為內(nèi)參基因, 910d1引物檢測候選基因的表達量。在 Bio-Rad CFX96熒光定量PCR儀上完成定量PCR, 反應(yīng)總體系為25 μL, 即2 μL的cDNA模板, 2 μL 0.4 μmol L–1的引物, 12.5 μL 1X的 SYBR Green熒光染料和8.5 μL RNase free ddH2O。用CFX-Manager軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Z519染色體代換片段的鑒定

在前期研究的基礎(chǔ)上, 用 Z519代換片段上的82個SSR標記及代換片段外的36個SSR標記對10株 Z519進行進一步代換片段鑒定和遺傳背景檢測,發(fā)現(xiàn)10個單株的代換片段一致, 且沒有檢出背景片段, 說明Z519已純合。Z519共含有來自R225的16個代換片段, 分別位于除第 10染色體外的其他 11條染色體。第 1染色體的代換區(qū)間為 RM3475–RM6960, 估計長度為9.85 Mb。第2染色體的代換區(qū)間為RM2483–RM6843, 估計長度約為17.67 Mb。第 3染色體的代換區(qū)間為 RM132–RM3417和RM6266–RM3346, 估計長度分別為 6.30 Mb和11.60 Mb。第4染色體的代換區(qū)間RM5900–RM1155,估計長度為 6.85 Mb。第 5染色體上代換區(qū)間為RM2010–RM405和 RM5441–RM4837, 估計長度分別為2.40 Mb和1.85 Mb。第6染色體上的代換片段為RM3330–RM3183–RM7193, 估計長度為4.5 Mb。第 7染色體上的代換片段為 RM8006–RM3583–RM1180和 RM234–RM8261–RM3552, 估計長度分別為0.65 Mb和0.45 Mb。第8染色體的代換區(qū)間為RM1376–RM8264, 估計長度為17.05 Mb。第9染色體的代換區(qū)間為 RM5657–RM1189, 估計長度為2.75 Mb。第 11染色體的代換區(qū)間為 RM3717–RM3747和RM3701–RM2191, 估計長度分別為1.45 Mb和 17.75 Mb。第 12染色體的代換區(qū)間分別為RM1261–RM1986和RM6869–RM5990, 估計長度分別為5.4 Mb和3.1 Mb。其中, 最短代換長度為0.45 Mb, 最長代換長度為 17.67 Mb。代換總長度合計109.62 Mb, 平均代換長度為6.85 Mb (圖1)。

2.2 Z519的形態(tài)分析

Z519的芽鞘長到近3 mm時, 其尖端開始出現(xiàn)紫紅色線條, 隨著芽鞘的不斷伸長和葉片的長出,葉鞘顏色逐漸加深。隨著生育進程的推進, 紫色條紋也在柱頭、莖維管束、葉邊緣等部位呈現(xiàn), 而受體日本晴的各部位均呈綠色(圖2-A～E)。與日本晴相比, Z519的株高顯著降低(5.9 cm), 主穗總粒數(shù)、實粒數(shù)和千粒重顯著增加, 主穗長、有效穗數(shù)和結(jié)實率無顯著差異(表1)。暗示Z519的代換片段上可能含有矮化、多粒和粒重等有利 QTL, 因而是一個有重要應(yīng)用價值的材料。

2.3 Z519的葉綠素和花青素含量分析

在抽穗期, Z519劍葉中的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量極顯著高于日本晴(圖3-A); Z519葉鞘中的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量與日本晴無顯著差異(圖3-B); 花青素含量在Z519葉鞘中極顯著高于日本晴, 在劍葉中與日本晴無顯著差異(圖3-C)。

圖1 Z519的染色體代換片段Fig. 1 Chromosome substitution segments of Z519圖中黑色區(qū)段為代換片段所在的位置, 染色體左端數(shù)字為物理圖距(Mb), 右側(cè)為分子標記。Black intervals indicate substitution segments. The digits on the left of chromosomes represent physical distance (Mb) while the markers are on the right.

表1 日本晴和Z519的農(nóng)藝性狀Table 1 Agronomic traits of Nipponbare and Z519

2.4 Z519的水稻紫鞘遺傳分析

日本晴與紫鞘代換系Z519雜交產(chǎn)生的F1植株均表現(xiàn)為紫鞘, F2代植株呈現(xiàn)紫鞘與綠鞘分離, 經(jīng)卡平方測驗, 紫鞘(724)∶綠鞘(276)符合 3∶1的分離比(χ2= 1.67≤χ2(1,0.05)= 3.84), 表明Z519紫鞘表型受顯性單基因調(diào)控。

圖3 日本晴和Z519的葉綠素及花青素含量Fig. 3 Contents of chlorophyll and anthocyanidin of Nipponbare and Z519A: 抽穗期劍葉的葉綠素含量; B: 抽穗期鞘的葉綠素含量; C: 抽穗期劍葉和鞘中的花青素含量。A: chlorophyll content of the flag leaves at the heading stage; B: chlorophyll content of the sheath at the heading stage; C: anthocyanin content in the sheath and flag leaves of Nipponbare and Z519 at the heading stage.

2.5 PSH1基因的分子標記定位及候選基因預(yù)測和測序

以16個代換片段中效果較好的標記對其中的30個隱性綠鞘單株進行基因連鎖分析, 發(fā)現(xiàn)位于第1染色體的SSR標記RM3475可能與PSH1連鎖。然后用10株紫鞘單株和10株綠鞘單株進一步驗證表明, 該標記確實與 PSH1連鎖。最后以該代換片段上的所有標記對 F2群體中的276株隱性綠鞘單株將其初定位于第1染色體SSR標記RM3475和RM7202之間, 其遺傳距離分別為4.53 cM和4.89 cM。在該區(qū)間內(nèi)設(shè)計了3個SSR標記和2個InDel標記, 其中4個具有多態(tài)性(表2)。以4個多態(tài)性的標記對276株隱性綠鞘單株進行精細定位, 最終將其定位于InDel標記 L03和SSR標記 L01之間, 物理距離為37.8 kb (圖4)。

經(jīng)相關(guān)軟件基因預(yù)測, 在定位區(qū)間內(nèi)共有 6個基因。其中有2個表達蛋白、1個逆轉(zhuǎn)座子、1個假定蛋白、1個編碼 OsFBX20-F-box結(jié)構(gòu)域蛋白和 1個編碼質(zhì)體ATP/ADP轉(zhuǎn)運蛋白基因(表3)。

通過分析這些基因, 對其中 2個可能的基因(F-box結(jié)構(gòu)域蛋白和質(zhì)體 ATP/ADP轉(zhuǎn)運蛋白)進行了DNA測序, 并分別用BioEdit和Vector NTI軟件進行Blast分析。結(jié)果表明, 編碼F-box結(jié)構(gòu)域蛋白的基因(LOC_Os01g4590)在Z519和日本晴之間無差異; 而編碼質(zhì)體 ATP/ADP轉(zhuǎn)運蛋白的 LOC_ Os01g45910存在兩處差異。第1處差異是, 在日本晴中LOC_Os01g45910的基因編碼區(qū)從起始密碼子ATG下游的238 bp到252 bp處是5個重復(fù)GGT, 共編碼5個甘氨酸殘基, 而在Z519中, 該編碼區(qū)域多出了一組 GGT, 因此編碼的蛋白產(chǎn)物中多出了一個甘氨酸殘基。第2處差異是第一外顯子的第363堿基由G變成A (圖5), 使密碼子AAG變成AAA, 但這兩個密碼子均編碼賴氨酸, 故并未引起氨基酸的改變。因此, LOC_Os01g45910被初步確定為紫鞘的PSH1的候選基因, 該基因全長5270 bp, 有5個外顯子和4個內(nèi)含子(圖4)。通過qRT-PCR分析, LOC_ Os01g45910基因在 Z519的表達量比在日本晴中明顯降低(圖 6), 進一步輔證了 LOC_Os01g45910是 PSH1候選基因。測序時所用的 DNA 引物及qRT-PCR所用引物見表4。

表2 定位區(qū)間的多態(tài)引物Table 2 Polymorphism primers for gene mapping

圖4 PSH1基因分子定位Fig. 4 Molecular mapping of PSH1Chr.1: 第1染色體; Dist.: 遺傳距離; GGT(5)為5個GGT重復(fù); GGT(6)為6個GGT重復(fù)。Chr.1: chromosome 1; Dist.: genetic distance; GGT(5): 5 GGT repeat; GGT(6): 6 GGT repeat.

表3 定位區(qū)間內(nèi)的基因預(yù)測Table 3 Gene prediction in the mapped region

3 討論

水稻染色體片段代換系與受體親本只存在代換片段的差異, 可將復(fù)雜性狀分解為單個孟德爾因子,是用于QTL定位的良好材料, 尤其作為一個強大的工具, 這些代換系可很好地將基于優(yōu)良品種遺傳背景下鑒定出的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗性基因與水稻育種計劃緊密結(jié)合[25-26]。本研究采用已全基因組測序的粳稻日本晴為受體親本、西南大學(xué)選育的優(yōu)良紫鞘恢復(fù)系 R225為供體親本, 通過高代回交, 并結(jié)合分子標記輔助選擇及表型雙重選擇的方法, 鑒定了一個紫鞘染色體片段代換系Z519。Z519包含16個代換片段, 分布于除第 10染色體外的其他 11條染色體, 平均代換長度為6.85 Mb。該代換系的株高顯著低于日本晴, 主穗總粒數(shù)、實粒數(shù)和千粒重顯著高于受體日本晴, 有效穗數(shù)、主穗粒長和結(jié)實率與受體無顯著差異, 因而Z519在基因聚合育種、有利基因的進一步分離和功能研究方面具有重要的應(yīng)用價值。

表4 PSH1候選基因的DNA的測序引物序列及qRT-PCR的引物序列Table 4 Primers of DNA sequencing and qRT-PCR

圖5 候選基因LOC_Os01g45910的比對分析Fig. 5 Blast analysis of the candidate gene LOC_Os01g459105 GGT: 5個GGT重復(fù); 6 GGT: 6個GGT重復(fù)。5 GGT: 5 GGT repeat; 6 GGT: 6 GGT repeat.

圖6 LOC_Os01g45910在日本晴和Z519中的表達量Fig. 6 Expression level of LOC_Os01g45910 in Nipponbare and Z519

花青素屬于類黃酮類物質(zhì), 在植物生長發(fā)育、防御敵害等方面意義重大, 具有清除自由基、抗癌和抗氧化等多種生物活性; 對腫瘤和心血管等疾病的治療與預(yù)防有著重要的作用[27]。目前, 關(guān)于水稻紫色性狀的遺傳已有相關(guān)研究, 但由于所用紫色稻材料的不同, 在不同遺傳背景下水稻紫色基因及紫色抑制基因數(shù)目的不同, 導(dǎo)致研究結(jié)果也不盡一致,但基本上紫色為顯性[16,28-33]。本研究鑒定的水稻染色體片段代換系 Z519的葉鞘顏色隨生育進程逐漸加深, 紫色條紋也在柱頭、莖維管束、葉邊緣等部位呈現(xiàn)。經(jīng)遺傳分析, 該紫鞘表型受單基因顯性調(diào)控。進一步以日本晴和 Z519回交并自交產(chǎn)生的 F2隱性群體為材料, 將PSH1定位于第1染色體長臂分子標記L03和L01之間37.8 kb的區(qū)域。PSH1不同于Hu等[34]從紫葉Purple522的cDNA文庫中分離出的2個有bHLH結(jié)構(gòu)的Ra和Rb基因(位于第1染色體的 R2347-C808之間)。同時, 也完全不同于定位于第6染色體的PSH(t)[16]和OsC1[2]及第11染色體的OsA1[2]。PSH1與Wang等[16]定位于第1染色體23.5 kb區(qū)域的 PSH1(t)位置相近, 但其沒有確定候選基因。本研究經(jīng)基因預(yù)測和測序, 發(fā)現(xiàn)Z519在一個編碼質(zhì)體ATP/ADP轉(zhuǎn)運蛋白的LOC_Os01g45910基因第一外顯子的第238～252堿基的5個G、T、G重復(fù)區(qū)又多插入了3個堿基G、T、G, 導(dǎo)致增加了一個甘氨酸, 而且其表達量在Z519中明顯降低。我們初步認為該基因可能是 PSH1的候選基因。該蛋白主要存在于細胞膜上, 影響物質(zhì)的跨膜運輸。已有研究表明, 與花青素轉(zhuǎn)運有關(guān)的 MATE家族, 通過H+/Na+的逆向轉(zhuǎn)運, 在ATP的作用下把花青素轉(zhuǎn)入液泡[35]。因而 PSH1可能是影響花青素轉(zhuǎn)運的一個新基因, 至于 PSH1編碼蛋白跨膜轉(zhuǎn)運的機制尚不清楚, 還需進一步深入研究。因而克隆該基因?qū)ㄇ嗨氐姆肿舆z傳機制研究具有重要意義。

4 結(jié)論

鑒定了一個以日本晴為受體、優(yōu)良恢復(fù)系R225為供體的水稻染色體片段代換系 Z519。Z519包含16個代換片段, 分布于除第 10染色體外的其他 11條染色體, 平均代換長度為6.85 Mb。Z519表現(xiàn)紫鞘, 并在葉緣、莖稈維管束和柱頭等部位呈現(xiàn)紫色條紋, 其葉鞘的花青素含量和劍葉中的葉綠素含量顯著高于日本晴。該代換系的株高顯著降低, 千粒重、主穗總粒數(shù)和實粒數(shù)顯著增加, 有效穗數(shù)、主穗長和結(jié)實率與受體日本晴無顯著差異。該紫鞘性狀受1對顯性核基因控制, 被定位于水稻第1染色體L03和L01之間37.8 kb的區(qū)域, 被命名為PSH1。初步確定編碼質(zhì)體 ATP/ADP轉(zhuǎn)運蛋白的基因LOC_Os01g45910為PSH1候選基因, 目前尚未被克隆, 可能是一個調(diào)控花青素轉(zhuǎn)運的新基因。

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Identification of Rice Chromosome Segment Substitution Line Z519 with Purple Sheath and Candidate Gene Analysis of PSH1

ZHOU Ke1,**, LI Yan1,2,**, WANG Shi-Ming1, CUI Guo-Qing1, YANG Zheng-Lin1, HE Guang-Hua1, LING Ying-Hua1, and ZHAO Fang-Ming1,*1Rice Research Institute, Southwest University / Chongqing Key Laboratory of Application and Safety Control of Genetically Modified Crops, Chongqing 400716, China;2Tea Research Institute of Guizhou Province, Guiyang 550006, China

Anthocyanins as plant pigments are widely liked by people and play a very important role in food processing and hybrid purity identification. Here, a rice chromosome segment substitution line (CSSL) Z519 with purple sheath was identified deriving from recipient Nipponbare and donor R225. Z519 contained 16 substitution segments with 6.85 Mb of average length, which were distributed on 11 chromosomes of rice except the 10th chromosome. The bud sheath of Z519 began to appear the purple color stripes when it was about 3 mm long. Then the purple stripes displayed on sheaths, leaf margins, vascular bundles of stem and stigmas. While all parts of Nipponbare were green. Anthocyanin content in leaf sheath of Z519 was significantly higher than that of Nipponbare, whereas no significant difference was in flag leaf. Compared with Nipponbare, plant height of Z519 was significantly decreased, spikelets number and grain number of main panicle, and 1000-grain weight of Z519 were significantly increased. There was no significant difference between Z519 and Nipponbare in the other traits such as panicle number, main panicle length and seed-setting rate. Then, F2population from the cross of Nipponbare and Z519 were used for genetic analysis and gene mapping of the purple sheath. The purple sheath in Z519 was controlled by a single dominant gene, named as PSH1,which was mapped on the chromosome 1 between InDel marker L03 and SSR marker L01 with the physical distance of 37.8 kb. By sequencing and gene-predicting in the region, Z519 had three bases (GTG) insertion in the GTG repeat area of the 238th-252th base in the first exon compared with Nipponbare, which resulted in increasing a Gly amino acid. Furthermore, the expression of LOC_Os01g45910 was obviously decreased in Z519 by qRT-PCR analysis. Thus, LOC_Os01g45910 was preliminary identified as the candidate gene of PSH1. The results lay a good foundation for studying molecular mechanisms of regulating anthocyanin by PSH1.

Rice (Oryza sativa L.); Chromosome segment substitution line (CSSL); Purple sheath PSH1; Gene mapping

(

): 2016-11-25; Accepted(接受日期): 2017-03-01; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-03-27.

10.3724/SP.J.1006.2017.00974

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(SQ2016ZY03001818)的“水稻雜種優(yōu)勢利用創(chuàng)新技術(shù)研究”課題(2016YFD0101107)和重慶市重點實驗室能力提升項目(cstc2014pt-sy80001)資助。

This study was supported by the subject “New Technology of Heterosis Utilization in Rice” (2016YFD0101107) in the National Key Research and Development Program (SQ2016ZY03001818), and Chongqing Key Laboratory Capacity Improvement Project (cstc2014pt-sy80001).

*通訊作者(Corresponding author): 趙芳明, E-mail: zhaofangming2004@163.com, Tel: 023-68250486

聯(lián)系方式: 周可, E-mail: 960968356@qq.com, Tel: 023-68250486**同等貢獻(Contributed equally to this work)

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170327.0804.002.html