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稻穗形态是影响水稻产量的重要农艺性状之一,有研究证明,直立穗水稻比弯曲穗水稻有更多高产优势,所以对穗直立与穗弯曲相关基因的研究定位在优化穗型提高水稻产量方面的研究有重要的意义。随着水稻全基因组序列测定的完成,功能基因组学以及利用Ac/Ds系统构建的水稻突变体库在水稻分子遗传育种方面得到广泛应用。经过多年对粳稻品种Dongjin的Ac/Ds插入突变株系的栽培,本实验室从中筛选到一株具有Ds插入的曲穗突变体,分别从形态学、生理学及分子生物学方面初步分析穗弯曲形成的可能原因,为水稻优质高产育种的研究提供参考。本研究主要包括两方面的内容:1.曲穗突变体的形态及生理鉴定。试验田中随机抽取野生型和突变体成熟期植株各50株,测量该突变体与野生型在穗长、千粒重、粒长、粒宽及粒长与宽比值并分析比较其差异;制作突变体与野生型茎秆横切面石蜡切片,从解剖学角度分析比较两者在维管束的数目、形态、大小等方面的差异。结果显示,突变体与野生型在穗长、粒长、粒宽及长与宽比值上无明显差异,但在穗型弯曲度及千粒重上有显著差异,曲穗突变体的穗千粒重低于野生型穗千粒重;解剖学研究发现,突变体与野生型水稻植株在厚壁组织、薄壁组织厚度及维管束数目方面无明显差异,但在内轮维管束的形状上有显著差异,曲穗突变体内轮维管束横切面上呈圆形,而野生型内轮维管束呈椭圆形。由此推测,Ds插入部位基因的表达对水稻茎秆维管束结构的改变有影响,维管束在一定程度上影响籽粒灌浆物质的运转,是营养器官向穗部输送水分、矿物质和有机养分的通道,维管束形状的改变可能与形成曲穗突变体的原因有关。2.Ds插入部位侧翼序列的扩增及相关基因的结构及功能的预测。基于TAIL-PCR技术,通过不同简并引物与特异引物的搭配,扩增并分离到Ds插入部位的侧翼序列,经核苷酸数据库(NCBI-BLAST)在线比对分析,得到Ds插入部位相关基因,并用生物软件分析其可能结构;根据获得的侧翼序列设计引物,采用RACE技术信息学鉴定Ds的插入对相关基因的表达和结构的影响。结果显示,Ds插入在水稻3号染色体(Sequence ID:dbj|AP014959.1|)的基因之间,距离下游类泛素蛋白酶1(Ulp1)基因1554 bp核苷酸。对Ds插入位点下游基因进行启动子预测,Promoter 2.0 Prediction和Web Promoter Scan Service及FGENESH2.6和PLACE软件预测结果显示,Ds插入位点可能位于其下游类泛素蛋白酶1(Ulp1)基因的启动子区域,该预测区域有关于花序形成相关的启动子元件;采用RACE技术对野生型水稻和突变体水稻中获得的Ds插入相关标记基因的cDNA序列进行比较,发现Ds插入前后下游基因的cDNA 3’末端序列无变化,即Ds的插入对下游类泛素蛋白酶1基因(Ulp1)的核苷酸序列无影响。综合上述实验结果,我们初步预测,Ds的插入影响了Ds插入位点下游基因类泛素蛋白酶1(Ulp1)基因的启动子区域,进而影响了该基因的表达,而Ulp1在SUMO/Smt3代谢途径中有重要的调控作用。SUMO/Smt3代谢途径影响植物开花时期,最终在突变体水稻植株表型上就表现为穗型的改变。