水稻雄性不育突变体ms102的鉴定和基因定位
王霞, 严维, 周志勤, 常振仪, 郑敏婷, 唐晓艳, 吴建新
植物学报
2022, 57 ( 1):
42-55.
DOI: 10.11983/CBB21158
水稻(Oryza sativa)隐性核雄性不育突变体是第三代杂交水稻技术的核心。为了挖掘优质雄性不育突变体, 该研究通过筛选优质籼稻黄华占(HHZ)的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变突变体库, 获得1个雄性不育突变体ms102 (male sterility mutant 102)。该突变体营养生长正常, 但花药不开裂, 花粉败育。细胞学分析表明, 突变体花药绒毡层不能正常降解, 导致小孢子发育异常; 遗传分析表明, 该突变体的不育表型由1个已报道编码酰基转移酶的DPW2基因突变造成。研究获得了1个隐性核雄性不育突变体, 进一步证实了DPW2基因在水稻花药发育中的功能。
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图2
水稻野生型(WT)和ms102突变体7-12时期花药切片
BMs: 二核小孢子; DMs: 降解小孢子; E: 外皮层; En: 内皮层; M: 中层; Mp: 成熟花粉; Ms: 小孢子; PMC: 花粉母细胞; ST: 膨大绒毡层; T: 绒毡层; Tds: 四分体。Bars=10 μm
正文中引用本图/表的段落
为了解析ms102突变体花粉败育的原因, 我们对ms102突变体和野生型黄华占不同发育时期的花药进行组织切片, 并比较野生型和ms102的花药发育过程。结果发现, 在花药发育第9时期以前, 突变体的花药壁和减数分裂与野生型无明显差异(图2A-C, E-G)。在第9时期野生型花药的四分体释放球形小孢子至药室腔中, 绒毡层开始浓缩; 突变体四分体正常释放了球形小孢子, 绒毡层进一步浓缩成山丘状(图2D, H)。在第10时期前期, 野生型绒毡层去液泡化, 继续浓缩降解, 但突变体的小孢子形态略有变形(图2I, M)。在第10时期后期, 野生型绒毡层已经开始降解变形,突变体绒毡层却开始膨胀变厚, 同时该时期突变体的小孢子明显开始降解变形(图2J, N)。在花药发育的第11和12时期, 野生型绒毡层完全降解, 小孢子经过2次有丝分裂和内含物积累, 最后发育成富含淀粉粒的饱满花粉粒(图2K, L), 而突变体绒毡层膨大, 小孢子完全降解皱缩(图2O, P)。
(A), (D) 第9时期; (B), (E) 第10时期(箭头指示小孢子外壁); (C), (F) 第12时期; (G), (H) 分别为B和E图中虚线框的放大部分(箭头指示乌氏体); T: 绒毡层; Ms: 小孢子; C: 角质层。(A), (B), (D), (E) Bars=2 μm; (C), (F), (G), (H) Bars =1 μm
本文的其它图/表
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表1
qRT-PCR引物序列
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表2
高分辨率溶解曲线(HRM)引物序列
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图1
水稻ms102突变体表型分析
(A) 成熟期植株的表型(bar=9 cm); (B) 成熟期野生型(WT)和ms102突变体分蘖数统计(n=23); (C) 扬花期野生型和ms102突变体叶色(bar=1 cm); (D) 去掉颖壳的成熟小花(bar=1 mm); (E) 扬花期的小花, 箭头指示开裂的花药(bar=1 cm); (F), (G) 野生型和ms102突变体的成熟花粉I2-KI染色(bars=50 μm); (H) 成熟期稻穗(bar=2.4 cm)
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表3
水稻WT × ms102杂交F2代表型分离比
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图3
水稻野生型(WT)和突变体(ms102)花药第9-12时期透射电镜超微结构
(A), (D) 第9时期; (B), (E) 第10时期(箭头指示小孢子外壁); (C), (F) 第12时期; (G), (H) 分别为B和E图中虚线框的放大部分(箭头指示乌氏体); T: 绒毡层; Ms: 小孢子; C: 角质层。(A), (B), (D), (E) Bars=2 μm; (C), (F), (G), (H) Bars =1 μm
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图4
水稻野生型(WT)和ms102突变体花药发育第12时期扫描电子显微镜超微结构
(A), (C), (E), (G) 花药外表面; (B), (F) 花粉粒; (D), (H) 乌氏体。(A), (E) Bars=100 μm; (B), (C), (F), (G) Bars=10 μm; (D), (H) Bars=2 μm
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图5
花药发育相关基因在野生型和ms102花药中的表达
通过qRT-PCR检测野生型与ms102突变体中花药发育7-12时期相关基因的表达量。以OsACTIN1作为内参, 数据为平均值±标准差(n=3)。* P<0.05, ** P<0.01, *** P<0.001
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表4
候选基因及注释信息
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表5
3个SNP候选位点基因型-表型连锁分析
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图6
水稻LOC_Os01g70140和LOC_Os01g70150基因结构及其突变体表型
(A) LOC_Os01g70140和LOC_Os01g70150基因结构及CRISPR突变体突变位点; (B)-(D) 花粉成熟期花药和雌蕊形态(bars=1 mm); (E)-(G) 成熟花粉粒I2-KI染色(bars=100 μm)。
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图7
水稻ms102突变体中DPW2基因突变位点分析
黑色三角形指示碱基替换突变位点, 虚线框指示缺失的核苷酸序列。
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图8
水稻突变体dpw2/+ × ms102 F1的表型
(A)-(D) 花粉成熟期花药和雌蕊形态(bars=1 mm); (E)-(H) 成熟花粉粒I2-KI染色(bars=100 μm)。
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