整合高通量测序技术和F2遗传群体材料快速定位水稻抽穗期基因位点

Heading date in rice is one of the major determinants of adaptation to different environments and seasons. It is one of the important agronomic traits that are controlled by major genes and multiple minor genes. Next-generation sequencing technologies have made it possible to directly map mutations responsible for phenotypes of interest via direct sequencing. MutMap, a method based on whole-genome resequencing of pooled DNA from a segregating population of plants that show a useful phenotype, has been inducted to establish an available system for identifying candidate causative gene loci from mutant. In this study, twelve rice heading date mutants are crossed directly with the original wild-type lines and then selfed to generate the second filial generation (F2) progeny for mutant gene identification through MutMap approach. It is helpful to solve the scientific and technical problems in rice heading date researches by using traditional method, especially for dissecting minor genes. Research results are expected to enrich the understanding of the genetic mechanisms in rice heading and provide the molecular basis for marker-assistant breeding in rice. The work meanwhile provides a high efficient technology platform for resolving complex agronomic traits in rice.

抽穗期是决定水稻品种地区和季节适应性的重要性状之一，其遗传研究对指导育种实践、品种改良及品种推广均具有重要意义。过去虽然通过图位克隆的方法定位了大量与抽穗期相关的遗传位点，但克隆抽穗期基因仍然具有挑战性。其中重要的原因是抽穗期是一个典型的数量性状，受主效基因和多个微效基因共同影响。本研究拟利用通过辐射诱变获得的水稻抽穗期有不同程度改变的一系列突变体材料，进一步构建突变体与野生型杂交的F2分离群体，采用基于高通量全基因组测序的突变体基因定位方法并结合群体分离分析方法，快速定位和克隆控制水稻抽穗期的基因。本项目研究，将为复杂农艺性状基因的高效克隆开辟一条新途径，为水稻分子育种提供理论依据和分子基础。

水稻是短日照植物，其抽穗时间受光周期的调控影响。抽穗期是决定水稻品种地区和季节适应性的重要性状之一，受主效基因和多个微效基因共同影响。其遗传研究对指导育种实践、品种改良及品种推广均具有重要意义。本研究利用通过辐射诱变获得的水稻抽穗期有不同程度改变的一系列突变体材料以及基于突变体与野生型杂交构建的F2分离群体，采用基于全基因组高通量突变体深度测序的基因定位方法和群体分离分析方法，定位到控制水稻抽穗相关的基因FQ2（已报到基因OsHY2，LOC_Os01g72090，AK101395）和FQ5（未知功能基因）。FQ2和FQ5相对于野生型东北IL9在（上海）自然光照条件下的抽穗期分别提前和滞后2周。以前的报道显示OsHY2基因突变会导致水稻完全丧失光周期反应。在人工设定光照培养箱差异光照时间的种植下，在SD（Short Day）和LD（Long Day）条件下CD（Continuous Day），FQ2表现出抽穗期分别为61±3天、65±3天、59±3天，与野生型东北IL9相比分别提前10天和12天；FQ5抽穗期则分别为90±2、106±3天，与野生型相比分别推迟19天和29天，暗示基因FQ5可能与光周期反应和昼夜节律相关。该基因编码WD40-like 结构域蛋白，在真核生物中与信号传导、转录调控以及控制细胞程序死亡等功能相关，拟南芥同源基因功能分析显示，该基因在植物生长发育中充当关键调控子。互补实验证实，将野生型的FQ5基因转移到突变体植株，抽穗期恢复到野生型表型，进一步证实FQ5基因与水稻抽穗相关。亚细胞定位实验显示，在细胞膜检测到绿色荧光蛋白信号，可能行使跨膜运输相关的生物学功能。酵母双杂交实验与转录组测序分析结果显示FQ5可能与OsMADS14有协同作用。FQ5是否与其它水稻抽穗期相关基因形成互作网络，有待进一步证实。互补实验显示FQ5突变体在水稻株高、籽粒形状、千粒重等农艺性状也得到了恢复，推测该基因可能与水稻产量也紧密相关，在未来的水稻育种中可以发挥有效的作用。