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一个水稻脆秆突变体bc21的鉴定和基因定位

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作物学报 2023年第5期49卷 1426-1431页

作者：戴文慧朱琪张小芳吕沈阳项显波马涛陈宇杰朱世华丁沃娜宁波大学科学技术学院浙江宁波315212 宁波大学海洋学院浙江宁波315211 平阳县市场监督管理局浙江温州325400

利用甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻Kasalath获得一个脆秆突变体bc21。表型分析发现,该突变体的茎秆及叶片均易折断,且该脆性表型在苗期开始表现,至成熟期时最显著。茎秆机械强度分析表明, bc21茎秆的抗折力、拉伸力显著下降。树脂切片及扫... 详细信息

利用甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻Kasalath获得一个脆秆突变体bc21。表型分析发现,该突变体的茎秆及叶片均易折断,且该脆性表型在苗期开始表现,至成熟期时最显著。茎秆机械强度分析表明, bc21茎秆的抗折力、拉伸力显著下降。树脂切片及扫描电镜观察发现, bc21茎秆的厚壁组织细胞空隙增多,细胞壁明显变薄。茎秆细胞壁组分含量分析表明,与野生型相比, bc21的纤维素含量降低36.60%,半纤维素和木质素含量分别升高23.08%和26.06%。经遗传分析得出,bc21的脆性性状由隐性单基因控制。利用SSR标记和自行设计的STS标记将BC21基因定位于水稻第6号染色体STS标记STS2和STS3之间约52.9kb的范围内,该区间内没有已报道的水稻脆性相关基因,表明BC21可能是1个新的水稻脆秆基因,为进一步揭示水稻茎秆机械强度的调控机制提供了材料支撑。

关键词：水稻脆秆突变体细胞壁纤维素基因定位

水稻脆秆突变体bc1-wu3的鉴定与基因克隆

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中国水稻科学 2017年第2期31卷 157-165页

作者：许作鹏仲崇元张丽佳刘巧泉扬州大学农学院植物功能基因组学教育部重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心江苏扬州225009

【目的】茎秆机械强度与植株抗倒伏性直接相关。发掘脆秆突变体,克隆其相关基因有助于了解茎秆机械强度遗传机制,为抗倒伏育种提供理论依据。【方法】在经^(60)Co-γ诱变的粳稻品种武育粳3号后代群体中获得一个脆秆突变体,命名为bc1-wu3... 详细信息

【目的】茎秆机械强度与植株抗倒伏性直接相关。发掘脆秆突变体,克隆其相关基因有助于了解茎秆机械强度遗传机制,为抗倒伏育种提供理论依据。【方法】在经^(60)Co-γ诱变的粳稻品种武育粳3号后代群体中获得一个脆秆突变体,命名为bc1-wu3(brittle culm 1 from Wuyujing3),以突变体bc1-wu3为母本,Kasalath为父本构建相应的F_2分离群体,采用图位克隆的方法定位相应脆秆基因。【结果】与野生型相比,突变体的叶片、叶鞘、茎秆等组织在全生育期始终表现为脆性,易折断;穗长和粒长显著降低,粒宽显著增加。茎秆细胞细胞壁糖成分测定表明,细胞壁中纤维素含量极显著下降,而木糖、葡萄糖及阿拉伯糖含量则显著增加。茎秆切片观察发现突变体茎秆的厚壁细胞层数减少,厚壁细胞细胞壁极显著变薄。遗传分析表明,bc1-wu3脆性性状受1对隐性核基因控制。采用图位克隆的技术将该基因定位于第3染色体标记MK12与MK18之间,物理距离为57 kb,在此定位区段内包含1个已克隆的脆性基因BC1(LOC_Os03g30250)。测序结果表明,突变体bc1-wu3中BC1基因第2外显子内(CDS 659处)有1个碱基的替换(G-T),导致编码氨基酸由半胱氨酸变异为苯丙氨酸。实时荧光定量PCR结果表明,BC1基因在脆秆突变体bc1-wu3茎秆中的表达量显著降低。【结论】据此推断本研究中定位的脆秆基因bc1-wu3为BC1新等位基因。相关结果加深了对BC1基因功能的认识,有助于阐明水稻茎秆强度遗传机制。

关键词：水稻脆秆突变体 BC1基因遗传分析基因定位

Mutator转座子介导的玉米脆秆突变体的形态学、生物化学及遗传学分析

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Mutator转座子介导的玉米脆秆突变体的形态学、生物化学及遗传学...

作者：傅学乾华中农业大学

学位级别：硕士

茎秆脆性突变体是研究茎秆形成机制、进行秸秆改良的重要资源。茎秆强度是重要的玉米农艺性状,茎秆机械强度降低,容易导致植株倒伏,影响玉米的产量和品质;茎秆机械强度变化伴随有植株生化成分以及植株脆性的改变。我国每年产生多达2亿... 详细信息

茎秆脆性突变体是研究茎秆形成机制、进行秸秆改良的重要资源。茎秆强度是重要的玉米农艺性状,茎秆机械强度降低,容易导致植株倒伏,影响玉米的产量和品质;茎秆机械强度变化伴随有植株生化成分以及植株脆性的改变。我国每年产生多达2亿吨的玉米秸秆,改良玉米秸秆,使其适用于饲料、生物能源等用途,有利于提高资源的综合利用效率。因脆性突变体较为缺乏,有关玉米细胞壁合成机理的研究进展缓慢,获得更多脆性突变体将加快其研究步伐。在玉米中主要利用Mutator转座子构建突变体库,Mutator转座子具有较高的突变频率、较低的插入专一性、在基因组中自身拷贝数多等特点,容易在较少的群体内产生覆盖全基因组的大量突变体。从玉米自交系Zong31和携带活性（?）4uDR转座子的自交系W22杂交构建的突变体库中,筛选得到了茎秆和叶片都表现明显脆性的突变植株,经多代自交和表型鉴定,获得性状稳定的纯合突变体。本研究应用形态学、细胞学、生物化学和遗传学等方法分析了此突变体与正常玉米叶片机械强度、茎秆显微结构、植株生化成分的差异;并对杂交后代进行遗传分析,明确了此性状的遗传方式,为今后深入开展脆性基因的克隆、功能分析以及生物质能源利用研究等提供了基础材料。主要结果如下： 1、田间表型考察表明：在种子萌发和幼苗阶段,突变体与正常玉米的生长状况一致,无明显差别。脆性表型从4叶1心期开始出现,突变型植株的所有组织都表现出脆性,且在此后的各生育期持续存在。 2、突变体的茎叶同正常玉米相比,组织韧性和张力减弱,极易折断。叶片抗张力结果表明：西双版纳、武汉两地群体中脆性植株叶片断裂所需最大拉力分别为正常玉米的77.9%和61.7%,差异极显著。 3、石蜡切片结果显示：脆性植株茎秆组织在维管束数目、分布以及皮层纤维细胞层数上与正常植株差异不大。扫描电镜观察图显示：两者在组成维管束鞘的厚壁组织细胞上有差异,正常玉米植株的细胞壁厚,细胞腔小,结构紧密,而突变植株细胞壁薄,细胞腔大,排列松散。脆性突变体的细胞壁厚度为正常玉米的42.3%。 4、植株生化成分测定的结果表明：脆性植株与正常植株纤维素和可溶性糖的含量差异达到极显著水平,木质素含量差异达到显著水平。脆秆突变体中,纤维素含量占干物质总量的12.3%,显著低于正常玉米（26.7%）;可溶性糖含量占干物质总量的36.1%,显著高于正常玉米（12.4%）;木质素含量占干物质总量的16.9%,低于正常玉米（19.2%）;半纤维素略有降低,果胶质和脂类差异不明显。 5、2010年春在武汉种植的F1单株,田间表型正常;2010年秋在武汉及2010年冬在西双版纳分别种植的406个单株和214个单株的F2群体中正常和脆性植株的分离比分别为164：50和311：95,卡方测验表明符合3：1分离;2011年春武汉种植F2：3家系,其中纯合正常型家系83个,性状分离家系159个,脆性家系60个,卡方检测表明符合1：2：1分离比。遗传分析结果说明该脆性突变为单基因控制的隐性性状。 6、分别运用MuAIL-PCR、SAIFF以及Mu-Illumina等方法对此脆性材料进行了Mu侧翼序列的扩增,为后续实验积累了重要经验与数据。

关键词： Mutator转座子纤维素脆秆突变体细胞壁机械强度

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水稻脆秆突变体遗传与基因定位研究

水稻脆秆突变体遗传与基因定位研究

作者：叶亚峰安徽大学

学位级别：硕士

本文主要对经过重离子辐照获得的3个株水稻脆秆突变体进行农艺性状分析、生理生化分析和遗传分析,对新茎秆脆性突变性状的控制基因进行基因的精细定位。通过和已经定位的脆秆突变基因进行位点比较,进一步对新的脆秆突变基因进行克隆和... 详细信息

本文主要对经过重离子辐照获得的3个株水稻脆秆突变体进行农艺性状分析、生理生化分析和遗传分析,对新茎秆脆性突变性状的控制基因进行基因的精细定位。通过和已经定位的脆秆突变基因进行位点比较,进一步对新的脆秆突变基因进行克隆和功能分析。通过实验所得结论如下：一、9311脆秆突变体的研究结果：经过重离子处理的籼稻品种9311,其M2代中发现2株茎、叶均较脆的突变体,其中一株株高为74.5cm,称为9311矮脆,命名为dfr;另一株株高为115.5cm,称为9311高脆,命名为bc9311-1。细胞壁成分分析表明,其中茎秆的纤维素、半纤维素、木质素和无机盐的含量，dfr突变体分别为22.3％、30.3％、3.2%和7.4%;bc93ll-l突变体分别为24.7％、27.8％、3.7%和13.8%;而9311野生型为34.1％、18.6％、4.5%和9.1%;叶片各成分含量，dfr突变体分别为13.8％、24.2%、4.9%和10.9%;bc9311-1突变体分别为17.6%、27.3％、6.4%和11.5%;而9311野生型分别为23.8％、20.6％、4.9%和11.7%。与9311野生型相比,2个脆秆突变体的纤维素都是明显降低,半纤维素都是明显的增高,细胞壁其他成分无明显变化。遗传分析表明,9311两个脆秆突变体的脆性性状均受单隐性基因控制;以dfr突变体和bc9311-1突变体与02428杂交组合的F2代群体为基因定位群体,利用SSR分析标记将dfr突变位点定位在2号染色体,位于SSR分子标记的RM5472和RM240之间,遗传距离分别为1.1cM和1.6cM;将bc9311-1突变位点定位在水稻第1号染色体上,位于SSR分子标记的RM1095和RM3632之间,遗传距离分别为0.6cM和3.4cM,与其中的标记RM1183表现共分离。dfr突变体在基因Os02t0738900-01上存在一个碱基缺失,最终导致该基因不能正常编码完整蛋白,从而表现为矮脆的性状;bc9311-1突变体在基因Os0lt0750300-01上存在点突变,CG变成AT。最终导致mRNA翻译蛋白时提前终止,不能编码完整的蛋白,从而表现出脆嫩的性状。二、秀水110脆秆突变体的研究结果秀水110脆秆突变体是一个比较特殊的脆秆突变体,在株高上与野生型没什么差异,而且它的脆性性状主要表现在茎秆上,叶片很难分辨。将其命名为bcl3（t）突变体。细胞壁组成成分分析结果表明：与野生型相比,bcl3（t）突变体叶片和茎秆的细胞壁的纤维素含量明显降低,茎秆的半纤维素含量升高,叶片的无机盐含量升高,其他的均无明显差异。遗传分析结果表明：bcl3（t）突变体性状受一对隐性基因控制。通过SSR分子标记将该突变体突变位点定位于第8号染色体上标记RM8018和RM5068之间,遗传距离分别为6.6cM和1.2cM,与其中的标记RM5647表现共分离。由于两标记之间距离有600Kb左右,目前的群体数量不够,所以未对此突变体基因进行克隆。

关键词：水稻脆秆突变体基因定位细胞壁遗传分析

玉米脆秆突变体基因初定位及芒草农杆菌介导转基因体系初探

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玉米脆秆突变体基因初定位及芒草农杆菌介导转基因体系初探

作者：胡诗维华中农业大学

学位级别：硕士

玉米秸秆不仅作为生物质能源的重要原材料,在饲料以及其他生物与工业产品中也占有极其重要的地位。脆秆突变体是研究细胞壁形成机制以及对细胞壁改良的重要资源。本实验自交系Zong31和带有Mu转座活性的自交系W22交杂构建的突变体库中,... 详细信息

玉米秸秆不仅作为生物质能源的重要原材料,在饲料以及其他生物与工业产品中也占有极其重要的地位。脆秆突变体是研究细胞壁形成机制以及对细胞壁改良的重要资源。本实验自交系Zong31和带有Mu转座活性的自交系W22交杂构建的突变体库中,筛选得到了茎秆和叶片都明显表现为脆性的突变体植株,命名为Y04,经多代自交和表型的鉴定,获得了稳定的纯合突变体。本研究应用形态学、细胞学、和遗传学等方法分析了此突变体与正常玉米的茎秆穿刺力、成熟期生物学性状的测定、成熟期茎秆的显微结构、秸秆细胞壁成分的差异、纤维素影响因子的测定,并将引起脆性表型的基因br(brittle stalk)进行了初步定位。为今后深入研究脆性基因的克隆、功能的分析以及生物质能源利用等提供了材料和理论基础。主要结果如下:1)田间表型观测:在种子萌发和幼苗阶段,突变体和正常玉米植株生长情况并无差异。在突变体生长约至4周即四叶一心期时,开始出现脆性,所有器官均表现为脆性,且整个生育期持续存在。2)突变体的茎秆与Zong31相比,组织韧性和穿刺力强度减弱,极其容易被折断。茎秆穿刺力测定结果表明:脆性植株茎秆的穿刺力较Zong31和Mu有极显著降低,分别降低了46.1%和68.5%。3)徒手切片染色结果显示:脆性植株茎秆维管束数目、分布及皮层周围细胞层数与正常植株差异不大。主要是维管束细胞的纤维素含量降低,木质素含量升高。扫描电镜观测显示:突变体维管束鞘细胞厚壁组织细胞壁厚度明显变薄,排列疏松。4)茎秆细胞壁化学成分测定的结果表明:脆秆突变体中,纤维素含量占干物质总量的12.77%,极显著低于正常植物的31.2%;纤维素结晶度极显著低于Zong31的21.5%;淀粉含量占干物质总量的0.75%,显著性低于Zong31的24.2%;可溶性糖含量占干物质总量的33.56%,显著性高于Zong31的18.6%。半纤维素略有下降,木质素和果胶含量略有升高,均较对照差异不明显。5)Y04脆性基因br(brittle stalk)克隆结果显示与bk2并不相同,在Zong31背景下较br与bk2有多处单碱基缺失,在1472-1557之间有几处较大缺失,对缺失片段进行群体检测发现并不是由此缺失引起表型的改变。6)2013年秋天在武汉实验基地种植的F1单株,田间表型正常;2015年春天汉川实验基地种植的约1500株单株F2群体中正常和脆性植株的分离比为1150:244,损失脆秆约为106株,符合3:1分离比。图位克隆方法将br基因定位在9号染色体上,锁定在bnlg1159和umc1771之间,且br与umc1120和umc2121共分离,目标基因br距离umc2398和umc1771最近,遗传距离分别是11.5c M和3.1c M,说明目标基因br更靠近umc1771标记。芒(Miscanthus sinensis)是自然界中分布最为广泛的芒属物种,它是目前国际上研究最为热门的三倍体交杂种芒草-巨芒(M.×giganteus)其中的二倍体亲本,是开展遗传改良的遗传种质基础。新品种的选育是大面积种植和利用芒属能源植物需要解决的首要问题,遗传转化技术是进行遗传改良最有效的途径之一,其中农杆菌介导的遗传转化以其成本低、转化效率高、易操作等优势被广泛的应用到外源基因导入到受体细胞的过程中去。本研究以芒的幼穗作为外植体诱导胚性愈伤作为受体材料,研究了以农杆菌介导的遗传转化法为基础,活性炭,农杆菌菌液浓度,乙酰丁香酮浓度的差异,表面活性剂,超声波处理等对转化效率的影响。其主要的结果如下:1)在诱导15天的培养过程中,没有添加活性炭(AC)的培养基褐化严重;在添加了0.2%AC的培养基中,褐化并不明显。2)统计诱导80天后,愈伤在诱导培养基上的生长状态,没有添加活性炭的培养基上诱导出愈伤较添加了0.2%活性炭的培养基要多。没有添加活性炭(AC)培养基的出愈率为79.0%,而添加了0.2%AC的培养基的出愈率为38.9%。3)不同农杆菌菌液OD600和时间组合侵染胚性愈伤,并将转化后的愈伤分别经过第一次选择和第二次选择后,只有OD600=0.7,侵染30min这个组合下的愈伤,在经过两次筛选后有存活下来的愈伤。故农杆菌菌液OD600=0.7,侵染30min为最佳组合。4)超声波在农杆菌侵染愈伤过程中的处理,在侵染过程中利用超声波分别处理0、2、4、8、300、600、1200s后,将愈伤接种到一选培养基上,0、2、4、8s处理过的愈伤均全部死亡,而经过300、600、1200s超声处理过后的愈伤在经过二选后,几乎全部存活下来,说明,较长时间超声波处理对愈伤的转化的提高有显著作用。

关键词：脆秆突变体 Mutator转座子细胞壁纤维素机械强度芒草愈伤农杆菌介导遗传转化

利用水稻脆秆突变体（Osfc16）联合制备生物乙醇和皮克林乳化剂的研究

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利用水稻脆秆突变体（Osfc16）联合制备生物乙醇和皮克林乳化剂的...

作者：赵雯悦华中农业大学

学位级别：硕士

纤维素是自然界产量最大的生物质资源,将作物秸秆转化为生物乙醇,成为研究热点。但由于木质纤维素天然抗降解屏障,纤维素酶解产糖产醇成本高而难于产业化生产。因此,将纤维素酶解残渣进行高值化利用,生产精细化工品和食品原料,可提高生... 详细信息

纤维素是自然界产量最大的生物质资源,将作物秸秆转化为生物乙醇,成为研究热点。但由于木质纤维素天然抗降解屏障,纤维素酶解产糖产醇成本高而难于产业化生产。因此,将纤维素酶解残渣进行高值化利用,生产精细化工品和食品原料,可提高生物乙醇产业的附加值。纤维素纳米纤维(CNFs)作为高价值的基础材料,是皮克林乳化剂的理想原料,但其产业化生产需大量能耗。因此,本论文开展了水稻秸秆联合制备生物乙醇和纳米纤维皮克林乳化剂的研究。以团队前期鉴定的优质水稻脆秆突变体(Osfc16)为材料,首先测定其秸秆直接酶解糖化效率和乙醇产率,重点研究了利用秸秆原材料和酶解残渣制备纳米纤维皮克林乳化剂的方法与条件,对所制备的皮克林乳化剂的特性进行了表征,探讨了脆秆材料、酶解过程和CNFs制备工艺对乳化特性的影响。主要结果如下:1.与野生型常规水稻对照品种(日本晴/NPB)相比,水稻脆秆突变体(Osfc16)直接酶解产糖产醇效率显著提高;其中产糖量增加37%、乙醇产量增加19%;此外,突变体秸秆直接酶解效率为51%,而对照品种仅有37%纤维素可被直接酶解。2.水稻突变体(Osfc16)秸秆原材料制备的纤维素纳米纤维(CNFs),其Zeta电位与野生型制备的CNFs相似,但其纤维素聚合度(DP)较低,结晶度较高;突变体(Osfc16)制备的CNFs表面还有更多羟基暴露,与水分子结合持水性更好;突变体Osfc16制备的CNFs稳定的乳液,流变特征与野生型相似,但乳化指数较高、粒径分布较均匀,且随贮存时间增加,粒径变化更小,在不同CNFs浓度和不同环境(温度,pH)下均可保持良好的稳定性。3.利用酶解残渣制备的CNFs,其Zeta电位与原材料制备的CNFs相似,但纤维素DP、平均宽度和高度较大,表面暴露的羟基更多,持水性更好;酶解残渣制备的CNFs稳定的乳液,其流变特征与原材料相似,但乳化指数较高,粒径分布更均匀,且随贮存时间延长,粒径变化更小,并在不同CNFs浓度下均可保持良好的稳定性。4.利用不同均质次数制备的CNFs,随均质处理次数的增加,纤维素聚合度会逐渐减小,纤维素结晶度先升高后逐渐减小,纳米纤维表面上的羟基的增加,持水性不断升高,但Zeta电位保持不变;不同均质次数制备的CNFs稳定的乳液流变特征相似,随均质次数增加,乳化指数先升高后降低,粒径大小则先降低后升高;因此,利用最佳均质次数制备的CNFs,其乳化指数最大,粒径最小。综上,本研究提出了利用优质水稻突变体(Osfc16)脆秆联合制备纤维乙醇和纳米纤维皮克林乳化剂的模型,同时还提供了一条绿色环保、高效高值综合利用作物秸秆的方法与途径。

关键词：水稻秸秆脆秆突变体生物质酶解生物乙醇纤维素纳米纤维皮克林乳化剂纤维素聚合度纤维素结晶度

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禾本科植物细胞壁合成调控研究进展

江苏农业学报 2018年第2期34卷 472-480页

作者：胡炜晨张同胡振王令强华中农业大学植物科学技术学院/华中农业大学生物质和生物能源中心湖北武汉430070

细胞壁是植物重要的特征结构,与植物的生长发育和对外界环境胁迫反应密切相关。秸秆的机械强度是一个重要的农艺性状,与产量、抗性等相关。而秸秆中细胞壁的主要成分纤维素、木质素、半纤维素等可作为重要的化工原料和生物质来源。秸秆... 详细信息

细胞壁是植物重要的特征结构,与植物的生长发育和对外界环境胁迫反应密切相关。秸秆的机械强度是一个重要的农艺性状,与产量、抗性等相关。而秸秆中细胞壁的主要成分纤维素、木质素、半纤维素等可作为重要的化工原料和生物质来源。秸秆理化性状的遗传改良和综合利用策略的形成均有赖于对细胞壁合成调控机理的认识。本文综述了脆秆突变体基因的定位、图谱克隆和功能研究,数量性状位点(QTL)作图和解析细胞壁相关性状的遗传基础以及共表达分析在探索细胞壁生物合成的候选基因和建立辅助细胞壁合成的调节网络中的应用等禾本科植物细胞壁形成和调控研究领域取得的最新进展。此外,还讨论了这些方面的几个潜在的具有挑战性的问题。

关键词：细胞壁脆秆突变体 QTL 基因共表达分析基因调控网络