水稻表皮毛性状的遗传分析与基因克隆

Rice is one of the most important food crops, and is a model crop for plant functional genomics research. Therefore, the researches of rice evolution, genetic analysis and map based cloning of rice genes controlling important morphological and agronomic traits have great significance. Although rice trichome is an important morphological trait, the molecular mechanism of rice trichomes, cloning of trichome related genes have not yet been reported. The purpose of this study is to analyze the genetic pattern and cloning trichome related genes using abundant genetic resources. Through observation of numerous rice genetic materials, we have found that rice can be divided into three types by its trichome pattern: common type, glabrous type and hairy type. The results of allelism tests showed that there were several genes controlling glabrous type formation, containing a recessive epistasis relationship. Using mapping populations derived from the glabrous type and the hairy type NILs, we have fine mapped the GL5 gene to a 37kb interval, and the HL6 gene to a 77kb region，respectively. Cloning of candidate genes using bioinformatics and molecular biology techniques，functional study of the targeted genes by transgenic complementation, overexpression，and screening of interaction proteins will be conducted to analyze the molecular mechanism of rice trichomes.

水稻是我国重要粮食作物之一,也是作物功能基因组研究的模式作物。因此，水稻重要形态和农艺性状的遗传分析和功能基因的克隆，及其水稻进化研究具有重要意义。水稻表皮毛是重要的农艺和形态性状,目前水稻表皮毛形成的分子机制、相关基因的克隆还没有报道。本研究利用稻种资源分析表皮毛性状的遗传模式，分析和克隆相关基因。课题组已通过对大量的稻种资源叶片表皮毛的观察，初步明确了水稻的表皮毛类型可划分为三种类型：普通型、光壳型和毛绒型。通过等位性测试已发现光壳基因具有多个等位基因，呈现隐性上位关系；毛绒叶有一对主效基因控制。利用构建的光壳和毛绒叶近等基因系定位群体，已经将水稻光壳控制基因GL5精细定位在37kb区段内，毛绒叶基因HL6精细定位在77kb的区间内。进一步利用生物信息学和分子生物学方法克隆候选基因；通过转基因互补测验、目的基因的超表达和互作蛋白分析等研究基因的功能，分析水稻表皮毛形成的分子机制。

水稻表皮毛是重要的农艺和形态性状, 目前水稻表皮毛形成的相关基因的克隆较少，分子机制并不清晰。本研究利用稻种资源分析表皮毛性状的遗传模式，克隆相关基因，并分析表皮毛基因的互作关系，多样性及进化规律。主要研究结果如下：. 将HL6(Hairy Leaf 6)基因精细定位在39Kb区间内，测序分析结果显示LOC_Os0g4790、LOC_Os0g4810和LOC_Os0g4820等三个基因在毛绒叶与无毛材料间存在 序列差异。通过qRT-PCR分析发现LOC_Os0g4790基因在毛绒叶材料中表达较高。我们把这三个基因作为HL6的候选基因进行功能互补及RNA干扰转基因验证。. 将光壳控制基因gl5(glabrous leaf 5)精细定位在33kb区间，经 qRT-PCR表达分析，将OC_Os05g02730作为控制光壳性状的候选基因。对LOC_Os05g02730基因进行RNA干扰实验，RNAi植株颖壳上的表皮毛几乎完全消失，证明表皮毛的缺失是由GL5基因的表达水平降低导致的表型发生变化。 另外，精细定位并克隆了与gl5基因非等位的控制水稻光壳性状的基因glr3(glabrous leaf rice 3)。 GLR3基因RNAi转基因株系叶片和颖壳的表皮毛显著减少或完全消失,GLR3基因的互补和过表达转基因株系的颖壳观察到表皮毛生长。为了证明GL5和GLR3之间的互作关系以及调控表皮毛的分子机制，我们设计了一系列实验。发现GL5基因的表达水平在GLR3的RNAi转基因植株中显著上升，但在GLR3基因的互补和过表达转基因植株中却是降低的。通过烟草瞬时表达分析启动子活性实验，结果显示GLR3基因上调表达可以抑制GL5基因启动子的活性，说明GLR3基因在水稻表皮毛发育的过程中对GL5基因具有转录抑制的作用。. 对GL5基因和GLR3基因在不同水稻品种间的核苷酸多样性及进化规律进行分析,结果显示GL5基因在光壳热带粳稻中受到了选择。单倍型之间的进化关系表明，野生稻中没有表型分化，中国普通野生稻演化成温带粳稻和热带粳稻，粳稻演化成光壳稻和非光壳稻两种类型，并且大多数光壳材料属于热带粳稻。而GLR3是稀有单倍型，进化过程中未受到选择。. 以上研究结果对水稻表皮毛形成的研究起到巨大的推动作用，同时为解析功能基因组学提供了理论依据。