作物杂志,2018, 第3期: 68–76 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2018.03.011

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水稻氮素吸收低效型突变体osnad1的生理和遗传分析

张莉1,李赞堂1,王士银1,麻艳超2,东方阳2,李学勇1,徐江1   

  1. 1 中国农业科学院作物科学研究所,100081,北京
    2 河北科技师范学院,066004,河北秦皇岛
  • 收稿日期:2017-11-13 修回日期:2018-03-09 出版日期:2018-06-20 发布日期:2018-06-20
  • 作者简介:张莉,硕士,主要从事作物营养高效生理机制研究
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(31571589);国家重大科学仪器设备开发专项课题(2011YQ08005205);“973”项目子课题(2015CB150401);转基因生物新品种培育重大专项课题(2009ZX08009-065B)

Physiological and Genetic Analysis of Rice Mutant osnad1 Defective in Nitrogen Absorption

Zhang Li1,Li Zantang1,Wang Shiyin1,Ma Yanchao2,Dongfang Yang2,Li Xueyong1,Xu Jiang1   

  1. 1 Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
    2 Hebei Normal University of Science and Technology, Qinhuangdao 066004, Hebei, China
  • Received:2017-11-13 Revised:2018-03-09 Online:2018-06-20 Published:2018-06-20

摘要:

水稻突变体osnad1(Oryza sativa nitrogen absorption deficit 1)是从经EMS诱变的水稻突变体库中筛出的一株性状稳定遗传的氮素吸收低效型突变体,为了进一步明确其生理和遗传特性,本研究从表型分析、氮代谢生理、光合特征和遗传分析等4个方面对突变体osnad1及其野生型日本晴(Nippenbare)进行了比较。研究结果表明:(1)与野生型相比,突变体osnad1株高降低,根系长度缩短,叶色发黄,植株生长受阻;(2)与野生型相比,突变体osnad1植株体内总氮积累量大大降低,通过扫描离子选择性电极技术(scanning ion-selective electrode technique,SIET)对其根系表面氮源离子净流动速率的测定发现,osnad1根系对NH4 +的吸收速率较野生型大幅降低。突变体osnad1根系中谷氨酰胺合成酶(GS)活性随之降低。(3)与野生型相比,突变体osnad1叶片中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量降低,一系列光合相关参数,如净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率降低,干物质积累受阻。(4)遗传分析结果表明:F2群体中正常表型与突变表型植株数量之比符合单基因突变的3∶1。综合上述,突变体osnad1是一个氮吸收低效型的单基因隐性水稻突变体,该研究为后续的基因克隆及其功能分析提供参考。

关键词: 水稻, 突变体, 氮素吸收, 生理分析, 遗传分析

Abstract:

To reveal the mutation type and genetic characteristics of rice mutant osnad1 (Oryza sativa nitrogen absorption deficit 1) generated by ethylmethane sulfonate (EMS) mutagenesis, we compared the phenotypes, nitrogen metabolism and photosynthesis between the mutant osnad1 and wild type (WT, Nipponbare), and conducted the genetic analysis of osnad1 in this study. The results showed that: (1) Compared with WT, the phenotype of osnad1 plant showed a decrease of plant height and root length, leaves chlorosis, and restrained growth. (2) The accumulation of total nitrogen in roots and shoots of osnad1 was significantly less than that in WT. Through determining the flow rate of nitrogen source ions (NH4 + and NO3ˉ) on root surface of osnad1 and WT by SIET technique, we found that the capacity of nitrogen absorption and the glutamine synthetase (GS) activity in osnad1 root were lower than that in WT. (3) Compared with WT, both the contents of chlorophyll and photosynthetic parameters were decreased in leaves of osnad1, causing accumulation of dry matter blocked. (4) The result of genetic analysis showed that the ratio of normal plant number to mutant plant number was 3:1. In conclusion, osnad1 was a rice mutant defective in nitrogen absorption, which was controlled by a single recessive gene. This study would provide a base for further cloning and function analysis of the osnad1 gene.

Key words: Rice, Mutant, Nitrogen absorption, Physiological analysis, Genetic analysis

表1

正常营养液中各种营养组分及其含量"

元素种类
Element type
目标元素浓度
Element concentration
使用盐类
Salt type
盐浓度
Salt concentration
大量元素 N 2.5mM NH4NO3 1.25mM
Macroelements P 0.3mM KH2PO4 0.3mM
K 0.3+0.7mM K2SO4 0.35mM
Ca 1.0mM CaCl2 1.0mM
Mg 1.0mM MgSO4·7H2O 1.0mM
微量元素 Mn 9μM MnCl2·4H2O 9μM
Microelements Cu 0.32μM CuSO4·5H2O 0.32μM
Fe 20μM NaFeEDTA 20μM
B 20μM H3BO3 20μM
Zn 0.77μM ZnSO4·7H2O 0.77μM
Mo 0.38μM Na2MoO4·2H2O 0.38μM
Si 20μM Na2SiO3·9H2O 20μM

图1

突变体osnad1与野生型日本晴的表型"

图2

突变体osnad1及野生型各部位总氮积累量、总氮浓度和氮素生理利用效率"

图3

苗期突变体osnad1与野生型根部表面的氮源离子吸收动态"

图4

分蘖期突变体osnad1与野生型根系和地上部的NR和GS活性"

图5

突变体osnad1与野生型开花期植株剑叶的光合色素含量和光合参数"

表2

突变体osnad1的遗传分析"

组合
Cross
F1表型
F1 phenotype
F2群体F2 population 卡平方
χ2(3:1)
野生型
Wild type
突变体表型
Mutant type
总计
Total
Dular/osnad1 野生型Wild type 308 90 398 1.209
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