全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(6): 955964 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30771313)和国家科技支撑计划项目(2008BAD97B02)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 王慧, E-mail: wanghui@scau.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: guo.tao@vip.163.com, Tel: 020-38604903 **共同第一作者
Received(收稿日期): 2010-10-27; Accepted(接受日期): 2011-03-06.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.00955
水稻半矮秆基因 iga-1的鉴定及精细定位
郭 涛 霍 兴** 饶得花 刘永柱 张建国 陈志强 王 慧*
华南农业大学 / 国家植物航天育种工程技术研究中心, 广东广州 510642
摘 要: 在前期通过空间诱变获得半矮秆隐性突变基因 iga-1 的基础上, 进一步对 iga-1 进行鉴定。农艺性状调查表
明携带 iga-1的矮秆株系 CHA-2、CHA-2N与原种特籼占 13相比存在明显变异。节间长度测量显示 CHA-2、CHA-2N
节间比例正常, 属 dn型。外源 GA3处理、内源 GA3测定和 α-淀粉酶活性检测揭示 iga-1与 GA3调控无关。利用 CHA-2
与粳稻品种 02428杂交获得的 F2群体将 iga-1定位在水稻第 5染色体两个 InDel标记 DL18和 DL19间 32.01 kb的物
理距离内。该区域有 5个阅读框架, 其中包括赤霉素信号传导调控基因 D1。序列分析表明 CHA-2、CHA-2N和特籼
占 13在 D1位点上基因组序列不存在差异, 推测 D1并非 iga-1的候选基因。比较水稻第 5染色体上其他矮秆基因发
现 iga-1可能与半矮秆基因 sd-7来自同一位点。
关键词: 水稻; 半矮秆突变体; iga-1基因; 精细定位
Identification and Fine Mapping of a Semidwarf Gene iga-1 in Rice
GUO Tao, HUO Xing**, RAO De-Hua, LIU Yong-Zhu, ZHANG Jian-Guo, CHEN Zhi-Qiang, and
WANG Hui *
South China Agricultural University / National Engineering Research Center of Plant Space Breeding, Guangzhou 510642, China
Abstract: A semidwarf gene iga-1 of rice (Oryza sativa L.) by mutagenesis of outer space treatment from Texianzhan 13 was
identified. The dwarf lines CHA-2 and CHA-2N which carried iga-1 showed great variation in agronomic traits. On the basis of
the internode length of CHA-2 and CHA-2N, the mutant belongs to the dn type of dwarfing. GA3 treatment, endo-GA3 measure-
ment and α-amylase activity analysis in endosperm showed that iga-1 is independent of gibberellin acid. Using a large F2 popula-
tion derived from a cross between the CHA-2 and an japonica rice variety, 02428, the iga-1 gene was fine mapped into a 32.01 kb
physical distance between two InDel markers, DL18 and DL19 on chromosome 5, where five open reading frames were predicted,
one of which was the rice gibberellin-insensitive dwarf mutant gene D1. Sequence analysis showed that no variation in D1 locus
was detected among CHA-2, CHA-2N and Texianzhan 13. Thus, D1 can not be the candidate gene of iga-1. Comparing the other
dwarf genes on chromosome 5 showed that iga-1 is possibly allelic to the semidwarf gene sd-7.
Keywords: Rice; Semidwarf mutant; iga-1; Fine mapping
水稻是世界上最重要的农作物之一, 全球约一
半人口以稻米为主食。20世纪 60年代, 与矮秆基因
发掘和利用密切相关的“绿色革命”带来水稻产量的
一次大飞跃[1]。自 1922年印度学者 Parnell等[2]报道第
一个由隐性单基因控制的水稻矮秆突变体以来, 迄
今已登记的矮秆基因达 80 多个, 包括小粒矮秆(d1,
d7, d11, d13, d28, d30, d58等)、畸形矮秆(d2, d6, d20,
d21, d23, d26, d29, d31, d32, d42, d51, d52, d53, d54,
d56, d57等)、半矮秆(sd-1, sd-g, sd-t等)和多蘖矮秆
(htd1, tdr1, tdr2 等)(http://shigen.lab.nig.ac.jp/rice/
oryzabase/genes)。根据地上部 4 个或 5 个伸长节间
的相对长度 , Takeda[3]将水稻矮秆突变体的节间分
布模型分为 5类, 即 dn、dm、d6、nl和 sh型。除了
dn 型的节间相对于野生型都有缩短外, 其余各类型
的矮秆突变体都是由于地上部某一个或几个节间相
对缩短造成的。
具有强矮化作用的矮秆基因大部分来自粳稻品
种, 且多属“一因多效”, 经常伴随其他不良性状, 难
以在生产上利用。目前矮化育种的矮源主要来自籼
稻半矮秆突变体, 对其系谱分析表明, 我国乃至全
956 作 物 学 报 第 37卷

球推广种植的半矮秆籼稻品种的矮生性多由 sd-1等
位基因控制[4]。显然, 对某一基因的过度利用必然潜
伏着遗传背景单一所带来的风险。1978年韩国由于
大面积推广同一类型的半矮秆品种, 结果在稻瘟病
和低温的双重影响下, 造成当年水稻大减产[5]。此外,
20世纪 80年代以来全球水稻产量徘徊不前, 也与 sd-1
的过度利用不无关系。
植株的矮化常常与赤霉素(gibberellin acid, GA)
等植物激素的生物合成或信号传导有关[6-7]。根据对
外源 GA的反应, 与 GA相关的矮化突变可分为 GA
缺陷型突变和 GA钝感型突变[8]。GA缺陷型矮化突
变是由于 GA 代谢途径受阻导致内源 GA 含量降低
甚至缺乏[9], 施加外源 GA后可恢复野生表型。近年
来, 研究人员已在拟南芥、水稻和其他高等植物中
陆续鉴定参与 GA 代谢的基因[10-11], 并逐渐揭示高
等植物复杂的 GA 代谢途径[9,12-13]。GA 钝感型矮化
突变是由于 GA 信号传导阻滞导致对 GA 应答的改
变[14], 此类突变体内源 GA 含量变化不大, 有时甚
至高于野生型, 施加外源 GA不能恢复野生表型。目
前已克隆的参与水稻 GA 信号传导的矮秆基因包括
D1、GID1、GID2[15-18]。
本研究在前期工作基础上[19], 拟探索水稻空间
诱变矮秆突变株系 CHA-2和 CHA-2N的农艺性状及
GA 调控机理, 并精细定位半矮秆突变基因 iga-1。
通过对 iga-1的研究, 有望进一步明确水稻矮化机制,
同时为空间诱变创造新矮源提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 水稻材料
2003 年, 从籼稻品种特籼占 13 (sd-1sd-1)空间
诱变后代中发现一个矮秆突变株系 CHA-2, 遗传分
析表明该突变株系携带 2个半矮秆基因, 其中一个为
已知半矮秆基因 sd-1, 另一个为未知半矮秆基因 ,
命名为 iga-1[19]。将 CHA-2 与高秆品种惠阳珍珠早
(Sd-1 Sd-1 Iga-1 Iga-1)杂交, 在杂交后代中分离得
到只含 iga-1的纯合半矮秆株系 CHA-2N。将 CHA-2
与粳稻半矮秆材料 02428 (sd-1 sd-1 Iga-1 Iga-1)配制
杂交组合, 杂种 F1自交后获得 F2群体, 从 12 000株
F2植株中收集 3 000株矮秆个体作为 iga-1基因定位
群体。
1.2 iga-1矮秆株系农艺性状调查
在水稻成熟期田间调查 CHA-2、CHA-2N 和特
籼占 13的茎节间长度、株高、剑叶长和宽, 并从每
个小区随机取 5 株于室内考种, 主要考察的农艺性
状包括单株穗重、有效穗、千粒重、十粒长、十粒
宽、谷粒长宽比、穗长、实粒数、结实率、第一枝
梗数。
1.3 外源赤霉素处理
参照王慧等[20]的方法, 选取适当数量的饱满种
子, 用质量分数为 0.1%的 HgCl2溶液消毒 5 min, 自
来水冲洗干净后用蒸馏水洗 3次, 室温下浸种 24 h,
放在垫有吸水纸的锥形瓶内于 27℃培养箱中催芽 2
d, 期间适当补充水分, 之后每个材料分别挑选基本
整齐一致的发芽种子播于 96 孔 PCR 板(下端剪掉)
中, 每孔 1粒种子, PCR板置于离心管盒, 分别加入
5、10、20、30和 40 mg L1的外源赤霉素(GA3)溶液
400 mL, 以等量的蒸馏水为对照, 每个处理 30苗, 3
次重复, 自然光照, 10 d后测量苗高。对试验数据进
行方差分析, 比较各处理间苗高的差异显著性。
1.4 α-淀粉酶活性测定
采用碘熏蒸法测定 α-淀粉酶活性[21]。制配 0.2%
马铃薯淀粉和 2%琼脂溶液, 含 10 mmol L1的 NaAc
和 2 mmol L1的 CaCl2, pH 5.3。高压灭菌, 冷却到
50℃以下, 加入适量氨苄青霉素, 一半加入 GA3 使
浓度为 1 μmol L1, 另一半不加 GA3作对照, 制备琼
脂平板。种子去壳, 用 30%的次氯酸钠表面灭菌 30
min, 再用蒸馏水清洗 6 次。将种子切去一半, 无胚
的一半垂直放在凝固的琼脂平板上, 用封口膜密封
培养皿, 30℃黑暗条件下培养 4 d。用 I2蒸汽熏蒸使
培养皿中的琼脂平板染色, 有淀粉酶分泌的半粒种
子周围由于淀粉的降解而呈现无色透明, 没有淀粉
酶分泌的则转变为蓝紫色。
1.5 内源赤霉素测定
按照谢君等[22]的方法稍加改动测定水稻分蘖期
新鲜叶片的内源赤霉素含量。用蒸馏水洗净叶片 ,
擦干, 去中脉, 精确称取 1 g。人工剪碎, 弱光条件
下加入液氮迅速研磨至粉末, 按 1∶10 比例加入 10
mL预冷的 80%甲醇, 4℃冰箱浸提 24 h。4 8℃ 000×g
离心 15 min, 滤纸过滤, 滤液 4℃保存备用, 滤渣按
1∶5加入 5 mL预冷的 80%甲醇, 4℃冰箱浸提 12 h,
4 8℃ 000×g离心 10 min, 重复 2次。将上述步骤得
到的滤液合并, 25℃真空旋转干燥至剩余水相。等体
积石油醚萃取, 震荡 15 min, 弃石油醚相, 重复 3
次。水相用等体积乙酸乙酯萃取 2 次, 弃水相。有
机相真空干燥。用 5 mL 100%重蒸甲醇溶解, 过 0.45
μm微孔滤膜, 4℃保存待测。取待测样品 20 μL上色
第 6期 郭 涛等: 水稻半矮秆基因 iga-1的鉴定及精细定位 957


谱仪(日本 SHIMADZU公司 LC-20AT)测定。采用外
标法, 以保留时间定性, 峰高定量, 每个样品重复 3
次, 取其平均值作为最后结果。
准确称取 GA3 0.01 g, 分别用 5 mL 80%甲醇溶
解作为母液。将母液稀释不同倍数得到 5 个浓度梯
度作为标准液。高效液相色谱测定其保留时间, 峰
高值。重复 3次, 以峰高(X)和对应的浓度(Y)绘制标
准曲线, 单位是 μg g1。
1.6 DNA提取及 PCR检测
采用 CTAB 法提取水稻基因组 DNA [23]。PCR
扩增体系含: 2×PCR Reaction Mix 10 µL (含 100
mmol L1 KCl、20 mmol L1 Tris-HCl、3 mmol L1
MgCl2、400 mmol L1 dNTP), Taq DNA聚合酶(5 U
µL1) 0.2 µL, 引物(10 µmol L1)各 1 µL, 模板 DNA
1 µL, 超纯水补至 20 µL。反应条件为 94℃预变性 5
min; 94℃变性 30 s, 55℃退火 30 s, 72℃延伸 30 s, 35
个循环; 72℃延伸 7 min。扩增产物经 8.0%非变性聚
丙烯酰胺凝胶电泳(电泳缓冲液 1×TBE, 电压 75 V,
时间 2.5 h), 0.1% AgNO3染色, BIORAD凝胶成像系
统观察、照相、读带。
1.7 SSR标记来源及 InDel标记的开发
选择已公布的 SSR 标记用于矮秆基因定位, 引
物序列来自 http://www.gramene.org/。
按照 Shen 等[24]的方法, 在 NCBI (http://www.
ncbi.nlm.nih.gov/)上对粳稻日本晴和籼稻 93-11已公
布的核苷酸序列进行 BLAST对比, 在已定位区间内
寻找插入缺失 5~20 bp 的序列, 根据其上下游序列
设计 InDel标记引物。
1.8 遗传分析
采用 Michelmore 等[25]提出的近等基因池分析
法筛选矮秆基因连锁标记。在 F2群体中随机挑选 10
个高秆植株和 10 个矮秆植株, 分别取等量 DNA 混
合, 构建高秆基因池和矮秆基因池。通过引物筛选
寻找基因池间扩增有差异的标记, 再用分离后代单
株验证该多态性标记是否真正与目标基因连锁。利
用 MAPMAKER作图软件构建目标基因区域的连锁
图谱。通过 Gramene 网站(http://www.gramene.org/)
查找与矮秆基因紧密连锁的标记在水稻基因组(日
本晴)上的位置, 构建覆盖目的基因的物理图谱。用
禾本科基因组自动注释系统 (http://www.gramene.
org/)预测候选区域的基因组序列可能的编码区
(ORF)。
1.9 DNA测序
水稻基因组目的片段经 PCR扩增后直接送北京
华大基因科技有限公司测序。采用 DNAMAN 软件
对 DNA序列进行比对拼接。
2 结果与分析
2.1 iga-1矮秆株系的农艺性状分析
由图 1 可见, 矮秆突变体 CHA-2 矮而粗壮, 叶
片宽而直立 , 叶色墨绿, 谷粒小而圆 , 生育期提前
10~15 d。与原种特籼占 13 (108.4 cm)比较, CHA-2
株高(52.8 cm)明显降低, 仅为原种的 48.7%, 其他
12 个农艺性状有 10 个发生不同程度的正负向变异,



图 1 iga-1矮秆株系 CHA-2、CHA-2N的表型(从左到右: CHA-2、CHA-2N、特籼占 13、矮脚南特)
Fig. 1 Phenotype of the iga-1 dwarf line CHA-2, CHA-2N (from left to right: CHA-2, CHA-2N, Texianzhan13, Aijiaonante)
A: 灌浆期叶片, 标尺=10 cm; B: 谷粒, 标尺=0.5 cm; C: 灌浆期稻穗, 标尺=5 cm; D: 灌浆期植株, 标尺=30 cm。
A: leaf blades in grain-filling stage, bar=10 cm; B: grain, bar=0.5 cm; C: panicles in grain-filling stage, bar=5 cm; D: Gross morphology in
grain-filling stage, bar=30 cm.

958 作 物 学 报 第 37卷

且均达到极显著水平(表 1)。不含 sd-1的半矮秆株系
CHA-2N 叶片宽, 茎秆和剑叶较直立, 穗颈轴粗而
挺直, 谷粒小而圆, 生育期提前 10~15 d (图 1)。与
特籼占 13比较, CHA-2N除了株高(80.2 cm)降低明
显外, 其他多数性状与特籼占 13相比也存在明显变
异, 达到极显著/显著水平。十粒长、谷粒长宽比均
显著下降, 形成小而圆粒型; 千粒重、单株穗重、穗
长、实粒数也明显下降; 剑叶长、剑叶宽、十粒宽
和结实率则增加, 其中结实率达到 79.17% (表 1)。
CHA-2 和 CHA-2N 的有效穗数较特籼占 13 均无明
显变化。
2.2 iga-1基因对水稻节间比例的影响
比较 CHA-2、CHA-2N、特籼占 13和矮脚南特
发现四者均具有 5个伸长节间且节间比例相似(图 2)。

表 1 iga-1矮秆株系 CHA-2、CHA-2N主要农艺性状特征值
Table 1 Agronomic traits of iga-1 dwarf line CHA-2, CHA-2N ( x ±SE)
性状
Trait
特籼占 13
Texianzhan 13
CHA-2 CHA-2N
株高 Plant height (cm) 108.4±1.98 52.80±1.15** 80.16±2.70**
单株穗重 Panicle weight per plant (g) 31.56±5.64 19.88±1.43** 18.47±1.56**
有效穗数 Number of effective panicle 9.00±0.71 8.00±0.84 8.00±0.98
千粒重 1000-grain weight (g) 20.82±0.41 10.63±0.27** 12.38±0.36**
剑叶长 Flag leaf length (cm) 38.98±3.40 26.25±0.59** 42.06±2.34
剑叶宽 Flag leaf width (cm) 1.90±0.07 2.75±0.27** 2.45±0.37*
十粒长 10-grain length (cm) 8.73±0.16 5.80±0.12** 6.03±0.06**
十粒宽 10-grain width (cm) 2.45±0.14 2.90±0.15** 2.89±0.16**
谷粒长宽比 Length/width ratio of grains 3.56±0.15 2.14±0.11** 2.07±0.12**
穗长 Panicle length (cm) 22.85±1.23 14.35±1.15** 17.54±1.90**
实粒数 Filled grains FG 265±7.83 223.57±8.29** 177.13±9.28**
结实率 Seed setting rate (%) 63.55±0.35 67.07±0.21 79.17±0.19**
*和**分别表示在 0.05和 0.01水平上显著水平。
* and ** mean significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.



图 2 不同水稻材料的节间长度
Fig. 2 Internodes length of rice varieties
A: 节间长度比例; B: 节间形态, 标尺=10 cm。
A: diagrammatic comparison of internodes length; B: Morphology of internodes, Bar=10 cm.

第 6期 郭 涛等: 水稻半矮秆基因 iga-1的鉴定及精细定位 959


其中 CHA-2N 节间长度与矮脚南特相似, 比特籼占
13缩短, 第 1至第 5节间分别缩短 8.59、2.97、0.72、
1.77和 1.40 cm, 基本呈等比例缩短, 没有节间异常
缩短现象。矮脚南特属典型的 dn型, 根据各材料的
节间比例可判断 CHA-2、CHA-2N、特籼占 13与矮
脚南特一致, 均属 dn型, 表明 iga-1对节间比例影响
不明显。
2.3 不同品种对外源 GA3处理的反应
方差分析表明, 用不同浓度的 GA3处理水稻材
料 , 其苗高与对照相比 , 差异均达极显著水平 , 但
不同材料对 GA3的反应有所不同。由图 3 可见, 特
籼占 13和矮脚南特(sd-1 sd-1 Iga-1 Iga-1)经 GA3处
理后苗高均超过未施加 GA3的高秆品种惠阳珍珠早
(Sd-1 Sd-1 Iga-1 Iga-1)。在同时施加 GA3的条件下,
浓度达到 5 mg L1时, 矮脚南特、特籼占 13与惠阳
珍珠早苗高相似; 当浓度为 10 mg L1时, 特籼占 13
苗高接近惠阳珍珠早。上述结果表明外源 GA3处理
可使特籼占 13 和矮脚南特的株高恢复到野生表型,
说明 sd-1基因对外源 GA3是敏感的。这与前人的研
究结果一致[26-27]。
半矮秆材料 CHA-2N (Sd-1 Sd-1 iga-1 iga-1)经
外源 GA3处理后苗高以及苗高增长率均显著低于特
籼占 13 和矮脚南特(图 3 和图 4), 由于 CHA-2N 只
含有半矮秆基因 iga-1, 而特籼占 13、矮脚南特仅含
有半矮秆基因 sd-1, 说明 iga-1 对 GA3敏感性弱于
sd-1。此外, CHA-2N施加不同浓度 GA3后苗高均显
著增长, 但未超过对照处理(GA3 0 mg L1)惠阳珍珠
早, 外施 GA3不能使 CHA-2N 完全恢复野生型, 表
明 CHA-2N 不属于 GA3 钝感型突变体, 也不属于
GA3缺陷型突变体。双矮秆突变体 CHA-2施加 GA3
后苗高增长率与特籼占 13 和矮脚南特相近, 由于
CHA-2 与特籼占 13 仅在 iga-1 位点上存在差异, 说
明 iga-1、sd-1 同时存在与 sd-1 单独存在对 GA3的
敏感性一致。综合上述结果, 初步推断 iga-1可能与
内源GA3合成和信号传导无关, 不参与GA3的调控。



图 3 不同水稻材料幼苗期施加 GA3后的苗高
Fig. 3 Seedling height of rice varietes with GA3 treatments



图 4 不同水稻材料幼苗期施加 GA3后苗高增长率
Fig. 4 Seedling growth rate of rice varieties with GA3
treatments

2.4 内源 GA3的测定
为了进一步验证半矮秆基因 iga-1 不参与内源
GA3 合成的推论, 对矮秆突变体及野生型材料进行
内源 GA3测定。从图 5 可知, 含 sd-1基因的水稻材
料(矮脚南特、特籼占 13)内源 GA3含量远低于惠阳
珍珠早(Sd-1 Sd-1), 与半矮秆基因 sd-1 属于 GA3缺陷
型结论一致[28]。CHA-2 和特籼占 13 在 GA3含量上
没有明显差异, 表明 iga-1和 sd-1同时存在时, iga-1
不会增加或减少内源 GA3的含量。CHA-2N 与高秆



图 5 不同水稻材料苗期内源 GA3含量
Fig. 5 GA3 contents of rice varieties in seedling stage
960 作 物 学 报 第 37卷

品种惠阳珍珠早内源 GA3 含量相近, 远高于特籼占
13, 表明 iga-1不会影响内源 GA3的含量。上述结果
证明 iga-1不会阻碍水稻体内 GA3的合成。
2.5 GA3处理对 α-淀粉酶生成的诱导反应
淀粉酶是糊粉层中 GA 所诱导的含量最丰富的
酶。具有生物活性的 GA先在胚中合成, 然后转运到
糊粉层与正向共转录因子共同作用, 在转录水平上
引发 α-淀粉酶合成[29]。因此通过检查 α-淀粉酶活性
可判断突变体是否在GA信号传导途径上产生变化。
图 6 表明, CHA-2、CHA-2N 和原种特籼占 13 培养
基在没有施加 GA3 的条件下均染成蓝色 , 而添加
GA3的另一组处理在种子周围均形成一个白色斑圈,
说明 CHA-2、CHA-2N与原种特籼占 13一样, 在 GA3
诱导下能合成 α-淀粉酶, 由此推断 iga-1 不会影响
GA的信号传导。
2.6 半矮秆基因 iga-1的分子定位
为定位半矮秆基因 iga-1, 首先选择均匀分布于
水稻染色体上的 SSR 标记, 逐个在高矮秆基因池间
进行多态性分析, 然后利用在 2 个池间表现出多态
的标记进一步检测 F2群体, 分析矮秆基因 iga-1是否
与 SSR标记存在连锁关系。结果对第 5号染色体上 20
个 SSR 标记的多态性分析发现有 2 个标记(RM6082
和 RM440)在高矮秆基因池间表现出多态性, 利用
RM6082、RM440 对 116 个 F2矮秆单株进行共分离
分析, 表明两者与 iga-1 矮秆基因存在连锁关系, 它
们的排列顺序是 RM6082–iga-1–RM440。进一步从
水稻第 5 染色体 RM6082 和 RM440 区间内挑选出
11个 SSR标记(RM3381、RM6645、RM3838、RM516、
RM3969、RM8211、RM3695、RM473B、RM39、
RM146、RM291)进行多态性检测 , 其中 4 个标记
(RM6645、RM3838、RM146、RM164)在高矮秆基
因池间检测出多态性, 对 912 个 F2矮秆单株进行共
分离分析, 发现均与 iga-1存在不同程度的连锁。它
们在连锁图上的顺序为 RM6082–RM6645–ga-1–
RM3838–RM146–RM164–RM440。初步将矮秆基因
iga-1 定位在 RM6645 和 RM3838 之间, 与 RM6645
和 RM3838 的遗传距离分别为 0.07 cM 和 1.21 cM
(图 7)。
2.7 iga-1基因的精细定位
在初步定位的基础上 , 从水稻第 5 染色体的
RM6645 和 RM3838 区间内查找新标记, 共获得 22
个 SSR标记, 将其用于高矮秆基因池的多态性筛选,
有 8 个标记在基因池间表现出多态性。对 F2群体 2
140 个矮秆单株共分离分析发现目的基因 iga-1 与



图 6 α-淀粉酶的诱导
Fig. 6 A plate assay of α-amylase induction
G+表示添加 GA3; G–表示没有添加 GA3。
G+ means GA3 treatment; G– means without GA3 treatment.

第 6期 郭 涛等: 水稻半矮秆基因 iga-1的鉴定及精细定位 961


RM18405、RM18413 之间分别存在 1 个和 14 个重
组 , 最终将目的基因 iga-1 定位在 RM18405 和
RM18413之间, 与 2个标记的遗传距离为 0.047 cM
和 0.650 cM (图 7)。
为了进一步缩小定位区间 , 在 RM18405 和
RM18413区间内设计 20对 InDel 标记引物, 同样进
行高矮池的多态性筛选, 并将定位群体扩大至 3 000
株。共分离分析表明基因 iga-1 与标记 DL18 (F:
5′-GAATTGTTCCCATGACCTC-3′, R: 5′-TACCTGG
TCCACCGTAGTAT-3′)、DL19 (F: 5′-CGAGCCACG
GTCACTAGGT-3′, R: 5′-CGGTCTCCTCCCTCTTC
AG-3′)间分别存在 1个和 2个重组事件, 最终将 iga-1
定位在 DL18 和 DL19 之间, 遗传距离分别为 0.033
cM和 0.067 cM (图 7)。
2.8 矮秆基因定位区域物理图谱构建
从 Gramene 数据库(http://www.gramene.org/)下
载矮秆基因 iga-1所在区域的克隆序列, 根据克隆之
间的重叠关系将克隆首尾相连, 随后将 RM18405与
RM18413之间的多态性标记与克隆序列进行整合, 4
个与 iga-1 座位紧密连锁的多态性标记锚定在
AC137748、AC117264和 AC134342 三个克隆上(图
8), 其中与 iga-1两侧距离最近的标记DL18和DL19
分别锚定在克隆 AC117264的 44 kb和 76 kb处, 最
终将 iga-1座位界定在 DL18和 DL19之间 32.01 kb
的物理距离内, 对应于日本晴第 5 染色体序列(5′–
3′)15 531 063~15 563 073 bp区间(http://www.gramene.
org/)。
根据禾本科植物基因组自动注释系统 (http:/ /
www.gramene.org/)对该区域的基因组序列进行预测,
得到 5 个 ORF, 其中 3 个编码未知蛋白(1: LOC_
Os05g26860.1, 2: LOC_Os05g26870, 3: LOC_Os05g
26880.1), 1 个编码 dnaJ 伴随蛋白(5: LOC_Os05g



图 7 iga-1的精细基因定位
Fig. 7 Fine mapping of the iga-l gene
A: iga-1被初步定位在第 5染色体 SSR标记 RM6645和 RM3838区间内; B: iga-1被精细定位在第 5染色体 InDel标记 DL18和 DL19
区间内; C: iga-1被锁定在 BAC克隆 AC117264内 32.01 kb物理距离内; D: 通过 RAP-DB数据库预测 32.01 kb区间内有 5个候选基
因(1: LOC_Os05g26860.1; 2: LOC_Os05g26870; 3: LOC_Os05g26880.1; 4: LOC_Os05g26890.1; 5: LOC_Os05g26902.1)。
A: iga-1 was mapped to the interval between SSR markers RM6645 and RM3838 in chromosome 5; B: iga-1 was fine map to the interval
between InDel markers DL18 and DL19 in chromosome 5; C: iga-1 gene was fine mapped into a 32.01 kb physical distance; D: In the 32 kb
region, five putative genes were annotated in RAP-DB database. (1: LOC_Os05g26860.1; 2: LOC_Os05g26870; 3: LOC_Os05g26880.1; 4:
LOC_Os05g26890.1; 5: LOC_Os05g26902.1).
962 作 物 学 报 第 37卷

26902.1), 还有 1个已克隆的基因D1 (4: LOC_Os05g
26890.1), 该基因编码 GTP结合蛋白(G蛋白)的 α亚
基。已知 D1基因参与赤霉素的信号传导, 已报道的
d1 突变体由于丧失正常的赤霉素信号传导功能, 导
致植株严重矮化, 外施 GA3未能恢复株高表型[15]。
2.9 D1座位序列分析
为了进一步确认 iga-1 是否位于 D1 座位上, 以
日本晴基因组作为参考序列, 针对 D1 及其上下游
基因组序列设计 8 对引物, 对 CHA-2、CHA-2N 和
特籼占 13 进行扩增, 扩增片段覆盖 D1 基因组序列
及其 5′侧翼序列 796 bp和 3′侧翼序列 923 bp。序列
拼接比对表明, CHA-2、CHA-2N与原种特籼占 13在
该区段的基因组序列不存在任何差异, 说明 CHA-2
矮化突变不是由于 D1 基因座上序列突变造成的 ,
iga-1可能位于其他几个候选基因位点上。
3 讨论
矮秆资源的利用和矮化育种是 20 世纪 50 年代
以来水稻育种最重要的成果, 迄今利用最多的水稻
矮秆基因源主要有矮脚南特、矮仔占、低脚乌尖、
花龙水田谷和矮种水田谷等[30]。由于上述矮源的矮
生性均由 sd-1 控制, 对其过度利用容易导致品种遗
传背景单一, 难于实现综合性状的超越。虽然, 国内
外育种家一直没有停止水稻矮秆资源的挖掘, 但已
发现的矮源常常存在农艺性状不良的问题。Chang
等[31]于 1985 年鉴定了 145 个非 sd-1 矮源衍生的矮
秆材料, 绝大多数品种农艺性状差, 穗型、粒型小,
籽粒充实度低, 难脱粒。由高秆品种 Calrose诱变获
得的携带 sd-2和 sd-4基因的两个半矮秆品种, 因其
植株偏高和具有不良的基因多效性, 在矮化育种中
的作用远不及 sd-1 [32-33]。矮秆突变系 Labelle 携带
半矮秆基因 sd-5, 其产量低于原高秆品种, 且与高
秆亲本杂交后 Fl植株大量不育[34]。
空间诱变作为一种创制新种质的途径, 通过实
践已证明能够有效诱导作物性状产生突变。目前已
有利用空间诱变成功创造矮秆突变体的例子。浙江
省农业科学院原子能应用研究所对水稻品种“丙
95-503”经空间诱变处理产生多蘖矮秆突变体
“R955”, 株高接近半矮生型 , 籽粒大小正常 , 熟期
适中, 叶色淡绿, 株型好, 经 GA3 反应鉴定和遗传
初步分析, 其矮秆基因与其他多蘖矮秆携有的矮秆
基因不等位, 在培育多穗型水稻品种上可能具有应
用价值[35]。王慧等[20]在利用返回式卫星搭载的籼稻
特华占诱变后代中发现特异矮秆突变体 CHA-1, 其
表现为茎秆直立、叶片挺直、分蘖力极强、天然异
交率高、配合力好, 而且谷粒长宽比大、外观品质
好, 利用 CHA-1 己配制出一批优良的品种(品系)。
本研究中的 CHA-2N 经多代的观察, 植株较矮, 叶
片直立挺拔 , 株型和穗型紧凑 , 茎秆粗壮 , 节间长
度分配合理 , 抗倒性强 , 结实率较高 , 从而使单位
面积既能容纳较多有效穗又能保持良好的通风透光
性。CHA-2N 与不同的亲本杂交, 其 F1代均表现出
不同的杂种优势, 在培育密粒型品种方面有一定应
用价值。
本研究通过外源 GA3处理、内源 GA3测定以及
α 淀粉酶活性检测表明 CHA-2N 与 GA3无关。除了
GA外, 油菜素类固醇(brasinosteroids, BR)和其他激
素对植物的株高也存在影响。已克隆的与 BR 相关
的矮秆基因包括 d61、brt1、d11和 brt2 [36-39], 功能
分析表明它们参与 BR合成和信号传导。上述 BR相
关的矮秆基因分别位于第 1、第 3、第 4 和第 10 染
色体, 显然并非 iga-1的候选基因。
本研究将 iga-1定位在第 5染色体 2个 InDel标
记 DL18和 DL19之间 32.01 kb的区间内, 该区间有
5 个候选基因, 其中 D1 基因编码 GTP 结合蛋白(G
蛋白)的 α 亚基, 参与赤霉素的信号传导。已报道的
d1突变体由于编码区缺失 19个碱基, 丧失编码 G蛋
白 α 亚基的功能, 从而影响赤霉素的信号传导, 导
致植株矮化。虽然 iga-1定位区间包括了D1基因, 但
系列的证据表明 iga-1 与矮秆基因 d1 并非同一个基
因。首先, 两者对 GA的反应不同。实验证明 d1突
变体属 GA 钝感型矮秆突变体, 外施 GA3不能恢复
野生型, 同时外施 GA3不能有效诱导糊粉层 α-淀粉
酶产生[15]。本研究 iga-1 半矮秆株系 CHA-2N 既不
属于 GA 缺陷型, 外施 GA3也能有效诱导 α-淀粉酶
产生。第二, 两者的株高不同, 含 d1 纯合矮杆基因
的水稻 ID-1株高约为 30 cm, 而含 iga-1的半矮秆株
系 CHA-2N平均株高 80.16 cm, 远高于 ID-1。第三,
节间比例不同。除 dn型以外的矮秆类型都存在某一
节间显著缩短的特征, 这表明不同的矮秆基因作用
于水稻的不同节间, 即矮秆基因对植株的矮化作用
只在某一特定生长时期发生, 并导致某些节间缩短[2]。
d1 突变体由于第 2 节间比其他节间显著缩短, 被认
为是典型的 dm 型矮秆突变体。本研究 CHA-2N 各
节间比例与高秆品种的节间比例相似, 不存在某一
节间的显著缩短, 明显不同于 d1 突变体。第四, 两
第 6期 郭 涛等: 水稻半矮秆基因 iga-1的鉴定及精细定位 963


者序列不同, d1比野生型在编码区缺失了 19 bp, 而
iga-1矮秆株系和原种的 D1基因组序列不存在差异,
说明 iga-1不是来自 D1序列的突变。虽然有报道发
现 D1 基因前端启动子区域的甲基化修饰会阻碍 D1
基因的表达, 导致矮化突变, 但启动子区域的修饰
产生的突变表型与 d1 突变体的类似, 明显不同于
CHA-2N[40]。
水稻矮秆基因大多数通过标志基因分析法、易
位法和三体分析法被定位到水稻不同染色体上。目
前已定位的矮秆基因超过 60个, 定位结果多数被释
放到(日本)遗传资源共享信息数据库(http://shigen.
lab.nig.ac.jp/rice/oryzabase/genes)。已定位的矮秆基
因不均匀地分布于水稻 12 条染色体上, 其中第 l 染
色体最多, 有 19个矮秆基因, 第 10染色体最少, 只
有 1个。第 5染色体有 4个, 分别是 d1、gid1、sd-7
和 sd-g[15-17,41-43], gid1的编码区序列位于日本晴基因
组 19806383 ~ 19808090 (+) bp处(http://www.gramene.
org/), sd-g与RFLP标记RZ182连锁, 遗传距离为 4.3
cM, RZ182 在日本晴基因组中的位置是 20, 483,
739-20, 484, 186 (-) bp。显然 gid1、sd-g与 iga-1在
染色体上位置不同, 不可能是 iga-1 的候选基因。
sd-7是从 Taichung 65的 X射线诱变后代中发现的 1
个半矮秆基因[41]。遗传分析表明该基因与已知的 d1
矮秆基因紧密连锁, 但并非与 d1是同一个基因[42]。根
据Tsai对 sd-7的描述, 携带 sd-7半矮秆株系T65sd-7
与携带 iga-1 的半矮秆株系 CHA-2N 在农艺性状上
存在很多相似之处, 如两者株高比原种矮、成熟期
提前、节间比例相似、单株穗数减少等, 推测 sd-7
可能与 iga-1来自同一位点。
4 结论
水稻半矮秆基因 iga-1 不影响节间比例, 与 GA
的调控无关, 与已报道的 d1 基因不等位, 且与已克
隆的 BR相关基因不在同一染色体, 表明 iga-1可能
受不同的分子机制调控。
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