全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(10): 1766−1774 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家转基因生物新品种培育科技重大专项(2011ZX08009-003)和留学人员科技活动择优资助项目“农作物分枝机理及应用研
究”资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 李学勇, E-mail: xueyong.li@caas.net.cn, Tel: 010-82109716
第一作者联系方式: E-mail: tottiwang@hotmail.com, Tel: 13621235659
Received(收稿日期): 2012-03-01; Accepted(接受日期): 2012-06-10; Published online(网络出版日期): 2012-07-27.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120727.0844.011.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.01766
水稻 DUS测试标准品种丛矮 2号矮化多分蘖表型的遗传基础
王 涛 1 袁守江 2 尹 亮 2 赵金凤 1 万建民 1,3 李学勇 1,*
1 中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程, 北京 100081; 2 山东省水稻研究所, 山东济南
250100; 3 南京农业大学 / 作物遗传与种质创新国家重点实验室 / 江苏省植物基因工程技术研究中心, 江苏南京 210095
摘 要: 水稻 DUS测试标准品种之一丛矮 2号(cl2)具有矮化多分蘖的表型特征, 遗传分析表明该性状由 1对隐性核
基因控制, 已将其定位在第 4染色体长臂 InDel标记 C4-CL5和 C4-CL4之间。对这 2个标记之间一个已报道的多分
蘖基因 D17/HTD1进行测序, 发现 cl2中的 D17/HTD1基因编码区第 1 796个碱基由 C突变为 T, 从而导致第 599位
的氨基酸由脯氨酸变成亮氨酸。同时对另一个来源于粳稻品种日本晴的矮化多分蘖突变体 S1-40 进行测序, 发现
D17/HTD1第 3内含子 3′端拼接点由 AG突变为 AA, 导致 mRNA产生 2种错误的剪接形式。D17/HTD1编码类胡萝
卜素裂解双加氧酶 7 (carotenoid cleavage dioxygenase 7, CCD7), 参与新型植物激素独脚金内酯(strigolactones, SLs)的
合成。利用 SLs的人工合成类似物 GR24处理 cl2, 其多分蘖表型得到抑制。系统进化树分析发现 CCD7在几乎所有
植物都有同源蛋白, 水稻 CCD7 蛋白与同属禾本科的玉米、高粱和短柄草同源性最高。Real-time RT-PCR 结果显示
D17/HTD1基因在植物所有组织都有表达, 尤以茎部最高。
关键词: 丛矮 2号; 矮化多分蘖; 独脚金内酯; 类胡萝卜素裂解双加氧酶
Genetic Basis of High-Tillering Dwarf Trait in Rice DUS Test Standard Variety
Cong’ai 2
WANG Tao1, YUAN Shou-Jiang2, YIN Liang2, ZHAO Jin-Feng1, WAN Jian-Min1,3, and LI Xue-Yong1,*
1 National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China; 2 Shandong Rice Research Institute, Jinan 250100, China; 3 National Key Laboratory for Crop Genetics and Germplasm En-
hancement / Jiangsu Plant Gene Engineering Research Center / Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Cong’ai 2 (cl2), one of the standard varieties of rice DUS test in China, shows typical high-tillering dwarf phenotype.
Genetic analysis showed that this trait is controlled by a single recessive nucleus gene, which was mapped between two InDel
markers C4-CL5 and C4-CL4 on the long arm of chromosome 4. Between these two markers, there is a known gene D17/HTD1,
mutations in which caused high-tillering dwarf phenotype. Sequencing analysis of the D17/HTD1 allele in cl2 revealed that the
1796th base was substituted from C to T, changing the 599th amino acid from proline to leucine. Another high-tillering dwarf
mutant S1-40 was obtained from japonica variety Nipponbare mutagenized by EMS. The 3 splicing site of the 3rd intron of
D17/HTD1 was substituted from AG to AA, which caused the formation of two aberrant transcripts in S1-40. D17/HTD1 encodes
the carotenoid cleavage dioxygenase 7 (CCD7), which is a key enzyme involved in the biosynthesis of a new plant hormone stri-
golactones (SLs). Exogenous application of GR24, a synthetic analogue of SLs, inhibited the tillering phenotype of cl2. Phyloge-
netic analysis revealed that CCD7 homologs existed in almost all plant species. Real-time RT-PCR showed D17/HTD1 was ex-
pressed in all rice tissues examined, with the highest expression in stems.
Keywords: Cong’ai 2; High-tillering dwarf; Strigolactones; Carotenoid-cleavage dioxygenase
水稻分蘖是决定粮食产量最重要的农艺性状之
一, 也是决定株型结构的重要因素。水稻分蘖是一
种特殊的产穗分枝, 通常由植株基部未伸长节间的
侧芽生长发育而成并且有独立于主茎的根系。水稻
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分蘖的发育与双子叶植物拟南芥等的分枝类似, 包
括腋芽的起始和伸长 2个阶段[1]。一般情况下, 每片
叶子的叶腋里都能形成一个腋芽, 但并不是所有的
腋芽都能伸长。腋芽的伸长受到环境条件的影响和
多种植物激素的调控[2], 例如 2008 年才发现的新型
植物激素独脚金内酯(strigolactones, SLs)抑制腋芽
的过度伸长[3-4]。因此, 研究水稻的分蘖不仅对提高
粮食产量具有重大的应用价值, 同时对研究激素调
控植物分枝的作用机理具有重要的理论意义。
在拟南芥、豌豆、矮牵牛以及水稻等植物中已
经报道了一些与独脚金内酯(SLs)相关的突变体, 普
遍具有多分枝并伴随矮化的表型特征。通过对这些
突变体的生理生化分析及基因定位克隆, 发现几个
参与 SLs 合成的基因 : (1)拟南芥 MAX3[5]、豌豆
RMS5[6]、矮牵牛 DAD3[7]和水稻 D17/HTD1[8]编码同
源的类胡萝卜素裂解双加氧酶 7 (Carotenoid Cleav-
ing Dioxygenase7, CCD7); (2)拟南芥 MAX4[9]、豌豆
RMS1[10]、矮牵牛 DAD1[11]和水稻 D10[12]编码同源的
类胡萝卜素裂解双加氧酶 8 (CCD8); (3)拟南芥
MAX1 编码细胞色素 P450 单加氧酶 (Cytochrome
P450 monooxygenase) [13]; (4)水稻D27编码含铁的功
能未知蛋白[14]。这些基因的突变体在施加人工合成
的 SLs类似物GR24后可恢复野生型表型, 即激素敏
感型。还有两类基因的突变体对人为添加 GR24 不
敏感 , 被认为参与 SLs 信号传导途径：(1)拟南芥
MAX2[15]、豌豆 RMS4[6]和水稻 D3 编码同源的
F-box/LRR蛋白[16]; (2)水稻 D14/D88/HTD2编码 α/β
脂肪水解酶[17-19]。
籼稻品种丛矮 2 号(简称 cl2)是我国水稻新品种
特异性、一致性和稳定性 (distinctness, uniformity,
and stability, DUS)测试中“茎秆茎数”这一测试性状
达到“极多”水平的标准品种, 具有典型的矮化多分
蘖特征。本研究通过对 cl2 的表型分析和基因定位,
发现其矮化多分蘖的表型是由于编码 SLs 合成酶
CCD7的 D17/HTD1基因发生突变造成的。同时, 在
粳稻品种日本晴背景下发现了一个新的具有矮化多分
蘖表型的等位突变体 S1-40。利用 SLs 人工合成类似
物 GR24处理丛矮 2号, 其过度分蘖的表型得到恢复。
1 材料与方法
1.1 水稻材料与农艺性状
籼稻品种丛矮 2 号(cl2)、93-11 和 Dular, 粳稻
品种日本晴和 IC-2-1 由山东省水稻研究所袁守江提
供, 籼稻 Indica9由本实验室保存。矮化多分蘖突变
体 S1-40是由日本晴经 1%甲基磺酸乙酯(Ethyl methan-
esulfonate, EMS)诱变而来。2009年在山东济宁分别
播种 93-11、cl2、日本晴和 S1-40, 成熟期统计株高、
分蘖数目、节间长度、穗型及籽粒大小等主要农艺
性状。
1.2 遗传群体的构建及基因定位
用丛矮 2号与粳稻品种 IC-2-1、S1-40和籼稻品
种 Dular 分别杂交并自交获得 F2群体, 于抽穗期调
查 F2 群体中正常株与矮化多分蘖株, 统计其分离
比例并进行卡平方测验。以 F2代中矮化多分蘖个体
组成定位群体 , 采用 CTAB 法提取水稻基因组
DNA[20]。基因初步定位时, 首先根据混合群体分离
分析法 (bulked-segregant analysis, BSA)的原理 [21],
利用本实验室保存的均匀分布在水稻的 12条染色体
上的 170对 InDel (insertion and deletion)标记引物进
行多态性筛选并找出可能连锁的标记, 再用 F2代单
株验证该多态性标记是否真正与目标基因连锁。基
因精细定位时, 根据已公布的水稻全基因组序列信
息 (http://rgp.dna.affrc.go.jp/E/toppage.html), 水稻基
因组注释项目(http://rice.plantbiology.msu.edu/)以及
BLAST 程序(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)比对粳稻
品种日本晴和籼稻品种 93-11 的基因组序列, 寻找
InDel 位点, 然后利用 Premier Premier 5.0 软件在
InDel 两侧设计特异引物, 开发新的 InDel 标记。经
PCR 扩增产物 8.0%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳及
0.1% AgNO3染色后判断 F2个体的基因型。
1.3 候选基因的测序
从水稻基因组注释数据库(http://rice.plantbiology.
msu.edu/analyses_search_locus.shtml)或 gramene(http://
www.gramene.org/)数据库中下载候选基因 D17/HTD1
的全长基因组 DNA序列, 设计 3对测序引物, 分别
对野生型和突变体的基因组 DNA 进行 PCR 扩增并
测序 , 采用宝生物工程 (大连 )有限公司高保真酶
PrimeSTAR HS DNA Polymerase with GC buffer进行
PCR扩增, 将 PCR产物送北京博迈德科技发展有限
公司测序。利用 BLAST 程序(http://blast.ncbi.nlm.
nih.gov/)将测序结果与粳稻品种日本晴和籼稻品种
93-11的基因组序列比对, 确定突变位点。
1.4 独脚金内酯处理
采用 Umehara 等[4]方法并稍加改动, 将水稻种
子先在 70%酒精消毒 30 s, 再在 2.5%的次氯酸钠灭
菌 5 min, 以灭菌水冲洗 3~5次, 28℃暗培养 2 d, 将
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萌发的种子转移至 Kamachi 水稻营养液[22]中, 并用
纱布支撑。独脚金内酯人工合成类似物 GR24 (货号
CX23880-20MG)购于荷兰 Chiralix 公司, 用丙酮或
甲醇溶解, 配制成 10 mmol L−1的母液。实验分为对
照组和实验组, 分别加入 0和 1 µmol L−1 GR24, 每
组 4株幼苗, 设 3次重复, 16 h光照/8 h黑暗, 处理 3
周和 4周后分别统计分蘖数。
1.5 进化树分析
首先将水稻 CCD7 (即 HTD1)氨基酸序列在
NCBI 数据库中用 blastp 程序 (http://blast.ncbi.
nlm.nih.gov/)进行蛋白比对, 下载不同植物的 CCD7
氨基酸序列。将下载的氨基酸序列先用 ClustalW程
序(http://www.ebi.ac.uk/clustalw/)进行氨基酸序列的
多重比对, 然后用 Mega4.0 (http://www.megasoftware.
net/)构建系统进化树。在 Mega 4.0中分别选邻接法
(Neighbor-joining)和 P-distance模型, Bootstrap分析
重复数为 1 000。
1.6 实时定量 RT-PCR
用于检测组织表达水平的实验样品包括野生型
抽穗期的根、茎、叶片、叶鞘和幼穗; 用于检测 SLs
相关基因在突变体和野生型中表达差异的实验样品
取自 2周龄幼苗基部大约 1 cm长的部位。采用天根
生化科技(北京)有限公司 RNAprep pure Plant Kit提
取植物总 RNA, 采用 SuperScript III First Strand
Synthesis Kit (Invitrogen, USA)合成第一链 cDNAs,
由于水稻基因 GC 含量较高, 采用试剂盒推荐的高
GC方法并选用 Oligo(dT)20 (50 μmol L−1)进行合成。
采用宝生物工程(大连)有限公司 SYBR Premix Ex
Taq II (perfect real time)试剂盒, 在 Applied Biosys-
tems 公司的 7900HT Real-time PCR 仪上进行 real-
time PCR。以水稻 ubiquitin 基因作为内参, 水稻
ubiquitin及独脚金内酯相关基因引物序列详见表 1。
Real-time PCR程序为, 预变性 95℃ 30 s; 95℃ 5 s
变性, 60℃ 30 s退火/延伸, 40个循环。
2 结果与分析
2.1 丛矮 2号和 S1-40矮化多分蘖突变体的表型
分析
cl2 为籼稻品种, 但其来源及系谱数据不清楚,
因此用与其生长发育进程相似的籼稻品种 93-11 作
为表型分析的对照。S1-40 是从粳稻品种日本晴经
EMS诱变的M2代中筛选出来的矮化多分蘖突变体。
由于 S1-40 发现得较晚, 本文主要以 cl2 为研究对
象。突变体和对照品种在相同条件下种植管理, 在
抽穗期 cl2和 S1-40都表现出了过度分蘖和半矮化的
表型(图 1-A, E)。cl2 的株高(48.8 cm±2.0 cm)仅为
93-11 (104.6 cm±5.1 cm)的 47%, 但其分蘖数目(138±
13.8个)却是 93-11 (8.7±1.8个)的 15.9倍(图 2-A, B)。
S1-40平均株高(47.0 cm±3.9 cm)也接近日本晴(106.4
cm±2.2 cm)的一半, 但其分蘖数目(178.5±47.6个)却
是日本晴(16±1.9个)的 11.2倍(图 2-C, D)。从图 1-B、
C、D还可以看出, cl2相比于 93-11每个节间都短, 穗
分枝少而短, 籽粒也稍短。

表 1 本研究所用的引物
Table 1 Primers used in this study
标记
Marker
正向引物
Forward primer (5′–3′)
反向引物
Reverse primer (5′–3′)
C4-13 GGATTGCTTTTTGGCAATTT TTAACAACTGGAGGGGGAAA
C4-CL4 TTTGCTGTTCCCTTCCCTGT TGATGGACCTCAGCACAGTG
C4-CL5 TCCTCCGTGTGTCGATAGCAT GCAGACATCGATAATGAGCT
htd1-1 AATGGAAAATGCGTGGTTGGT AATGGAAAATGCGTGGTTGGT
htd1-2 TGCTGGCGCACTACAAGATCGAC ACAAGAAGAACATAGCCACCATCC
htd1-3 AGAGGAACCGGTTCGTCTACGC CAGGATGGTATGTGGCTTTTAG
D17SP TTCTTAGCGGGGTGTTCGACAT TTGACATGTGCAGCCGGACGT
Ubiquitin AGAAGGAGTCCACCCTCCACC GCATCCAGCACAGTAAAACACG
D3 AAGCCGGTTTATCCAATTCC GCACCAAGAATCGTCTGGAT
D10 CGTGGCGATATCGATGGT CGACCTCCTCGAACGTCTT
D14 AGCGACGAGTCAAAACGAAG TAAAATCCGACGCGGTAAAA
D17 AGATGCCATCTAGTGGTGCT GCTCATTCATCTCCCCAGAA
D27 TCTGGGCTAAAGAATGAAAAGGA AGAGCTTGGGTCACAATCTCG

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图 1 丛矮 2号和 S1-40表型
Fig. 1 Phenotype of Cong’ai 2 and S1-40
A: 93-11(左)与丛矮 2号(右)抽穗期表型; B: 93-11(左)与丛矮 2号(右)节间长度比较; C: 93-11(左)与丛矮 2号(右)穗型; D: 93-11(上)与丛
矮 2号(下)籽粒; E: 日本晴(左)与 S1-40 (右)抽穗期表型。
A: gross morphology of 93-11 (left) and Cong’ai 2 (right) at heading stage; B: internodes of 93-11 (left) and Cong’ai 2 (right); C: panicles of
93-11 (left) and Cong’ai 2 (right); D: seeds of 93-11 (upper) and Cong’ai 2 (lower); E: gross morphology of Nipponbare (left) and S1-40
(right) at heading stage.



图 2 抽穗期野生型和突变体株高及分蘖数目比较
Fig. 2 Comparison of plant height and tiller number between WT and mutant at heading stage
A: 93-11与 cl2株高; B: 93-11与 cl2分蘖数目; C: 日本晴与 S1-40株高; D: 日本晴与 S1-40分蘖数, (cl2代表丛矮 2号) (平均值±标准
误差, n=10)。
A: plant height of 93-11 and cl2; B: tiller number of 9311 and cl2; C: plant height of Nipponbare and S1-40; D: tiller number of Nipponbare
and S1-40, (cl2 means Cong’ai 2), (mean±SE, n=10).

2.2 遗传分析及基因定位
在丛矮 2号(cl2)与粳稻品种 IC-2-1配制的 F2群
体中随机调查 250株, 有 54株具有矮化多分蘖表型,
正常植株与矮化多分蘖植株的分离比为 3.6∶1.0, 经
卡方适合度检测(χ2 = 1.37 < χ2 0.05 = 3.84), 符合 3∶1
分离比例, 证明 cl2 的矮化多分蘖性状是由单个隐
性核基因控制的。利用均匀分布在水稻 12条染色体
上的 170个 InDel标记进行目的基因的初步定位, 发
现与第 4染色体上的标记 C4-13连锁, 交换值为 8.1%
(图 3)。为了精细定位目的基因, 将 F2定位群体扩大
到 272株矮化多分蘖个体, 并开发了新的 InDel标记,
最终将目的基因定位在 C4-CL5和 C4-CL4之间(图 3
和表 1)。这 2 个标记之间的物理距离为 475 kb, 包
含 5个 BAC克隆, 其中 BAC克隆 AL663000中包含
一个功能已知基因 D17/HTD1 (LOC_Os04g46470),
该基因突变后表现为矮化多分蘖 [8]。因此 , 将
D17/HTD1作为候选基因。由于 S1-40的表型与丛矮
2 号极其相似(图 1-E), 直接利用与 cl2 连锁的标记
C4-CL5分析 S1-40与 Dular配制的 F2群体中矮化多
分蘖个体, 发现也紧密连锁, 由此推断 S1-40与丛矮
2 号的矮化多分蘖表型很可能都是由 D17/HTD1 基
因突变导致的。
2.3 候选基因的序列分析
D17/HTD1 基因组 DNA 全长 3 100 bp, 包括 7
个外显子和 6 个内含子, 编码区全长 1 830 bp (图
3-A), 共设计了 3 对测序引物即 htd1-1、htd1-2 和
htd1-3 (表 1)。测序结果显示, cl2中的 HTD1编码区
第 1 798 bp由 C突变成 T, 密码子由 CCA变为 CTA,
导致第 599 位氨基酸由脯氨酸(P)突变成亮氨酸(L)
(图 3-A)。尽管此突变位点与邹军煌发表的 htd1 突
变体中的变异位点相同 [8,23], 但是二者的表型略有
不同, 成熟期 htd1 分蘖数(99.5±12.2 个)低于丛矮 2
号(138±13.8个), htd1的株高(82.6 cm±3.2 cm)却明显
高于丛矮 2号(48.8 cm±2.0 cm)。这可能是两者的遗
传背景或者种植环境不同造成的。
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图 3 图位克隆与候选基因的序列分析
Fig. 3 Map-based cloning and sequence analysis of candidate gene
A: 丛矮 2号的图位克隆与 D17/HTD1基因不同等位突变位点。B: RT-PCR检测 S1-40突变体中 D17/HTD1 cDNA的可变剪切。M: 100
bp分子量标记; 1: 日本晴基因组 DNA; 2: 日本晴 cDNA; 3: S1-40 cDNA。C: D17/HTD1基因第 3内含子的 3种可变剪切形式。WT: 日
本晴; T1: S1-40转录本 1; T2: S1-40转录本 2; 黑框与星号分别代表第 3内含子和突变位点。
A: map-based cloning of Cong’ai 2 and allelic mutations of the D17/HTD1 gene. B: RT-PCR amplification of the splicing site by primer
D17SP. M: 100 bp marker; 1: Nipponbare genome DNA; 2: Nipponbare cDNA; 3: S1-40 cDNA. C: three alternative splicing forms of the
third intron of D17/HTD1 gene. WT: Nipponbare; T1: S1-40 transcript 1; T2: S1-40 transcript 2; Black box and asterisk represent the 3rd
intron and mutation site, respectively.

对 S1-40中的 HTD1基因组 DNA测序发现, 第
3 内含子 3′端拼接点由 AG 突变成 AA, 因此 S1-40
是 D17/HTD1 基因的一个新的等位突变体。为了研
究该突变位点对 mRNA 剪接的影响, 设计了 1 对跨
越第 2、第 3和第 4内含子的 RT-PCR引物 D17SP (图
3-A 和表 1), 分别扩增野生型和 S1-40 的 cDNA, 并
以基因组 DNA 作为对照。结果显示野生型 cDNA
扩出 504 bp条带, 而 S1-40 cDNA则扩出 T1 (约 500
bp)和 T2 (约 600 bp) 2条带(图 3-B)。测序分析发现
S1-40 中的 T1 和 T2 转录本是 D17/HTD1 基因的两
种错误的可变剪切形式: (1) T1条带长 502 bp, D17/
HTD1 基因第 3 内含子 3端剪接位点 AG 后面也是
AG (图 3-C), 在 S1-40中由于前面的 AG突变成 AA,
导致植物体内错误地将后面的 AG 作为剪切位点,
将第 3内含子(包含突变位点)以及随后的AG一起剪
切掉(图 3-C)。由于多剪切掉了 2 bp, 导致移码突变。
(2) T2条带长 592 bp, 在 S1-40中由于 D17第 3内含
子 3 ′端剪接位点突变 , 导致第 3 内含子未被剪切
掉(图 3-C), 成为外显子的一部分, 从而也导致移码
突变。
2.4 进化树分析
D17/HTD1 基因编码类胡萝卜素裂解双加氧酶
7 (CCD7), 是参与新型植物激素独脚金内酯生物合
成途径的关键酶之一。拟南芥 MAX3 和豌豆 RMS5
与 HTD1 高度同源, 这些基因的突变都导致分枝的
过度生长[5-6,8]。由于目前关于 CCD7 蛋白家族的进
化关系还未见报道, 我们以水稻 CCD7 (即 HTD1)氨
基酸序列在 NCBI 数据库中用 blastp 程序进行蛋白
比对, 发现在多种不同植物中都有 CCD7 同源氨基
酸序列。系统进化树分析显示, 水稻 HTD1 (OsCCD7)
蛋白与同属单子叶禾本科的玉米(Zm)、高粱(Sb)、
短柄草(Bd) CCD7同源性最高; 拟南芥 AtMAX3和
豌豆 PsRMS5 与其他双子叶植物的 CCD7 聚类在一
起; 而比较低等的苔藓类植物小粒豌藓(Pp)和蕨类
植物江南卷柏(Sm)中的 CCD7 与其他植物的进化关
系较远(图 4)。
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图 4 不同植物 CCD7蛋白家族的进化树分析
Fig. 4 Phylogenetic analysis of the CCD7 family from different
plant species
水稻: OsCCD7; 玉米: ZmCCD7; 短柄草: BdCCD7; 高粱:
SbCCD7; 矮牵牛: PhCCD7; 番茄: SlCCD7; 黄花蒿: AaMAX3;
猕猴桃: AcCCD7; 葡萄: VvCCD7; 蓖麻: RcNCED; 列当:
OrCCD7; 豌豆: PsRMS5; 苜蓿: MtCCD7; 大豆: GmCCD7; 拟
南芥: AtMAX3; 小黄瓜: CsCCD7; 毛果杨: PtCCD7; 小粒豌藓:
PpCCD7; 江南卷柏: SmCCD7。
OsCCD7: Oryza sativa, NP_001053491.1; ZmCCD7: Zea mays,
NP_001183928.1; BdCCD7: Brachypodium distachyon,
XP_003581501.1; SbCCD7: Sorghum bicolor, XP_002446902.1;
PhCCD7: Petunia x hybrida, ACY01408.1; SlCCD7: Solanum
lycopersicum, NP_001234433.1; AaMAX3: Artemisia annua,
ADB64459.1; AcCCD7: Actinidia chinensis, ADP37985.1;
VvCCD7: Vitis vinifera, XP_002274198.1; RcNCED: Ricinus
communis, XP_002511629.1; OrCCD7: Orobanche ramosa,
AEQ30075.1; PsRMS5: Pisum sativum, ABD67496.2; MtCCD7:
Medicago truncatula, XP_003622555.1; GmCCD7: Glycine max,
XP_003538064.1; AtMAX3: Arabidopsis thaliana, NP_182026.4;
CsCCD7: Cucumis sativus, ADM18968.1; PtCCD7: Populus
trichocarpa, XP_002327003.1; PpCCD7: Physcomitrella patens,
ADK36680.1; SmCCD7: Selaginella moellendorffii,
XP_002984696.1.

2.5 独脚金内酯处理
用 SLs人工合成类似物 GR24 (1 µmol L−1)处理
水培的 cl2, 观察多分蘖表型是否受到抑制。水培 3
周和 4 周后, 未加 GR24 的 cl2 每组(4 株)分别约有
6.3个和 7.7个分蘖, 而 GR24处理的 cl2一直没有分
蘖(图 5-A, B)。这说明丛矮 2号的矮化多分蘖表型确
实是由于 CCD7 酶的缺陷导致独脚金内酯合成受阻
造成的。
2.6 D17/HTD1的组织表达模式
在双子叶植物中, CCD7基因在根部的表达一般
是最高的, 例如拟南芥 MAX3 [5]、豌豆 RMS5 [6]、矮
牵牛 PhCCD7/DAD3 [24]和番茄 SlCCD7 [25], 这与独


图 5 丛矮 2号对 GR24处理的响应
Fig. 5 Response of Cong’ai 2 to GR24 treatment
A: 丛矮 2号经 GR24 (1 µmol L−1)处理 3周和 4周后的分蘖表型;
Control: 未加GR24; 箭头指示分蘖芽; B: 经GR24 (1 µmol L−1)处理
3周和 4周后每组(4株)的总分蘖数目, (平均值±标准误差, 共 3组)。
A: tiller phenotype after three and four weeks treatment with GR24
(1 µmol L−1), Control: No GR24; Arrows indicate the tiller bud; B:
total number of tillers in each group (four seedlings) after three and
four weeks treatment with GR24 (mean±SE, n=3).

脚金内酯主要在植物根部合成相符合。邹军煌等[8]
曾采用 Northern杂交技术研究水稻 CCD7 (HTD1)的
表达模式, 表明根部的表达是最低的, 明显低于茎
部、叶片和穗子。为了验证这一表达模式的差异, 我
们采用实时荧光定量 PCR技术研究了 D17/HTD1基
因的组织表达模式。结果显示 D17/HTD1 在所有供
测试的组织中都有表达, 在茎部表达最高, 叶片次
之, 而在根部、叶鞘和穗子比较低(图 6)。这一结果
说明单子叶植物与双子叶植物 CCD7 基因的表达调
控是有差异的。



图 6 实时定量 RT-PCR分析水稻不同组织 D17/HDT1转录表达
水平(平均值±标准误差, n=3)
Fig. 6 Real-time RT-PCR analysis of D17 /HTD1 transcript
level in different rice tissues (mean±SE, n=3)
1772 作 物 学 报 第 38卷

2.7 独脚金内酯相关基因在丛矮 2号和正常品种
之间的表达差异
采用实时定量 PCR技术比较了目前 5个已知的
参与独角金内酯(SLs)合成或信号传导的基因即 D3、
D10、D14、D17和 D27在丛矮 2号(cl2)和正常分蘖
品种之间的表达差异。由于 cl2 的遗传背景不清楚,
我们选用 2个不同的籼稻品种 93-11和 Indica9作为
对照。结果显示, 在 cl2中 SLs合成途径的 2个关键
基因 D10和 D17表达都上调(t-test, P < 0.05), 尤其
是在以 Indica9为对照时, D10和 D17基因的表达量
大幅度地上调(t-test, P < 0.01); 另一个参与 SLs合
成的基因 D27变化不显著(t-test, P > 0.05) (图 7)。在
参与 SLs信号传导途径的基因中, D14被下调约 50%
(t-test, P < 0.01), 而 D3变化不显著(t-test, P > 0.05)
(图 7)。
3 讨论
水稻是世界上最重要的粮食作物之一, 超过世
界一半的人口以水稻作为主要粮食。分蘖数目是水
稻产量的重要构成因素, 研究控制水稻分蘖的分子
遗传机理具有重要的理论意义和应用价值。丛矮 2
号是标准的矮化多分蘖籼稻品种, 其茎秆较细, 茎
秆数(指单株成穗茎数)极多, 剑叶长度极短, 二次枝
梗少, 每穗粒数极少。本研究采用图位克隆的方法
将导致丛矮 2 号矮化多分蘖的基因 D17/HTD1 克隆
出来, 对其组织表达水平以及 D17/HTD1 参与新型植
物激素独脚金内酯相关基因的反馈调控进行了研究。
独脚金内酯是一类萜类内酯, 主要在植物根部
合成。它的作用很广泛, 包括抑制植物分枝的伸长[3-4]、
调控植物根的发育[26]、诱导根寄生植物种子的萌发[27]、
促进丛枝真菌菌丝分枝 [28]以及苔藓菌落的生长 [29]
等。CCD7 和 CCD8 是 SLs 合成过程中的 2 个关键
裂解酶, 首先由 HTD1/D17/MAX3/RMS5/DAD3 编码
的 CCD7 裂解 β-胡萝卜素(β-carotene)产生胡萝卜醛
(10′-apo-β-carotenal)和紫罗兰酮 (β-ionone), 再由
MAX4/RMS1/D10/DAD1 编码的 CCD8 随后裂解
10′-apo-β-carotenal 产生 13-apo-β-carotenone [25,30],
再经过 D27、MAX1 等最终生成独脚金内酯极其衍
生物[31]。本研究中丛矮 2 号和 S1-40 编码 CCD7 酶
的 D17/HTD1 基因发生突变导致独脚金内酯无法合
成, 从而表现出矮化多分蘖的表型, 当外部施加独
脚金内酯类似物GR24时, 分蘖表型又恢复正常, 这
进一步证明丛矮 2 号的矮化多分蘖表型是由独脚金
内酯合成缺陷造成的。
本研究还分析了目前已报道的独脚金内酯合成
和信号传导途径相关基因在野生型和丛矮 2 号突变
体中的表达差异。当 D17突变后 SLs合成基因 D10
和 D17 表达上调, 推测植物体内通过某种未知的反
馈调节机制来上调 SLs 合成酶基因的表达量, 以期
弥补 SLs 合成缺陷。D14 是目前已报道参与 SLs 信
号途径的 2 个基因之一, 它的功能仍然不清楚。在
本研究中, D14基因在 cl2突变体中表达下调。这说
明 D17参与了 SLs相关基因的反馈调控。
本研究中 cl2 与 htd1 突变体的突变位点相同,
尽管都表现为矮化多分蘖, 但在严重程度上仍有差
异。这可能是遗传背景和环境因素的差异造成的 ,
在其他基因中也有类似现象发生。例如, 最近报道
两系杂交稻的雄性不育系籼稻品种 PA64S与粳稻品
种 NK58S 都是由一个长的非编码 RNA (long non-
coding RNA)同一位点的突变造成的, 但表现出不同
的光温反应, NK58S 在长日照条件下雄性不育, 而
PA64S 在温度较高的条件下雄性不育, 分析认为这



图 7 以实时定量 RT-PCR分析 SLs相关基因在丛矮 2号与正常分蘖品种的表达差异
Fig. 7 Comparison of expression level of the SLs-related genes between Cong’ai 2 and normal varieties by real-time RT-PCR
A: 93-11与 cl2中 SLs相关基因的表达差异; B: Indica9与 cl2中 SLs相关基因的表达差异, cl2代表丛矮 2号(平均值±标准误差, n=3)。
A: the expression difference of SLs-related genes between 93-11 and cl2; B: the expression difference of SLs-related genes between Indica9
and cl2, cl2 means Cong’ai 2. (mean±SE, n=3).

第 10期 王 涛等: 水稻 DUS测试标准品种丛矮 2号矮化多分蘖表型的遗传基础 1773


是籼稻和粳稻遗传背景不同导致的[32-33]。因此, 在
比较同一基因的不同等位突变体的表型时, 一定要
考虑遗传背景的差异。
4 结论
我国水稻新品种 DUS 测试所用的标准品种之
一丛矮2号矮化多分蘖的遗传学基础, 是参与植物新
激素独脚金内酯合成的关键酶 CCD7 编码基因
D17/HTD1发生了突变。同时, 在粳稻品种日本晴背
景下发现了一个新等位突变体 S1-40。这 2个籼、粳
不同亚种背景下的突变体可用于筛选 d17/htd1 的表
型恢复或增强突变体并克隆相应的基因, 有助于进
一步阐明独脚金内酯的合成或信号传导途径。几乎
在所有植物都有 CCD7 同源蛋白。D17/HTD1 基因
在植物所有组织都有表达, 茎部最高。D17/HTD1的
突变导致独脚金内酯合成基因D10和D17表达上调,
而信号传导途径基因 D14下调。
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