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摘要
【目的】水稻穗顶端退化严重影响产量，鉴定与克隆水稻穗顶端退化相关基因，可以丰富水稻穗发育调控的分子机理，为水稻高产分子设计育种提供理论基础和基因资源。【方法】从粳稻品种武运粳30号EMS突变体库筛选到一份稳定遗传的穗顶端退化突变体panicle apical abortion 21(paa21)。对退化一次枝梗比例、每穗退化粒数占比、每穗粒数、株高、穗长、单株产量等农艺性状进行统计。使用台盼蓝和伊文思蓝染色检测顶端小穗是否发生程序性细胞死亡。测定WT和paa21不同发育时期幼穗和不同穗部位的H2O2含量。paa21分别与籼稻II-32B、9311正反交进行遗传分析。利用paa21与籼稻II-32B杂交构建的F2群体进行基因定位和克隆。使用SWISS-MODEL网站预测野生型和突变体蛋白的三维结构。利用RT-qPCR分析ROS响应标志基因、程序性细胞死亡相关基因、过氧化氢酶相关基因的表达量。【结果】paa21突变体发生严重的穗顶端退化，统计paa21所有一次枝梗退化情况，发现退化小穗主要位于顶端的一次枝梗上。与WT相比，paa21的株高、每穗粒数、穗长和单株产量均降低。通过观察不同发育时期的幼穗，发现在paa21突变体幼穗发育至12 cm时，可见穗顶端退化表型。台盼蓝和伊文思蓝染色结果表明突变体顶端小穗发生程序性细胞死亡。在退化的paa21顶端小穗中观察到更强烈的DAB染色；H2O2含量测定结果表明，与WT相比，paa21穗中积累更高水平的ROS。遗传分析表明paa21突变表型受一对隐性核基因控制。图位克隆结果发现paa21中Os02g0673100第二外显子发生一个C到T的突变，导致丙氨酸突变为缬氨酸。该基因编码一个铝激活的苹果酸转运蛋白ALMT7。突变位点位于第4个跨膜螺旋上。SWISS-MODEL预测结果表明，该突变位点并未对突变体蛋白三维结构造成明显影响。RT-qPCR结果表明，在幼穗发育至10 cm时，paa21中ROS响应标志基因Os01g0826400、Os05g0474800和Os02g0181300，程序性细胞死亡相关基因VPE2和VPE3，过氧化氢酶编码基因CATA、CATB、CATC的表达量较WT大幅升高。此外，paa21 10 cm幼穗中过氧化氢酶(CAT)的活性较WT明显下降。【结论】paa21幼穗在发育后期顶端小穗中积累过量的ROS，产生程序性细胞死亡，最终导致顶端小穗发生退化。
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