OsmiR156过表达对水稻分蘖数与生长生理相关性的影响

封洁琼等

摘要 [目的]通过比较水稻OsmiR156组成型过表达材料D18p、OsmiR156茎秆特异性过表达材料Ubi1及其亲本日本晴分蘖期的生理生化特性，为产量性状的遗传改良提供依据。[方法]设计随机土壤盆栽试验，测定分蘖期的生物学特性。[结果]分蘖初期，3种材料的分蘖数和株高没有显著差异（P>0.05）。在分蘖中后期D18p和Ubi1的分蘖数高于日本睛，而株高低于日本睛。在分蘖后期，3种材料中Ubi1的净光合速率和吲哚乙酸氧化酶活性最高；D18p和Ubi1的叶片生长素含量和脱落酸含量都高于日本晴。[结论]OsmiR156过表达会引起植株矮化，分蘖数增多，3种材料的分蘖数与其叶片生长素含量及吲哚乙酸氧化酶活性呈线性正相关。

关键词 水稻；OsmiR156；分蘖期；生理特性

Abstract [Objective] Through compare biochemical characteristics of OsmiR156 constitutive overexpression rice material D18p， OsmiR156 stem specificity expression rice material Ubi1 and their parent Nipponbare in physiological at tillering stage， this will provide reference basis for genetic improvement of yield traits in rice. [Method] Random soil pot experiment was set up， and rice biological characteristics of tillering stage were determined. [Result] The tiller number and plant height of three materials are no significant difference at early tillering stage. Tiller number of D18p or Ubi1 is higher than Nipponbare， but plant height of D18p or Ubi1 is lower than Nipponbare at mid and late tillering stage. The Ubi1 leaf net light photosynthetic rate and leaf indole acetic acid oxidase activity are the highest among the

three materials. The leaf auxin content and abscisic acid content in D18p and Ubi1 are higher than those in Nipponbare. [Conclusion] OsmiR156 overexpression result in plants dwarfed and tillering number

increased in rice. There is positive linear relationship between the tiller number and leaf auxin content in 3 materials， and there is too positive linear relationship between tiller number and IAA oxidase activity.

Key words Oryza sativa L.； OsmiR156； Tillering stage； Physiological character

水稻（Oryza sativa L.）作为模式作物有着很丰富和深入的基因组研究基础，水稻产量性状的遗传改良取决于穗型、粒型、分蘖数和株型等一系列因素[1]。而分蘖直接影响农作物穗数的多少，进而影响其单位产量[2]。国际水稻研究所的“超高产新株型”、“中国超级稻”和“超级杂交稻”的核心内容都涵盖了水稻的分蘖[3]。miRNA在植物生长发育过程中起着非常重要的调节作用，由于大多数保守的miRNA的靶基因mRNA编码转录因子或者对细胞分化决定至关重要的生长调节因子[4]，当这些miRNA过量表达或扰乱miRNA与靶基因的互补时可使生物体的表型发生明显改变[5]。miR156是植物中一个非常保守的miRNA基因家族[6]，其靶基因SP是植物特有转录因子的典型代表[7]，改变miR156家族基因或靶基因含量，不仅引起植物幼年期、成熟期和花期的改变，还影响水稻分蘖。2006年熊立仲等报道了水稻过表达OsmiR156b和OsmiR156h导致植株变矮，分蘖增多[8]。李家洋等报道了OsmiR156的靶标基因OsSPL14具有减少分蘖，增加小穗数和穗长的功能[9]。笔者采用水稻品种日本晴、转基因材料Ubi1和转基因材料D18p为试验材料，系统地比较他们在分蘖期的生物学特性，以期为水稻产量性状的遗传改良提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料 供试水稻（Oryza sativa L.） ，为日本晴（Nipponbare）、D18p和Ubi1。日本晴是转基因材料D18p和Ubi1的受体，材料D18p是启动子D18p启动miR156在日本睛中的茎秆特异性过表达转基因材料，材料Ubi1是启动子Ubi1启动 miR156在日本睛中的组成型过表达转基因材料；供试材料，由湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室提供。

1.2 试验设计与材料培养 土壤盆栽试验在湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室网室进行，采用随机组合设计，土壤选用常年种植水稻的稻田土，供试土壤pH 5.12，有机质含量为47.8 g/kg，全氮2.00 g/kg，碱解氮203.7 mg/kg，速效磷22.5 mg/kg，速效钾242.9 mg/kg。圆柱形瓷盆大小为直径×高度=40 cm×35 cm。在2013年3月26日对水稻试验材料催芽育苗，于4月25日对秧苗进行移栽。共种植24盆，每种材料8盆，每盆插秧4株，水肥栽培措施等参照大田栽培。在水稻分蘖期的前期（5月22日）、中期（日本晴6月17日；D18p6月19日；Ubi16月21日）、后期（日本晴7月5日；D18p月3日；Ubi17月23日）3个时期进行生物学性状的测定。

1.3 生物学性状测定方法

1.3.1 株高、叶长和叶宽测定。用普通的精度为毫米的米尺进行测定。

1.3.2 光合作用的测定[10]。依王惠群等的方法稍作修改。在水稻分蘖后期的睛朗天气的上午 10：00～12：00采用Li6400便携式光合作用系统进行光合作用参数净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率的测定，测定环境条件为开放式气路、红蓝光源、光通量密度为1 000 μmol/m2·s、相对湿度1 800 Pa和温度20 ℃。选取生长一致的6盆中的6株的顶下第 2完全展开叶进行测定。

1.3.3 吲哚乙酸氧化酶活性的测定。依王小玲等[11]的方法稍作修改，用比色法测定单位时间内吲哚乙酸的消失量，以每毫升酶液每小时内破坏IAA的微克数表示酶活力的大小。

1.3.4 植物激素含量的测定。依Wang HQ等的方法测定[12]。

1.4 数据处理方法 数据统计分析采用 Excel 2003和SPSS17.0数据分析系统。

2 结果与分析

2.1 OsmiR156过表达对分蘖期分蘖数、株高、叶长和叶宽的影响 由表1可知，日本晴、D18p和Ubi1 3种试验材料在分蘖的初期、中期和后期的分蘖数、株高、叶长和叶宽4个生物学性状指标都呈上升的趋势。在水稻分蘖的初期，3种材料的分蘖数、株高、叶长和叶宽4个指标没有显著性差异（P>0.05）。在分蘖的中期和后期，D18p 和Ubi1的分蘖个数都高于日本晴，而株高、叶长和叶宽都低于日本晴。由此可知，OsmiR156在水稻分蘖初期，对于水稻的分蘖数、株高、叶长和叶宽的影响没有显著性差异（P>0.05），而到水稻分蘖的中期和后期，则具有显著性差异（P<0.05）。

2.2 OsmiR156对水稻分蘖后期光合作用参数的影响 OsmiR156对水稻分蘖后期的光合作用参数都有着不同程度的影响（表2）。在水稻分蘖后期，3种材料的净光合速率没有显著差异（P>0.05）。而3种材料的气孔导度都有显著性差异（P<0.05）。Ubil的气孔导度最大，分别比日本晴和D18p的气孔导度高出81.5%和104.8%。3种材料的胞间CO2浓度也具有显著性差异（P<0.05）。Ubil的胞间CO2浓度分别高出日本晴与D18p胞间CO2浓度16.1%和20.8%。日本晴的蒸腾速率最高，D18p与Ubil的蒸腾速率较为接近，其中日本晴的蒸腾速率分别比D18p和Ubil的蒸腾速率高出23.6%和24.3%。

3 结论与讨论

吕明芳研究表明，当OsmiR156过量表达时，会使植物出现植株明显矮化，分蘖增加，开花延迟结实率极低或不结实等表型[13]。OsmiR156的过表达对水稻的分蘖数、株高、叶长和叶宽都有明显影响。试验结果表明，Ubi1的分蘖数明显高于日本晴和D18p，而株高、叶长和叶宽则明显低于日本晴和D18p，这与吕明芳的结果一致。由此可知，OsmiR156的组成型过表达对于水稻的分蘖是有明显促进作用，而对于茎和叶片的生长则起抑制作用。由日本晴与D18p、Ubi1的比较可以得出，OsmiR156的茎秆过表达对于水稻的分蘖数以及叶片和茎的生长影响不明显。

水稻分蘖期随着分蘖的进行，光合作用的各项指标也会发生相应改变。在詹可等的研究中提出过水稻的成穗率越高，水稻的光合作用率也会相应提高的结论[14]。蒋彭炎等得出水稻成穗率与光合作用效率成正比的结果，而水稻的无效分蘖则会降低光合作用效率[15]。miR156是调控水稻分蘖的关键miRNA之一。其表达不仅仅影响水稻分蘖过程中的各种性状，同时也影响水稻分蘖后期各项光合作用参数。试验3种材料的结果显示，由于在净光合速率方面，对照组与2种突变体没有明显差异，可以推断miR156的表达对水稻分蘖后期植物的光合速率没有明显影响。气孔导度与胞间CO2浓度方面由于三者数值相差明显，可以看出OsmiR156过表达表达影响气孔导度与胞间CO2浓度的变化。其中OsmiR156组成型过表达的Ubil突变体气孔导度与胞间CO2浓度都是最高。miR156也影响蒸腾速率的变化，Ubil突变体的蒸腾速率相对较低。Ubil突变体的分蘖数多于D18p与日本晴，在光合作用指标方面气孔导度和胞间CO2浓度的增加是因为分蘖数的增加影响单个叶片的光合作用效率，为了保证光合作用的有效进行，植物采取了增加底物浓度的方式。而OsmiR156过表达引起的叶面积的减小则导致了Ubil的蒸腾作用小于D18p和日本晴。

分蘖是水稻生长发育过程中形成的一种特殊分枝是影响水稻产量的主要因素之一，分蘖芽的形成受到植物激素、环境及遗传因子的调控，其中植物激素在分蘖的发生和衰亡过程中起着至关重要的作用[16]。研究OsmiR156对水稻分蘖后期分蘖数与生长素含量、吲哚乙酸氧化酶活性的相关性分析发现，OsmiR156过表达引起的分蘖数变化与叶片中的生长素含量成正相关，生长素对分蘖芽的抑制存在顶端优势现象，即其由茎顶端自上而下向基部的极性运输（polar auxin transport，PAT）抑制分蘖芽的生长。例如，高度分蘖的水稻若去掉颖花将促进分蘖伸长，加入IAA则起抑制作用细胞分裂素在根中合成，植物失去顶端优势后，在茎中也有合成，受外源生长素抑制其与生长素在水稻体内形成调控网络共同调控水稻分蘖[17-18]。

参考文献

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