Regulation mechanism and breeding application of rice floret-opening-time
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摘要:
水稻为严格自花授粉作物。花时是水稻的重要农艺性状，受到内部因素(植物激素、遗传因子等)和外部环境因素(温度、光照、湿度、CO2浓度等)的复杂调控。合适的开花时间是水稻成功繁殖的重要保障。颖花过早开放会导致水稻易受低温、露水重引起的病虫害影响；而过晚开放易使水稻遭受高温胁迫，降低产量。此外，在杂交水稻制种过程中，确保父母本的花时一致是提高杂交水稻制种产量的重要条件之一。本文从控制水稻颖花开放的结构基础、生理基础、遗传基础以及分子机理等方面，系统总结了水稻花时调控的研究进展，提出了今后水稻花时研究应重点解决的问题，并讨论了花时性状的改良在水稻生产和籼粳亚种间杂交稻育种上的应用价值。
Abstract:Rice (Oryza sativa L.) is a strictly autogamous crop. Floret-opening-time (FOT) is an important agronomic trait in rice, which is complicatedly regulated by internal factors (plant hormones, genetic factors, etc.) and external environmental factors (temperature, light, humidity, CO2 concentration, etc.). Floret opening at an appropriate time is very critical for the success of rice reproduction. If the floret opens too early in the morning, rice is vulnerable to pathogen infection caused by low temperature and heavy dew. In contrast, if the floret opens too late, the seed setting of rice would be severely affected by high temperature in the afternoon. Moreover, synchronized FOT between the male and female parents is a key requirement for successful production of hybrid seeds. In this review, we summarize the research progresses on the regulation of FOT in rice, mainly focusing on the aspects including the structural basis, physiological basis, genetic basis and molecular mechanism of controlling rice floret opening. We also present some important topics for future in-depth studies of FOT. Finally, we discuss the value of modulating FOT trait for improving rice production and indica-japonica inter-subspecies hybrid rice breeding.
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Keywords:
- Oryza sativa L. /
- Floret-opening-time /
- Jasmonic acid /
- Lodicule /
- Hybrid seed production
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草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda为鳞翅目夜蛾科灰翅夜蛾属，该虫源自北美，2019年1月入侵我国云南省，并迅速扩展到全国26个省份[1-3]。作为联合国粮农组织全球预警的跨国界迁飞性重大害虫，草地贪夜蛾具有寄主范围宽、适生区域广、增殖能力强、扩散速度快、突发危害重等特点[4-5]。
与其他鳞翅目昆虫一样，草地贪夜蛾主要在幼虫时期为害。目前草地贪夜蛾雌、雄幼虫为害行为性别差异的研究较少，因为缺乏幼虫性别鉴定的快速简便的手段。与许多鳞翅目昆虫一样，草地贪夜蛾在蛹和成虫时期不再取食，因此幼虫时期的取食量对其化蛹、羽化、产卵、迁飞等行为具有重要影响，不同性别的幼虫取食量存在差异。林玉英等[5]对椰子织蛾Opisina arenosella 1龄幼虫取食量的研究表明，雌虫取食量显著大于雄虫，结合幼虫取食量可作为其龄期的判断依据之一，从而为制定椰子织蛾防控措施奠定基础；同时，大量研究表明，昆虫幼虫在抵抗高温、抗核型多角体病毒等方面有性别差异[6-8]，成虫在感光、触角结构等方面也存在显著的性别差异[9]，昆虫在取食、感光、抗病等行为上的性别差异研究，可为农业害虫的精准防控提供理论支持。因此，性别鉴定可以作为研究昆虫雌、雄行为差异的一种便捷有效的工具，有助于制定更加精准高效的农业害虫防控治理策略。
目前，草地贪夜蛾的性别主要是通过蛹期和成虫时期的外露生殖器及翅上的斑纹差异进行区分[10-11]。草地贪夜蛾入侵中国后，性信息素诱捕、高空灯诱捕在虫情预测预报中发挥了非常重要的作用。由于缺乏对幼虫形态学有效的判断标准，而田间捕捉的草地贪夜蛾成虫非常活跃，鳞羽容易掉落，给性别鉴定造成了困难，影响了测报结果的准确性。对于鳞羽掉落的草地贪夜蛾样本和未经过性别鉴定的DNA样本，也缺乏有效的性别鉴定手段。因此，根据雌、雄虫性信息素结合蛋白(Pheromone-binding protein, PBP)基因的序列差异，开发简便、准确的功能性分子标记，对鉴定幼虫期乃至成虫期的草地贪夜蛾的性别具有理论和实际应用意义。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
草地贪夜蛾为实验室饲养种群，饲养条件参考王世英等[12]方法，温度为(26.0±0.5) ℃；相对湿度为 65%±5%；光周期为16 h光∶8 h暗。
1.2 试验方法
1.2.1 草地贪夜蛾雌、雄虫分子标记引物的设计
通过在线网站( https://pfam.xfam.org)寻找并下载PBP隐马尔科夫模型，使用Bio-Linux软件进行生物信息学分析得到草地贪夜蛾PBP基因家族的氨基酸序列，通过在线网站( http://www.omicsclass.com/article/681)手动确认每个蛋白的结构域，总共筛选得到21个PBP，使用Bio-Linux软件进行生物信息学分析获得对应蛋白的CDS序列等相关信息，所得序列与NCBI上已发表的PBP基因序列进行比对，比对结果为本研究的PBP基因的CDS序列与已发表的4个PBP基因(SfruPBP1、SfruPBP2、SfruPBP3、SfruPBP4)[13]的CDS序列不存在相似性(结果未显示)。对获得的各基因片段进行PCR测序，结果发现Sf-10911基因序列在雌、雄个体中存在较大差异。通过多个已知雌、雄样本检测后，确认该基因为性别差异基因，针对草地贪夜蛾雌、雄虫Sf-10911基因的差异区段设计了3对引物(表1)，开发雌、雄性别鉴定的特异标记，引物设计见图1。利用设计合成的引物，对鉴别过已知性别的草地贪夜蛾虫蛹样本进行PCR扩增，筛选得到分子标记。
表 1 引物序列表Table 1. List of primer sequence引物名称1) Primer name 引物序列(5′→3′) Primer sequence Sf-F TAGCCGTGAGTTTGAATAGGGT Sf-female-R-1 CCTGCCAGTGCCTTATTAATTAA Sf-male-R-1 TTTTGGCAGTGCCTTATTGATTA Sf-female-R-2 CTCAGAGGTTTTTGATATGGTTT Sf-male-R-2 TGTATTCTTCTCAGTGCGAAGAC Sf-female-R-3 TTAACAACGCTCCATAATAACCT Sf-male-R-3 TAAGAACCAGTTCTTATAAACAC 1) F、R分别表示正、反向引物
1) F and R respectively represents forward and reverse primers![图 1 草地贪夜蛾性别鉴定引物设计]()
图 1 草地贪夜蛾性别鉴定引物设计深蓝色表示相同的核苷酸序列，浅蓝色表示差异位点，黑点表示缺失位点；Sf-male-R：雄虫基因差异区段；Sf-female-R：雌虫基因差异区段；Sf-F：正向引物；Sf-R：反向引物Figure 1. Primers design for sexual identification of Spodoptera frugiperdaDark blue represents the same nucleotide sequence, light blue represents the differencial sites and black dots represent the missing sites; SF-male-R: Differential gene segment of male; Sf-female-R: Differential gene segment of female; Sf-F: Forward primer; Sf-R: Reverse primer1.2.2 草地贪夜蛾蛹期DNA提取及PCR扩增
根据草地贪夜蛾蛹期雌、雄虫形态差异区分出雌、雄后(图2)，利用微量样品基因组DNA 提取试剂盒进行DNA的提取。采用雌、雄特异性引物对提取的DNA样本进行PCR扩增。扩增产物用琼脂糖凝胶电泳检测，筛选分子标记。PCR 扩增的体系为：PrimerSTAR Max 6.25 μL，上游和下游引物(10 μmol/L)各0.5 μL，模板0.5 μL，加 ddH2O至15 μL。PCR 扩增的反应程序为：98 ℃ 预变性2 min；98 ℃变性 10 s，58 ℃退火 30 s，72 ℃延伸 30 s，35 个循环；72 ℃延伸5 min。
![图 2 草地贪夜蛾蛹期雌、雄虫腹部末端差异对比]()
图 2 草地贪夜蛾蛹期雌、雄虫腹部末端差异对比a：臀刺；b：肛门；c：第10腹节；d：第9腹节e：半圆形瘤状突起；f：第8腹节；g：产卵孔；h：生殖孔Figure 2. Distinction between abdomen ends of male and female of Spodoptera frugiperda at pupal stagea: Buttocks stab; b: Anus; c: The 10th abdominal segment; d: The 9th abdominal segment; e: Semicircular tumor-like protrusion; f: The 8th abdominal segment; g: Spawning hole; h: Genital hole2. 结果与分析
2.1 草地贪夜蛾性别鉴定引物的开发及筛选
针对草地贪夜蛾雌、雄虫Sf-10911基因的性别差异区段设计了3对引物，开发性别鉴定的特异标记。利用设计合成的3对引物，对已知性别的草地贪夜蛾样本进行PCR扩增，筛选得到分子标记，该分子标记可以扩增出450 bp左右的条带。之后，利用筛选出的分子标记对经过形态鉴定的雌、雄虫样本再次进行PCR扩增。
首先，利用3对标记引物扩增草地贪夜蛾的雌、雄虫DNA样本，所用样本为经过测序鉴定的雌、雄虫DNA样本；图3表明，引物Sf-female-R-1、Sf-male-R-3搭配Sf-F均不能扩增出特异条带；搭配引物Sf-F扩增时，其中雄性样本可以用雄性特异性引物Sf-male-R-2扩增得到特异条带，而雌性样本只有雌性特异性引物Sf-female-R-2可以扩增得到特异条带，与测序结果一致。因此，选择Sf-female-R-2和Sf-male-R-2作为草地贪夜蛾雌、雄虫特异性引物。
![图 3 3对引物对草地贪夜蛾雌、雄虫样本的扩增]()
图 3 3对引物对草地贪夜蛾雌、雄虫样本的扩增M：2000 DNA marker; m1: Sf-F/ Sf-male-R-1; m2: Sf-F/Sf-male-R-2; m3: Sf-F/Sf-male-R-3; f1: Sf-F/Sf-female-R-1; f2: Sf-F/Sf-female-R-2; f3: Sf-F/Sf-female-R-3Figure 3. Amplification of different sexual samples of Spodoptera frugiperdaby three pairs of primers2.2 性别分子标记引物对草地贪夜蛾的鉴定
为进一步验证筛选出的标记引物的准确性，对经过形态鉴定的雌、雄虫蛹进行PCR检测(图4)。从图4可以看出，利用雌虫标记引物Sf-female-R-2扩增雌、雄虫DNA样本时，只有雌虫才能扩增出450 bp左右的特异性条带；用雄虫标记引物Sf-male-R-2扩增雌、雄虫DNA样本时，只有雄虫才能扩增出450 bp左右的特异性条带。检测结果与形态鉴定结果一致，说明筛选出的引物适用于草地贪夜蛾的性别鉴定。
![图 4 基于PCR扩增对草地贪夜蛾雌、雄虫蛹性别鉴定]()
图 4 基于PCR扩增对草地贪夜蛾雌、雄虫蛹性别鉴定F1~F5：雌虫蛹DNA；M1~M5：雄虫蛹DNA；a、c：雌虫标记引物对 Sf-F/Sf-female-R-2；b、d：雄虫标记引物对Sf- F/Sf-male-R-2Figure 4. Sex identification of male and female pupae of Spodoptera frugiperdabased on PCR amplificationF1−F5: DNA of female pupae; M1−M5: DNA of male pupae; a and c: Pair of female marker primers of Sf-F/Sf-female-R-2; b and d: Pair of male marker primers of Sf-F/Sf-male-R-23. 讨论与结论
农业害虫的性别鉴定对于害虫的有效防治和农业生产具有重要意义。不同性别的昆虫在虫体形态上往往存在差异，甜菜夜蛾Spodoptera exigua Hübner、桉袋蛾Acanthopsyche subferalbata Hampson以及凤凰木夜蛾Pericyma cruegri在其蛹及成虫时期的形态存在明显的性别差异[14-16]，利用这种形态上的差异，研究人员可以快速简便地鉴定雌、雄虫，及时为田间种群动态的监测和预测预报提供数据。
利用雌、雄虫形态差异鉴定性别的方法虽然简单快捷，但却无法对一些不存在性别形态差异或是生长发育早期无形态差异的昆虫进行鉴定。牛宝龙等[17]以棉铃虫Helicoverpa armigera雌、雄虫基因组DNA为模板，筛选了1条雌特异随机扩增多态性DNA(Random amplified polymorphic DNA，RAPD)，根据该特异性分子标记的核苷酸序列设计雌性特异引物，并对棉铃虫基因组DNA进行PCR扩增，雌性棉铃虫可以扩增出目的条带，可将此标记用于棉铃虫幼虫乃至胚胎的性别鉴定；王慧超等[18]也早在2004年运用RADP技术对家蚕Bombyx mori Linnaeus上得到的雌特异性片段设计引物并进行了PCR验证。此外，张利娜[19]从外部形态学、血清生化指标建立了鳗鲡Anguilla japonica的性别判定函数，用SRAP分子标记获得F5R2雌性特异DNA序列，根据测序结果设计序列特定扩增区域(Sequence characterized amplified regions，SCAR)特异引物并进行性别鉴定；Masaru等[20]用日本青鳉Oryzias latipes的雄性Y特异性DM结构域基因开发引物鉴定了弓背青鳉Oryzias curvinotus的遗传性别；中国大鲵Andrias davidianus、双须骨舌鱼Osteoglossum bicirrhosum的性别鉴定也利用雌、雄虫基因差异序列开发分子标记引物并进行了有效的验证[21-22]。
PBP在草地贪夜蛾的信息素识别过程中发挥着重要作用，雄虫通过触角感受雌虫性腺释放的性信息素，寻找合适的交配对象。PBP的功能特征决定了其基因序列以及表达模式在雌、雄虫之间必然存在差异，具有明显的性二型性[23]。牛小慧[24]对甜菜夜蛾的不同PBP进行RT-PCR检测发现，PBP在雌、雄虫之间的表达量存在显著差异；刘苏等[13]通过对草地贪夜蛾4个PBP基因的克隆及表达模式分析发现，定位于成虫触角上的SfruPBP1和SfruPBP2蛋白在雄虫中具有更高的表达量。本研究发现草地贪夜蛾雌、雄虫中的PBP基因Sf-10911存在核苷酸序列差异，进而根据该差异设计了针对雌、雄虫扩增的引物对，通过琼脂糖凝胶电泳检测出450 bp左右的特异条带，作为其性别鉴定的分子标记，以期为研究草地贪夜蛾某些性状可能存在的性别差异提供快速有效的手段。
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图 1 水稻颖花结构及籼、粳稻花时对比
a：水稻小穗，Bar = 0.5 cm，b：水稻颖花结构图，Bar = 1.0 mm；c：粳稻‘中花11’与籼稻‘天丰B’在09:30的开花对比图，Bar = 1.0 cm，d：粳稻‘中花11’与籼稻‘天丰B’在11:00的开花对比图，Bar = 1.0 cm
Figure 1. The rice floret structure and the comparison of floret-opening-time between indica and japonica
a: Rice spikelet, bar = 0.5 cm; b: The structure of a rice floret, bar = 1.0 mm; c: Comparison of flowering between japonica ‘Zhonghua 11’ and indica ‘Tianfeng B’ at 09:30, bar = 1.0 cm; d: Comparison of flowering between japonica ‘Zhonghua 11’ and indica ‘Tianfeng B’ at 11:00, bar = 1.0 cm
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图 2 水稻开花前后不同时间点浆片吸水膨胀与失水萎缩过程
a：水稻浆片形态，Bar = 1 mm；b：水稻颖花示意图；c：b图红色虚线对应的横切示意图，红色箭头表示浆片膨胀时张力方向
Figure 2. The process of lodicule swelling and shrinking in rice before and after floret-opening
a: Dynamic morphology change of the rice lodicules during anthesis, bar = 1 mm; b: Schematic diagrams of rice florets during anthesis; c: Schematic diagrams of the cross-sections of florets as the red dash lines indicates in Fig. 2b, the red arrow indicates the direction of tension when the lodicule expanding
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图 3 茉莉酸合成、信号转导及生物学功能[46]
Figure 3. Jasmonic acid synthesis, signal transduction and biological function
表 1 花时QTLs的详细信息
Table 1 The details of floret-opening-time QTLs
数量性状 基因座 QTL 亲本1)Parent 性状 Trait 染色体 Chromosome 定位区间 Mapping location 基因来源 Gene source 贡献率/% Contribution rate 文献 Reference qFBT-12 七山占 × 秋光 始花时 12 PSM420—RM247 秋光 10.33 [7] qVFT-1 七山占 × 秋光 盛花时 1 RM259—RM449 秋光 12.43 [7] qVFT-8 七山占 × 秋光 盛花时 8 RM477—PSM396 秋光 10.57 [7] qVFT-10 七山占 × 秋光 盛花时 10 RM269—RM222 七山占 26.95 [7] qFET-2 七山占 × 秋光 终花时 2 RM240—RM525 秋光 7.08 [7] qFET-10 七山占 × 秋光 终花时 7 RM82—RM420 七山占 10.11 [7] SOTb W630 × 日本晴 始花时 5 RM249—RM440 W630 27.21 [34] SOTb W630 × 日本晴 始花时 10 RM171—RM496 W630 28.55 [34] SOTm W630 × 日本晴 盛花时 4 RM303—RM255 W630 14.66 [34] SOTm W630 × 日本晴 盛花时 5 RM249 W630 20.50 [34] qFT1a WAB368-B-2-H2-HB × 六千辛 盛花时 1 RM580—RM8004 WAB368-B-2-H2-HB 7.50 [35] qFT1b WAB368-B-2-H2-HB × 六千辛 盛花时 1 RM7318—RM5497 WAB368-B-2-H2-HB 5.80 [35] qFT10 WAB368-B-2-H2-HB × 六千辛 盛花时 10 RM184—RM3773 WAB368-B-2-H2-HB 6.20 [35] qFT12 WAB368-B-2-H2-HB × 六千辛 盛花时 12 RM511—RM519 WAB368-B-2-H2-HB 11.30 [35] qEMF3 Oryza officinalis × 南京11 始花时 3 RM14407 O. officinalis 19.70 [36] 1)籼稻：‘七山占’‘南京11’，粳稻：‘秋光’‘日本晴’‘WAB368-B-2-H2-HB’‘六千辛’，野生稻：‘W630’、Oryza officinalis 1) Indica: ‘Qishanzhan’ ‘Nanjing11’; Japonica: ‘Qiuguang’ ‘Ribenqing’ ‘WAB368-B-2-H2-HB’ ‘Liuqianxin’; Wild rice: ‘W630’, Oryza officinalis 
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