随着全球人口的持续增长,粮食短缺问题将越来越严重,因此增加粮食产量将是本世纪人类所面临的一个重大挑战。植物株型的改良一直被认为是提高粮食产量的一个有效方法。最明显的例子就是半矮杆基因在水稻和小麦上的应用,从而改善了植株株型并大大提高了植株产量的潜力。除了株高以外,分蘖、穗和叶形态也是作物高产株型重要指标。其中穗部性状,由于直接决定作物产量,因此也是个重要的农艺性状之一。水稻的穗型主要由一次枝梗的数目和每个一次枝梗上的颖花数目决定的。从80年代以来,直立穗型品种在我国粳稻种植区大面积的推广。直立穗型品种的穗和叶一般都短而直立,有利于通风的改善和光照,因此直立穗型品种表现出较高的光合作用和物质生产能力。因此,直立穗型被认为是一种优良性状,应用于水稻株型的改良。但是由于直立穗出现较晚,目前对其研究还是不多,其基本的分子机制还不是很清楚。而且目前直立穗型品种都是来自粳稻,至今没有的籼型直立穗型品种的释放。我们通过筛选和收集突变体资源,共获得2个新的直立穗等位突变体,ep2-1和ep2-2,分别来源于中籼3037和93-11。以这两个突变体为试验材料,采用图位克隆的方法,克隆该直立穗基因,EP2。并综合利用分子生物学、植物生理学、生物化学和细胞生物学等技术,研究了该基因在水稻中的部分功能,初步分析了突变体穗部直立的原因,为进一步深入研究水稻穗部直立提供一些理论依据并为分子育种研究提供关键基因。主要结果如下：1.通过遗传分析,将ep2-1与中花11进行杂交,杂种F1代植株表现为野生型表型,F2群体中的野生型个体和直立穗个体的分离比列符合3：1,表明该直立穗突变体受一个隐性单基因控制。并通过图位克隆的方法,在第7号染色体长臂上克隆了该直立穗基因,EP2。序列分析表明,该基因在2个ep2等位突变体中发生了不同性质的突变。而且基因功能互补实验表明将野生型基因导入突变植株中能够恢复突变体表型。这说明我们克隆的EP2基因就是一个控制水稻穗部直立的基因。2.EP2基因在水稻基因组中为单拷贝基因,由10个外显子和9个内含子组成,编码一个具有1365个氨基酸的蛋白。通过同源序列比较,我们发现该蛋白是植物特有的蛋白,在禾本科作物中高度同源,说明该蛋白在禾本科中可能具有相同功能。该蛋白是一个未知功能的蛋白,没有发现保守结构域。3.该基因具有多效性。除了影响穗部性状,还影响其它性状,如种子大小、叶片大小和植株高度等。通过组织切片观察,我们发现ep2突变体与野生型相比,不仅维管束多,特别是小维管束,而且有更多的厚壁细胞。此外,突变体最上节茎杆直径也比野生型粗。这表明突变体的茎杆强度要比野生型大,这是ep2突变体穗部直立的原因之一。4.通过半定量RT-PCR分析表明EP2基因主要在茎,叶,幼穗中表达,其中在穗中的表达量最高。对EP2基因的启动子融合GUS报告显示,EP2基因在茎、叶和叶鞘的维管束中表达。在生长点,腋芽,叶枕和幼穗等生长旺盛的地方都能够检测到GUS活性。这说明EP2基因表达具有较强的时空性。5.通过构建35S:EP2-GFP融合载体,再通过原生质体瞬时表达技术研究了EP2蛋白在细胞中的定位。结果表明,EP2-GFP融合蛋白在细胞中是网状分布的,而且与内质网特异标记(ER-mCherry)是共定位的。这说明EP2蛋白是内质网定位的,这些结果为研究EP2蛋白的功能研究奠定了基础。6.通过半定量RT-PCR分析GA合成相关基因在突变体的表达,我们可以看出OsGA20ox3和OsGA3oxl在突变体中显著下降。GA20ox基因和GA3ox基因在植物基因组中都是以基因家族形式存在的,在GA合成途径中起关键作用,特别在形成有活性的GA分子。这说明EP2蛋白通过调节OsGA20ox3和OsGA3oxl基因的表达参与了GA合成过程,从而造成了植株变矮。7.在成熟期对植株性状统计分析,表明直立穗ep2-2突变体能够改良水稻穗型。ep2-2突变体进一步降低植株高度、茎杆粗以及穗部保持直立,这些特性提高了植株的抗倒伏性。此外,ep2-2突变体每穗粒数要比野生型93-11多,具有增产的潜力。综上所述,根据本研究的结果可以达到以下结论：(1)我们在7号染色体上克隆了一个新的直立穗基因,EP2,该基因突变体能增加茎杆维管束和厚壁细胞数目,增加茎杆直径,从而导致突变体穗部直立；(2)EP2基因编码一个植物特有的,定位在内质网的新蛋白,但其功能未知；(3)EP2基因的表达具有很强的时空性；(4)EP2基因调控GA合成基因的表达,从而影响植株株高；(5)EP2基因在育种工作中具有极强的应用前景,完全可以作为一个新的直立穗资源,新的种质资源加以利用。