水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一。随着耕地面积的缩小和世界人口的迅速增长,提高水稻的产量对解决未来全球的粮食安全问题具有十分重要的战略意义。株高是是影响水稻产量的关键因素之一。上世纪六七十年代,半矮化水稻新品种在生产上的广泛应用极大地提高了水稻的产量,这被誉为水稻上的“绿色革命”。矮化突变体是研究水稻矮化机制的理想材料。迄今为止,虽然在水稻中报道了不少矮化突变体,但大多数是半矮化突变体,对极端矮化突变体遗传及分子机理的研究还比较少。本研究利用一个组织培养得来的极端矮化突变体chromosome segment deleted dwarf1(csddl),通过基因的图位克隆和功能分析,揭示了引起csddl突变体极端矮化表型的遗传和分子机理,并且从细胞形态及生理等方面对csddl突变体进行了比较系统的研究。这加深了对水稻矮化机制的研究,并且为水稻矮化突变体在育种及生产上的应用提供了理论依据。主要研究结果如下：csddl是从日本特早熟粳稻品种Kitaake勺组培后代中发现的极端矮化突变体。该突变体表现为所有节间都不伸长,茎杆变粗,叶倾角变小,叶片扭曲、深绿,不育。节间细胞形态观察表明,csddl的节间细胞未伸长,这是其节间不伸长的主要原因。csddl的茎杆被所有的叶鞘包裹,并且节间横切面的细胞层数显著增加,这是csddl茎杆变粗的两个主要原因。叶片横切面的细胞形态观察表明,csddl中脉的结构存在缺陷,这种结构缺陷不利于叶片的伸展。观察还发现csddl叶片上表皮的泡状细胞数目减少,细胞皱缩、体积变小,这不利于泡状细胞吸水膨胀,从而影响叶片的伸展。这两方面因素可能引起了csddl叶片扭曲的表型。叶片色素含量测定及电镜观察结果表明,csddl叶片深绿的表型是由色素含量增加及叶绿体形态结构变化引起的。遗传分析结果表明csddl突变体的表型由隐性单基因控制。以csddl/+杂合植株与9311配置的BC2F2精细定位群体,采用隐性极端个体定位法,使用2332个隐性极端个体将csddl定位于第一染色体短臂的约220kb的区间内。进一步研究发现csddl在定位区间内发生了约168kb的染色体片段缺失。利用基因预测数据库对csddl缺失片段进行基因预测,发现缺失片段上共包含23个基因。对这23个基因进行RT-PCR表达分析,发现其中的15个基因在野生型中是表达的。因此csddl的候选基因很可能在这15个基因之中。根据水稻基因功能注释数据库对这15个基因功能的分析预测,发现其中的CYP90D2/D2基因编码油菜素内酯(Brassinosteroid, BR)合成途径中的一个关键合成酶。BR是一种具有促进细胞分裂及伸长,调控植物株高等功能的甾醇类植物激素,因此D2很可能是csddl的候选基因。我们在水稻T-DNA插入突变体库中筛选到了两份D2基因的T-DNA突变体,它们具有与csddl突变体十分相似的极端矮化表型。在黑暗条件下生长时,csddl及T-DNA突变体表现出BR突变体所特有的“去黄化”特征,说明它们是BR相关突变体。外源BR激素处理csddl能使突变体的株高得到恢复,说明csdd1是BR合成缺陷突变体。T-DNA标签和表型的共分离验证表明这两份T-DNA突变体的表型是由T-DNA插入D2基因引起的。基因表达分析表明D2基因在csddl及T-DNA突变体中都不表达,这说明它们是D2基因的完全缺失功能突变体。因此,我们把D2基因定为csddl的候选基因。将野生型D2基因转入csddl中互补了突变体的表型。在csddl中过表达D2基因也使突变体的表型得到了恢复。而在csddl中互补或过表达缺失片段上的其它6个候选基因却不能使突变体的表型得到恢复。用RNA干扰技术抑制野生型中D2基因的表达,T0转基因后代中出现了极端矮化表型的干扰植株。基因表达分析表明D2基因在这些干扰植株中不表达。这些结果证明csddl突变体的表型是由D2基因缺失引起的。氨基酸序列同源性和进化树分析表明D2基因为细胞色素P450中的CYP90基因亚家族的成员。基因的组织特异性表达分析表明,D2基因在细胞快速分裂和伸长的组织中表达较强,这和BR调控细胞分裂和伸长的功能是一致的。黑暗条件促进D2基因的表达,而光照及外源BR处理抑制D2基因的表达,这说明D2基因的表达受光及BR负反馈机制的调控。BR相关基因表达分析表明,在csddl及D2基因的T-DNA突变体中,BR信号及响应基因的表达量都有不同程度的下调。这可能反映了这些突变体中的BR含量降低,BR信号及响应基因对BR的应答减弱。d2-1及d2-2是D2基因的单碱基轻微矮化突变体,d2-1的第二节间不伸长,d2-2的第二节间缩短。csddl、d2-3及d2-4T-DNA突变体中的D2基因都完全缺失功能；它们在不同遗传背景下都表现出极端矮化表型；并且csddl在T65及9311遗传背景中也表现为极端矮化表型。这些结果说明csddl、d2-3及d2-4这类极端矮化突变体与d2-1及d2-2轻微矮化突变体的表型差异不是由于遗传背景差异引起的,而是由于D2基因突变的严重程度不同引起的。csddl与d2-1突变体的等位性测验表明,d2-1相对csddl为显性。用RNA干扰技术抑制d2-1突变体中D2基因的表达,To转基因后代中出现了极端矮化表型的干扰植株；在这些干扰植株中,D2基因几乎不表达。这些结果说明d2-1中的D2基因还具有部分功能,这是d2-1表现为轻微矮化表型的原因。