水稻穗部分枝方式是影响产量的重要性状。水稻穗部分枝方式由三级分支组成,即初级、二级和第三级分支。穗的大小是由一次枝梗和二次枝梗的数目以及枝梗上的籽粒数决定的。它是直接影响粮食产量的主要农艺性状之一。水稻穗粒大小受花序发育的控制。因此,水稻小花的发育同时影响穗和谷粒的大小。同时,粒重主要取决于粒径,包括粒长、粒宽和粒厚等参数。本研究利用甲基磺酸乙酯化学诱变籼稻9311和粳稻日本晴,分别获得了大穗型突变体ckx2-2和小粒形突变体tsg2,两个突变体的性状在连续种植世代中表现稳定。对突变体进行了表型鉴定、组织学分析和籽粒品质分析。通过图位克隆、基因表达分析和生理分析鉴定性状调控基因并阐述其功能。结果表明,大穗突变体ckx2-2编码Os CKX2-2基因突变,小穗突变体tsg2编码TSG基因的突变。这两个基因突变引起了植物激素介导的水稻花序发育和籽粒性状调控的变异。基于Os CKX2-2基因开发的分子标记和ckx2-2突变体可用于水稻分子标记辅助提高水稻产量。而小粒突变体tsg2可在三系杂交水稻种子发育中起关键作用。除了直接应用于水稻育种之外,对突变体ckx2-2和tsg2调控基因的鉴定将进一步阐明水稻农艺性状发育的分子、生理和组织学机制。主要结果如下:(1)突变体ckx2-2的穗长、分枝数、结实率等农艺性状均显著高于野生型9311,而且突变体ckx2-2的粒长、粒宽和千粒重也显著高于野生型9311。突变体tsg2的特点是粒长、粒宽和千粒重显著降低,有效分蘖数和单株产量显著增加。同时,突变体tsg2的株高、穗长、每穗一次枝梗和二次枝梗、一次枝梗与二次枝梗比、每穗粒数、每穗实粒数均低于野生型。(2)组织学分析表明,谷壳细胞越大,细胞数越多,突变体ckx2-2的淀粉颗粒直径越大。突变体ckx2-2中的淀粉颗粒粒径较大且排列紧密,而9311中的淀粉粒较小且松散。相反,突变体tsg2谷壳细胞的大小和数目小于日本晴。同样,籽粒横截面分析显示淀粉粒较小且堆积松散,表明突变体tsg2的籽粒灌浆减少。与这些发现相关的是,突变体ckx2-2的籽粒垩白度和胶稠度降低,而直链淀粉含量和碱消值增加。与野生型相比,突变体tsg2的垩白度和胶稠度显著增加,直链淀粉含量和碱消值降低。(3)通过图位克隆,在编码细胞分裂素脱氢酶-Os CKX2-2基因的3’-UTR中发现了一个C-T SNP。基于C-T多态性开发了CAPS分子标记。RT-qPCR分析显示突变体ckx2-2穗中Os CKX2-2 mRNA转录水平较低。图位克隆显示突变体中TSG2基因有1个碱基(CtoA)的替代,该碱基的替代导致氨基酸从丙氨酸变成了丝氨酸。基于野生型和突变体tsg2的Os CKX2-2基因序列差异,我们开发了SSCP标记技术,该标记可以用于水稻大穗选择的分子辅助育种。(4)通过RT-qPCR分析发现,突变体ckx2-2的穗发育、细胞分裂和籽粒品质相关基因的表达相对野生型9311上调。另一方面,突变体tsg2和其野生型的转录组学分析显示有大量的差异表达基因(DEGs),这些差异表达基因涉及到了生物学过程、分子功能和细胞成分等过程。根据KEGG途径分析,DEGs参与了植物激素信号转导和淀粉以及蔗糖代谢。突变体ckx2-2的生长素反应、茉莉酸信号转导和碳水化合物代谢基因的表达与日本晴相比表达下调。(5)酶活性检测发现突变体ckx2-2细胞分裂素脱氢酶活性降低,而酶联免疫吸附试验(ELISA)显示,突变体ckx2-2的内源细胞分裂素含量显著升高。突变体tsg2的ELISA的分析结果显示,随着TSG基因的表达,突变体花序内源吲哚乙酸含量持续下调,而茉莉酸含量会相应增加。