本发明属于植物生物技术领域,具体涉及利用三种水稻转录因子基因创制观赏型水稻种质的方法。
背景技术:
水稻是我国、乃至全世界的主要粮食作物,人们种植水稻的主要目的是获取稻谷、提供主食。稻穗是水稻的一个重要农艺性状,它由若干小穗组成。小穗是水稻籽粒形成的基础,其发育状况直接影响稻谷产量。随着人们生活水平的提高,人们对花卉等观赏型植物的消费支出越来越多,对其种类和品种的多样性需求也越来越高。水稻的小花从外到内依次由内稃和外稃、浆片、雄蕊和雌蕊组成。正常的水稻花朵外形小、花期短而无观赏价值。但水稻具有生长旺盛、株形美观、再生能力强、种植养护简单、且人们对其有天然亲近感等有利因素,若能对其穗部进行改造,开发出具有极高观赏价值的新种质,将具有很好的推广应用前景。
植物的花器官发育是一个由多基因参与调控的复杂生物学过程。上世纪80年代以来,利用双子叶模式植物拟南芥、矮牵牛和金鱼草中的一系列突变体开展研究,植物花器官发育的分子遗传机制研究取得了很大进展,提出了多个由“花器官特征”基因决定的植物花器官发育模型。这些“花器官特征”以mads基因为主,对植花器官的形态建成起关键作用。水稻有30多个mads基因在花器官中特异表达。其中,osmads6基因对水稻花器形成十分重要,决定着水稻小花中的第2、3、4轮器官的发育,因而被称为水稻关键的“花特异因子”之一(ohmorietal,2009;lietal.,2011;duanetal.,2012)。
作为花器官形成的最基本、最关键决定因子,大部分花器官特征基因的功能保守,它们之间相互作用、共同决定花器官发育的时空顺序。尽管花器官特征基因对植物花器官形成起关键作用,但它们并不是唯一的决定因子。近年来发现,在花器官特征基因的上游存在多种类型的调控基因,他们在不同时期、不同部位或不同调控路径中,通过激活或抑制花器官特征基因的表达,参与决定植物花器官的形成。其中,两个含锌指结构域的转录因子基因osjag和dl对水稻花器官的形态建成起重要的调节作用。osjag主要通过促进b类花器官特征基因的表达,参与决定雄蕊的发育(horigomeetal,2009;xiaoetal,2009;duanetal,2010);而dl基因则是控制b类基因的表达范围来调节雌蕊的发育(nagasawaetal,2003;yamaguchietal,2004)。这些研究进展为遗传改良水稻的穗部性状、培育出具有观赏价值高的水稻新种质奠定了基础。
技术实现要素:
本发明目的在于提供利用三种水稻转录因子基因创制观赏型水稻种质的方法。这3种水稻转录因子基因分别为一种mads-box基因osmads6,一种c2h2型锌指蛋白基因osjag和一种含锌指结构域的yabby家族基因dl。这3种基因均参与水稻小穗发育的调控,这为利用这3种基因改良水稻的穗部性状、从而培育出具有高观赏价值的水稻种质提供了途径。
本发明的技术方案如下:
本发明所述控制水稻花器官发育的3种转录因子基因osmads6、osjag和dl的核苷酸序列可从水稻基因组数据库下载获得(http://www.ricedata.cn/gene/index.htm)。
osmads6的等位突变体osmads6是从水稻籼粳交组合的花药培养后代的dh群体中获得,在osmads6的基因区发生了缺失、插入突变,导致该基因的功能完全缺失。osjag的等位突变体osjag和dl的等位突变体dl均来源于籼稻品种明恢86组培后代。其中,osjag突变体中,osjag的基因序列完全缺失;dl突变体中,dl基因的第1内含子插入1个反转座子基因,导致dl基因不表达。
将含上述3种转录因子基因的突变等位基因osmads6、osjag与dl通过杂交和分子标记技术,快速地导入到同一个水稻植株中,所产生的三突变体osmads6osjagdl的小穗发育异常,其穗部结构奇特、花期长、能稳定遗传、具有极高的观赏价值。
具体方法包括以下步骤:
(1)以携带osmads6的基因型植株作母本,与以携带dl的突变体植株作父本进行杂交,获得杂交f1;
(2)种植步骤(1)获得的f1,于分蘖期利用分子标记选择技术快速鉴定出同时携带osmads6和dl的两种突变杂合基因型植株;以该双杂合基因型植株作母本,与携带osjag的基因型植株作父本进行杂交,获得杂交f1;
(3)种植步骤(2)获得的f1,于成熟期单株收种获得f2种子;
(4)种植步骤(3)获得的f2;于开花期挑选小穗发育正常的植株,利用分子标记选择技术快速鉴定出同时携带osmads6、osjag和dl的三种突变杂合基因型植株,于成熟期收种,获得能稳定遗传的三突变体种质;
(5)种植步骤(4)获得的f2种子,利用分子标记选择技术快速鉴定出三突变体植株osmads6osjagdl。
所述的等位突变基因osmads6为osmads6基因区共缺失了2915bp,但同时又在此区域插入了一段852bp序列;所述的等位突变基因osjag为osjag基因缺失了8054bp的片段;所述的等位突变基因dl为dl基因的第1内含子中插入了一个5124bp的反转座子基因。
作为本发明的一种改进,在3种基因的核苷酸序列中添加、取代、插入或缺失一个或多个核苷酸而生成的等位基因也能达到本发明的目的。
本发明的优点在于:水稻是重要的粮食作物,为全球近一半的人口提供主食,人们种植水稻的主要目的是获取稻谷,但其经济效益不高。正常水稻小花的结构简单,从外到内依次由内稃和外稃、浆片、雄蕊和雌蕊组成,其花型小、花期短而无观赏价值。本发明以水稻一种mads-box蛋白基因osmads6、两种锌指蛋白基因osjag和dl的突变等位基因为原料,通过杂交和分子标记选择,将这两种等位基因快速导入到同一种籼型水稻种质中,创制了一种能稳定遗传、花型大且结构奇特、花期长、观赏价值高、易养护与繁殖等诸多优点的水稻种质,用于培育观赏型水稻,其培育成本低但经济效益高,因而具有很好的应用前景。
附图说明
图1:三突变体osmads6osjagdl小穗的表型;其中a:野生型小穗;b:osmads6小穗;c:osjag小穗;d:去除内外稃后的dl小穗;e,f:osmads6dl小穗;g:开花时的osmads6osjagdl小穗;h:开花后3周时的osmads6osjagdl小穗;i:开花后6周时的osmads6osjagdl小穗;比例尺=2mm。
图2:反转座子基因插入dl基因的位点。
图3:不同发育阶段的osmads6osjagdl幼穗原基分化与发育特征;比例尺=50μm。
具体实施方式
下面结合实例,对本发明作进一步说明。
实施例1:osmads6、osjag和dl的鉴定与保存
osmads6的鉴定与保存:如图1b所示的水稻突变体osmads6为本发明者从籼粳交组合“台湾粳/圭630”的花药培养后代的dh群体中获得(duanetal,2012)。如图1b所示的花器官发育异常的突变体osmads6,其雌、雄蕊完全退化,但稃片大量增生。该突变体的营养生长、进入生殖发时间、枝梗分化的状态和分化小穗的数目均正常,但花的性器官发育完全受阻,两个浆片和六枚雄蕊全部退化,分别同源转化为2个和6个稃片状的器官;位于颖花中央的一枚雌蕊完全退化,在该部位分化出大量稃片状的器官,这些增生的稃片呈轮状密集分布,最多可达十轮左右。因此,整个小穗明显膨大,呈现“多重颖壳”状。测序结果表明,osmads6基因区共缺失了2915bp,但同时又在此区域插入了一段新的852bp序列,导致该基因的功能完全缺失(duanetal.,2012)。
因osmads6的雄蕊、雌蕊完全退化而不能结实,突变体性状只能通过突变杂合体植株保持和延续,在其自交后代会分离出野生型(1/4)、杂合体(1/2)与突变体(1/4)。根据osmads6突变体中该基因的缺失、插入序列的位点,设计3条引物组成两对(引物1+引物2,引物1+引物3)混合在一起,利用1次pcr反应(94℃变性30s,55℃退火30s,72℃延伸1min),即可从osmads6杂合体自交后代的幼苗中快速鉴定出如表1所示的三种基因型植株,于成熟期收获杂合基因型植株的种子。所用引物序列及检测结果如表1所示。
表1osmads6杂合体自交后代三种基因型植株的鉴定
osjag的鉴定与保存:如图1c所示的水稻突变体osjag为本发明者从籼型水稻品种明恢86幼胚培养的后代群体中获得(duanetal,2010)。如图1c所示的花器官发育明显异常的突变体osjag,其小穗的第1轮内外颖变窄、细、硬而不能闭合,内颖弯曲呈月牙形;第2轮白色、肉质状的浆片变薄而大;第3轮的六枚雄蕊完全转化为雌蕊或肉质状的雌蕊-雄蕊嵌合体;第4轮的雌蕊发育异常,子房的柱头增多且高度不育。遗传分析表明,该突变性状由隐性单基因突变控制。测序结果表明,突变体的osjag基因检测到8054bp片段的缺失(包括5’-端起始密码子atg前缺失4492bp,基因区1416bp,以及3’-末端终止密码子tga后2146bp)。因此,osjag是一个零等位突变体(duanetal.,2010)。
因osjag的无雄蕊、且雌蕊高度不育,突变体性状只能通过杂合基因型osjag/osjag保存,在其自交后代会分离出野生型(1/4)、杂合体(1/2)与osjag突变体(1/4)。根据osjag突变体中该基因缺失序列的长度,设计3条特异引物组成两对(引物4+引物6,引物5+引物6)混合在一起,利用1次pcr反应(94℃变性30s,55℃退火30s,72℃延伸1min),即可从osjag杂合体自交后代的幼苗中快速鉴定出这三种基因型植株,于成熟期收获杂合基因型植株的种子。所用引物序列及检测结果如表2所示。
表2osjag杂合体自交后代三种基因型植株的鉴定
dl的鉴定与保存:如图1d所示的水稻突变体dl为本发明者从籼型水稻品种明恢86的幼胚培养的株系后代中获得。取籼稻品种明恢86开花后12天的未成熟种子,经75%乙醇消毒2分钟、2%的次氯酸钠浸泡20min、无菌水漂洗3-5次,挑取幼胚接入nb培养基(nb+2,4-d2mg/l;ph5.8-5.9),置于27℃恒温箱中黑暗培养15天,诱导愈伤生长;将长出的愈伤组织转入新的nb培养基中,继代培养15天;挑选颜色鲜黄、表面光滑的胚性愈伤组织转至分化培养基(nb+kt10mg/l+naa0.4mg/l;ph5.8-5.9),20-30天后分化出再生植株;将生长至2-3cm高的再生苗移至1/2ms的生根培养基(1/2ms;ph5.8-5.9)培养10-15天;经炼苗处理后的再生植株移至大田种植。
从明恢86幼胚组织培养株系的后代中找到了一种如图1d所示的花器官明显异常的突变体dl。该突变体的雌蕊完全退化、完全转变为多枚数目不定的雄蕊状器官,因而表现为多雄蕊而无雌蕊。测序结果表明,突变体在如图2所示的dl基因的第1内含子中插入了一个5124bp的反转座子基因(序列如seqidno.1所示),导致dl功能完全缺失。因dl的花粉可育但无雌蕊而表现不育,突变体性状只能通过杂合基因型保存,在其自交后代会分离出野生型(1/4)、杂合体(1/2)与dl突变体(1/4)。根据dl突变体中在该基因中插入的反转座子序列,设计3条组成两对(引物7+引物8,引物7+引物9)引物混合在一起,利用1次pcr反应(94℃变性30s,55℃退火30s,72℃延伸40s),即可在从dl杂合体自交后代中的幼苗中快速鉴定出野生型与杂合体植株,于成熟期收获杂合基因型植株的种子。而可依据叶片表型的特征,可直接鉴定出dl突变体植株。所用引物序列及检测结果见表3。
表3dl杂合体自交后代野生型与杂合体植株基因型的鉴定
实施例2:双突变体种质osmads6dl的创制
分别播种上述实施例1所鉴定出的osmads6和dl的杂合基因型植株种子。因dl的雄蕊发育正常、且花粉可育,而其杂合体植株的雄蕊与雌蕊均发育正常而可育。因此,以osmads6的杂合体植株作母本,与dl的可育花粉杂交,获得雄蕊与雌蕊均发育正常且可育的f1植株,其自交的f2群体中会分离出如图1e和图1f所示的双突变体osmads6dl。该双突变体小穗与osmads6部分相似,主要由稃片状器官组成,但大部分小穗仍保留1-5枚发育异常且高度不育的雄蕊。在适宜的光温环境条件下,绿色的osmads6dl小穗可维持1个月以上。根据osmads6和dl的突变特点,设计如上述表1和表3所示的特异引物,可从其f2群体中快速鉴定出osmads6和dl的双突变杂合体,于成熟期收种。检测及选择结果如表4所示。
表4osmads6与dl的双突变杂合体自交后代7种基因型的鉴定
实施例3:三突变体osmads6osjagdl的创制
播种上述实施例2所鉴定出的osmads6和dl的双突变杂合基因型植株种子,以及osjag的杂合基因型植株的种子,根据osmads6、dl和osjag的突变特点,利用实施例1的表1、表2、和表3中所示的特异引物进行pcr和电泳,可从中快速鉴定出osmads6和dl的双突变杂合体植株,以及osjag的杂合基因型植株。以这两种杂合体植株作亲本进行杂交,获得雄蕊与雌蕊均发育正常且可育的f1植株,其自交的f2中会分离出如图1g-i所示的三突变体osmads6osjagdl植株的小穗。该三突变体小穗的结构奇特,其中央长出一个明显向上延长生长的穗轴,并在其基部长出多轮细长的绿色稃片状器官,而在其上部则长出多个由无数细小稃片状器官包裹而成的异位小穗。这些异位小穗的外围稃片的颜色较深、由外至内的稃片颜色逐渐变浅呈淡绿色或黄绿色。因此,每个三突变体的小穗呈现“花中穗”结构,而整个稻穗则由许多“花中穗”结构的小穗组成。如图3所示的扫描电镜观察表明,osmads6osjagdl小穗的器官原基的数目与形状发生明显改变,最终分化形成结构特异、具有极高的观赏价值的小穗。
因osmads6osjagdl的突变性状可稳定遗传,我们只需选择出同时含有osmads6、osjag和dl的三种杂合基因型植株并收获其种子,在其自交后代的群体中可分离出三突变体植株。利用实施例1的表1、表2和表3所示的特异引物,可在苗期从f2群体中快速鉴定出三突变体osmads6osjagdl植株,以及osmads6、osjag和dl的三突变杂合体植株,于成熟期收获三突变杂合体植株的种子。检测及选择结果如表5所示。
表5osmads6、osjag与dl的三突变杂合体自交后代21种基因型的鉴定
本发明所创制的osmads6osjagdl种质具有极高的观赏价值,可用于培育观赏型水稻。以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式,应当指出,对与本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
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