水稻糯性突变体r162的鉴定与基因定位

直链淀粉是影响稻米食味品质和外观品质的重要因素,主要由Waxy(Wx)基因编码的颗粒结合淀粉合酶Ⅰ(granule-bound starch synthaseⅠ, GBSSⅠ)介导合成。本研究从宁粳2号的甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate,EMS)诱变材料中筛选到了一个糯性突变体r162,与野生型相比,其籽粒外观呈不透明的云雾状,种子和糙米的粒长、粒宽以及千粒重显著下降。通过扫描电镜对淀粉形态进行观察,发现突变体的淀粉颗粒上存在孔洞。半薄切片碘染结果表明,突变体r162发育时期胚乳的造粉体排列结构与野生型相似,但碘染后颜色更浅。理化性质分析发现,突变体r162的总淀粉、总蛋白质和总脂肪含量与野生型相比无显著差异,但是表观直链淀粉含量极显著下降、胶稠度极显著增加,糊化特性发生明显改变,并且淀粉的崩解值、回生值、回复值以及米粉在尿素中的膨胀体积均小于野生型。通过基因定位和测序发现,突变基因Wx位于第6号染色体短臂上,Wx基因第7个内含子的第1个碱基(Int7-1)由鸟嘌呤(G)替换为腺嘌呤(A),造成Wx基因的编码区存在10个碱基的缺失,导致其编码的GBSSⅠ蛋白自第256位氨基酸起出现错误翻译,使蛋白质翻译提前终止,因此将该等位变异命名为Wx-r162。进一步通过蛋白质印迹法检测发现,突变体中的GBSSⅠ蛋白水平极显著下降。酶活性测定也证实,突变体r162中GBSSⅠ活性明显降低。综上所述,Wx-r162基因被视为一个新的等位变异,这种突变导致GBSSⅠ活性下降,进而造成突变体r162表观直链淀粉含量降低和籽粒表现出不透明的表型。

水稻抽穗期基因OsFKF1的克隆和互作蛋白筛选

[目的]本文旨在探究水稻抽穗期基因OsFKF1(Rice FLAVIN-BINDING,KELCH REPEAT,F-BOX 1)感受蓝光并调控抽穗期的分子机制。[方法]以‘宁粳2号’及其晚抽穗突变体lhn2和lhn3为材料,分析野生型和突变体的农艺性状。利用MutMap的方法定位并克隆导致lhn2和lhn3突变的基因,研究候选基因OsFKF1的功能及水稻原生质体中OsFKF1的亚细胞定位。利用不同波长光源处理检测OsFKF1对Ehd1表达的影响。通过酵母文库筛选试验寻找与OsFKF1互作的蛋白,并利用荧光素酶互补等试验进行验证。[结果]在南京自然长日照条件下lhn2和lhn3突变体抽穗期较野生型均延迟26、27 d,株高、粒长、粒宽、千粒重均显著下降。MutMap分析结果表明导致lhn2和lhn3突变的基因均为水稻抽穗期基因OsFKF1。亚细胞定位结果显示OsFKF1在水稻原生质体中定位于细胞质和细胞核内。OsFKF1仅在蓝光下诱导Ehd1表达,且蓝光处理3 h达到峰值。利用酵母文库筛选试验筛到与OsFKF1互作的一个含有泛素结合相关结构域的蛋白HGW(HEADING AND GRAIN WEIGHT),荧光素酶互补试验结果证实OsFKF1与HGW互作。[结论]蓝光诱导Ehd1的表达部分依赖于OsFKF1。推测OsFKF1和HGW可能形成复合体,通过泛素化降解蛋白途径调控水稻抽穗。

水稻柱头外露率主效QTL qTSE4 的定位

[目的]柱头外露率是杂交水稻制种的一个重要指标,本研究旨在检测控制水稻柱头外露率QTL及精细定位相关基因。[方法]以低柱头外露率粳稻品种‘02428’和高柱头外露率亲本ZH464配组的F 2群体进行QTL位点检测,在目标区域内利用分子标记筛选杂合单株,对连续自交获得的F 2:3和F 3:4群体进行多年稳定QTL位点定位,同时利用BSA-seq技术对F 3:4群体进行柱头外露率QTL定位和候选基因序列分析。[结果]相关性分析结果显示单柱头外露率、双柱头外露率和总柱头外露率这3个性状存在极显著的相关性。以总柱头外露率作为表型数据,利用已构建的覆盖全基因组分子连锁遗传图谱进行QTL定位,检测到第2和4染色体上的2个位点:qTSE2和qTSE4,选择贡献率大的qTSE4位点进行后续研究,该位点在F 2:3和F 3:4群体中被重复检测到。结合BSA-seq测序结果,在qTSE4位点区间内筛选到2个存在差异的基因。[结论]qTSE4位点作为柱头外露相关的主效QTL位点,可进行后续的精细定位,筛选到的2个候选基因有待进一步转基因功能验证。

高效、安全、规模化转基因技术:机会与挑战

自1996年转基因作物产业化以来，已累计推广15亿公顷，2013年种植面积达到1.752亿公顷，是1996年的100倍以上[1]。目前，全世界27个国家种植转基因作物，其中，19个发展中国家种植面积占54%，巴西达4030万公顷；美国是最大的转基因作物种植国（7010万公顷），约作物种植面积的90%为转基因品种。除大豆、玉米、棉花和油菜等重要农作物转基因品种大规模种植外，其他产业化的植物还包括水稻、马铃薯、苜蓿、甜菜、番木瓜、西葫芦、杨树、番茄、甜椒、蓝玫瑰、康乃馨等。据统计，全球转基因植物研究涉及至少35科200多个种，有近50个国家对60余种转基因植物进行了田间试验。同时，美国、俄罗斯等20多个国家正在开展猪、牛、羊、鸡、鱼、兔等转基因动物的研发。加拿大的环境友好型转基因猪，美国、日本和德国的异种器官移植用转基因猪，美国和澳大利亚高瘦肉率转基因猪，英国的抗瘟病转基因猪，新西兰的高酪蛋白转基因奶牛，荷兰的高乳铁蛋白转基因奶牛，美国的抗乳房炎转基因奶牛和山羊等均进入审批程序，即将实现产业化。

作物分子设计育种

优质、多抗、抗逆与高产作物新品种的选育和推广是实现我国粮食安全的重要途径。目前大多数育种工作仍然建立在表型选择和育种家的经验之上,育种效率低下;另一方面,生物信息数据库积累的数据量极其庞大,由于缺乏必要的数据整合技术,可资育种工作者利用的信息却非常有限。作物分子设计育种将在多层次水平上研究植物体所有成分的网络互作行为和在生长发育过程中对环境反应的动力学行为;继而使用各种“组学”数据,在计算机平台上对植物体的生长、发育和对外界反应行为进行预测;然后根据具体育种目标,构建品种设计的蓝图;最终结合育种实践培育出符合设计要求的农作物新品种。设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术体系,通过各种技术的集成与整合,对生物体从基因(分子)到整体(系统)不同层次进行设计和操作,在实验室对育种程序中的各种因素进行模拟、筛选和优化,提出最佳的亲本选配和后代选择策略,实现从传统的“经验育种”到定向、高效的“精确育种”的转化,以大幅度提高育种效率。

太湖晚粳抗白叶枯病遗传研究

根据抗感杂交6个世代群体的分析,选用4个白叶枯病菌系接种,研究了江苏省太湖地区8个晚粳品种的抗白叶枯病遗传。结果表明,品种与菌系间有明显的特异性互作,抗病性受感病亲本遗传背景的影响。小爱2号对菌系KS-6-6,KS-1-21和JS 49-6的抗性表现受2对隐性基因控制,而对浙173则表现为受多基因控制。反之,风景稻对浙173和KS-1-21的抗性受1对隐性基因控制,而对KS-6-6和JS 49-6则表现受多基因控制;大绿种对4个菌系的抗性一致,受1对显性基因支配。小爱2号和大绿种分别与黄玉、Ranta,Emas和早生爱国3号测交,表明其抗性基因与Xa-1,Xa-2和Xa-3呈非等位关系。讨论了有关抗病性遗传基础问题。

超级稻的分子设计育种

超级稻育种的目标是在水稻矮化育种和杂种优势利用取得突破的基础上,通过理想株型的构建结合籼粳亚种间杂种优势利用,来实现寻求水稻单产、品质、适应性的新突破。作物分子设计育种是通过各种技术的整合与集成,对作物从基因(分子)到整体(系统)不同层次进行设计和操作。将分子设计育种的知识和手段应用于超级稻育种,可以在尽可能短的时间里培育出更多、更好的超级稻品种或杂交组合。因此,对水稻分子设计育种的基本理论和相关领域的最新研究进展进行了综述,展望了分子设计育种对提升传统育种效率和培育超级稻新品种的前景,指出了未来超级稻发展的方向。

中国水稻分子育种现状与展望

转基因育种和分子标记辅助选择育种是分子育种的主要内容,本文从产量、适应性、品质、抗性和杂种优势利用方面阐述了水稻分子育种的生物学基础,以及开展分子育种以来所取得的一些重要成就;随着水稻基因组测序和重要农艺性状基因的精细定位和图位克隆,转基因技术的日渐完善,生物信息学的快速发展,模拟育种软件的开发等,使分子设计育种逐渐成为水稻育种的手段。

中国作物科学“十一五”的发展方向

综述了我国作物科学研究发展的现状和趋势,指出了目前我国作物科学研究领域存在的问题,探讨了我国“十一五”期间作物科学研究的发展方向。

我国转基因技术研究现状

2008年启动实施“转基因生物新品种培育”重大专项。 转基因棉花研发与产业化处于国际先进水平。 核心技术创新能力显著提升,研究水平居国际领先地位。

开展联合协作 占领生物育种制高点

与发达国家相比,我国生物育种还有较大差距。当务之急是加强基础研究能力建设,减少低水平重复研究。

水稻品种直链淀粉含量、糊化温度和蛋白质含量的稳定性分析

利用AMMI模型对18个水稻品种的直链淀粉含量(AC)、糊化温度(GT)和蛋白质含量(PC)进行两年三点的稳定性分析,并以AC、GT和PC的表型值及相应的稳定性参数(Di)为性状指标,对供试品种进行聚类分析和评价。结果表明,稻米AC、GT和PC在不同品种和环境间的差异以及G×E互作效应都达到极显著水平(P<0.01);3项品质性状的稳定性随品种不同而变化较大(0.15≤Di≤2.68),AC、GT和PC稳定性都高的品种仅有W002;综合考虑AC、GT和PC等3项品质性状的表现、稳定性、产量水平等因素,W002、广陵香粳、早丰九号和南京16号等品种可作为育种亲本,以改良水稻品种食味品质及其稳定性。

中国作物分子育种现状与发展前景

近年来,随着基因组测序等多种技术实现突破,基因组学、表型组学等多门"组学"及生物信息学得到迅猛发展,作物育种理论和技术也发生了重大变革。以分子标记育种、转基因育种、分子设计育种为代表的现代作物分子育种技术逐渐成为了全世界作物育种的主流,在我国也正在成为作物遗传改良的重要手段。本文在界定分子育种的基础上,简要分析了中国作物分子育种研究现状和面临的问题,探讨了未来我国作物分子育种的发展策略。

稻米脂肪含量近红外光谱分析技术研究

应用近红外光谱(NIRS)分析技术和偏最小二乘法(PLS)建立稻米脂肪定量分析数学模型,并比较糙米粒和糙米粉NIRS数学模型对预测稻米脂肪含量的效果差异。结果表明,当利用糙米粒和糙米粉NIRS数学模型对样品进行预测时,内部交叉验证预测值和真值之间的决定系数(R2)分别为94.44%和95.54%,内部交叉检验的标准差(RMSECV)分别为0.09%和0.08%;外部验证预测值和真值之间的R2值分别为79.51%和87.10%,预测标准差(RMSEP)分别为0.24%和0.26%,平均相对误差(ARE)分别为4.11%和3.30%。内部交叉验证和外部验证结果证明,糙米粒和糙米粉NIRS数学模型均具有较高的预测准确性,可应用于稻米营养品质改良实践。

水稻灌浆期耐热害的数量性状基因位点分析

利用由98个家系组成的Nipponbare/Kasalath//Nipponbare回交重组自交系群体及其分子连锁图谱,以粒重感热指数[(适温粒重-高温粒重)/适温粒重×100]为评价指标,采用混合线性模型的QTL定位方法,对水稻灌浆期耐热性的主效、上位性数量性状基因位点及其与环境的互作进行分析。共检测到3个灌浆期耐热性主效QTL,分别位于第1、4和7染色体上,LOD值为8.16、11.08和12.86,贡献率8.94%、17.25%和13.50%。其中位于第4染色体标记C1100-R1783之间的QTL,没有显著的上位性和环境互作效应,表明在不同环境和遗传背景中的表达较为稳定,在水稻耐热性育种中可能具有较大的利用价值,其耐热性等位基因来自亲本Kasalath,高温热害时可减少粒重损失3.31%。位于第1染色体标记R1613-C970之间的QTL和第7染色体标记C1226-R1440之间的QTL,耐热性等位基因来自亲本Nipponbare,分别可减少粒重损失2.38%和2.92%。这两个QTL均具有与环境的互作效应,其中第7染色体上的QTL还和其他基因位点有互作。检测到8对加性×加性上位性互作QTL,分布于第1、2、3、5、7、8、10和12染色体上。没有检测到上位性QTL与环境的互作效应。

水稻品种休眠特性的研究

以 13个水稻主栽品种及 11个F1代抽穗后 35d的种子为材料 ,进行种子休眠特性的研究。结果显示 ,30℃下 ,种子未去颖壳时 ,南京 11、桂朝 2号等品种的发芽率均高于 80 % ,无休眠性 ;IR36的发芽率仅为 19% ,具有较强的休眠性 ;越光、N2 2的发芽率分别为 2 %和 0 % ,具有极强的休眠性 ;F2 代种子的发芽率均不超过亲本 (越光除外 )。除去种子颖壳后 ,大多数供试材料的发芽率均显著提高 ,休眠性丧失 ,尤其是F2 代种子 ,但N2 2仍保持极强的休眠性。淀粉酶活性测定结果表明 ,酶活性与种子休眠性呈负相关。内源激素的分析表明 ,在吸水之前 ,不同休眠性品种的内源ABA和GA3 含量无明显差异 ,但吸水后 ,休眠性与GA3

不同水稻品种支链淀粉结构的差异及其与淀粉理化特性的关系

利用改进的基于DNA测序仪的荧光糖电泳法对我国不同品质类型水稻品种和部分外引水稻品种的支链淀粉链长分布特征进行了测定,在尽量排除直链淀粉含量(amylose content,AC)对淀粉理化特性影响的基础上,分析了支链淀粉结构与稻米淀粉理化特性的相关性。结果表明,根据∑DP≤11/∑DP≤24的链长比值,可将50个供试品种的支链淀粉分为I型和II型两种结构类型,I型支链淀粉的链长比值小于0.22,II型支链淀粉的链长比值大于0.26。15个粳稻品种的支链淀粉结构属II型,35个籼稻品种中有15个品种的支链淀粉结构属I型,20个品种属II型。相关分析结果表明,∑DP6～11和链长比值与起始成糊温度(pasting temperature,PT)和相对结晶度(relative crystallinity,RC)呈极显著负相关;∑DP28～34与PT呈极显著负相关,与RC的相关性不显著;∑DP13～24和∑DP39～49与PT呈极显著正相关,与RC呈显著正相关。在糯稻、低AC和高AC品种中,∑DP6～11、∑DP13～24和链长比值与PT的相关性与在全部品种中的相关性一致,与RC的相关性也与全部品种中的相关性基本一致。∑DP28～34与PT在低AC品种中,∑DP39～49与PT在糯稻和高AC品种中、与RC在高AC品种中的相关性也与全部品种中的相关性具有一致性。不同链长范围的支链数量比例与GC(gel consistency)和RVA谱特征值的相关性基本不显著。可见支链淀粉不同链长范围的支链数量比例主要与淀粉的PT和RC相关,而与淀粉的GC和RVA谱特征值关系不密切。

中国作物分子设计育种

分子设计育种通过多种技术的集成与整合,对育种程序中的诸多因素进行模拟、筛选和优化,提出最佳的符合育种目标的基因型以及实现目标基因型的亲本选配和后代选择策略,以提高作物育种中的预见性和育种效率,实现从传统的"经验育种"到定向、高效的"精确育种"的转化。分子设计育种主要包含以下3个步骤:(1)研究目标性状基因以及基因间的相互关系,即找基因(或生产品种的原材料),这一步骤包括构建遗传群体、筛选多态性标记、构建遗传连锁图谱、数量性状表型鉴定和遗传分析等内容;(2)根据不同生态环境条件下的育种目标设计目标基因型,即找目标(或设计品种原型),这一步骤利用已经鉴定出的各种重要育种性状的基因信息,包括基因在染色体上的位置、遗传效应、基因到性状的生化网络和表达途径、基因之间的互作、基因与遗传背景和环境之间的互作等,模拟预测各种可能基因型的表现型,从中选择符合特定育种目标的基因型;(3)选育目标基因型的途径分析,即找途径(或制定生产品种的育种方案)。本文评述近几年来我国在遗传研究材料创新、重要性状遗传分析、育种模拟工具开发和应用、设计育种实践、分子设计育种技术体系建设等方面取得的重要进展,结合国内外研究现状对分子设计育种的未来进行展望,最后指出我国近期应加强育种预测方法和工具、基因和环境互作、遗传交配设计、作物功能基因组学、生物信息学方法和工具、设计育种技术体系和决策支持平台等领域的研究,同时重视人才培养和团队建设。