基因编辑技术改良玉米株型增加杂交种产量

玉米紧凑株型能够通过密植栽培实现增产。改良玉米株型的关键性状叶夹角,创制紧凑株型的玉米杂交种,能够实现该增产过程。通过基因编辑技术和DTM(desire targeted mutation)策略,突变杂交种中单88的母本CX1的叶夹角形成关键基因ZmLG1,获得株型紧凑的改良母本自交系CX1-lg1。以此母本与中单88的父本CX2杂交,配制获得株型紧凑的ZmLG1Zmlg1改良杂交种中单88M。对改良母本CX1-lg1的制种效率及改良杂交种中单88M在增密栽培下的产量进行评估。结果显示:(1)通过母本株型改良能够实现对杂交种株型的改良;(2)株型紧凑的改良母本CX1-lg1在5 000株/667 m2的条件下有更高的制种效率;(3)改良杂交种中单88M在不同环境和密度下均有更紧凑株型,且在较高栽培密度下实现增产。以上结果表明基因编辑技术能够通过靶向特定基因实现精确的表型调控,借助DTM策略改良亲本可以实现对杂交种特定表型的改良。

基因编辑快速改良玉米开花期研究

为获得早熟玉米种质,选择水稻光周期敏感基因Ghd7的同源基因ZmCCT10作为研究目标,利用基因编辑技术针对该基因的CDS区域进行敲除,获得相关材料后,选择其中表型较为明显的2种,进行生育期及植株表型等相关性状的数据调查与分析,发现敲除该基因后,在长日照的情况下,与野生型相比,编辑后的材料明显提前开花,并出现矮化等明显有利性状。ZmCCT10在玉米的开花调控网络中起抑制作用,敲除该基因可明显解除抑制。

玉米开花期调控机制研究进展

开花期对玉米非常重要,不仅影响玉米的生长区域适应性、对各种逆境的抗性,另外对于玉米的产量、质量、营养价值等多个性状都具有重要的影响。根据玉米开花期调控途径的研究报道,玉米开花期可分为4条途径:光周期途径(photoperiod pathway)、自主途径(autonomous pathway)、赤霉素途径(gibberellin pathway)和年龄途径(age pathway),4条途径既独立存在又相互影响,共同调节玉米的开花时间。总结并整理玉米的开花期调控途径,对于改良热带种质资源使其适应我国温带地区、培育优良品种具有重要的参考价值和指导意义。

基于CRISPR/Cas9核糖核蛋白体DNA定点内切酶体外活性建立高效基因型分析技术

建立快速、准确、高通量与简便易行的基因型分析技术对基因功能解析、分子育种与突变体鉴定研究具有重要价值。本研究的目标是利用Cas9或Cas9NG变体与单分子指导RNA(single guide RNA,sgRNA)核糖核蛋白复合体(sgRNA/Cas9-RNP或sgRNA/Cas9NG-RNP)体外DNA定点内切酶活性,建立与优化简便高效与低成本的基因型分析技术。以我们前期创制的CRISPR/Cas9定点编辑玉米ZmWx基因第7外显子区域定点突变基因编辑后代分离群体为材料,以ZmWx靶位点两侧特异引物扩增的PCR产物为底物,利用原核表达并纯化的Cas9或Cas9-NG蛋白为DNA内切酶,以体外转录的靶向ZmWx基因靶点的sgRNA或骨架序列优化的sgRNA(enhancedsgRNA,esgRNA)为Cas9或Cas9-NG酶定点活性指导元件,通过体外组装为sgRNA/Cas9-RNP复合体,对目标样本迚行酶切,以区分目标位点野生型、纯合突变体、杂合突变体基因型,并对反应体系迚行了优化。研究表明,基于esgRNA/Cas9的PCR/RNP检测技术可对ZmWx基因编辑目标突变体后代迚行快速有效的基因型鉴定;实验体系优化结果表明,esgRNA/Cas9蛋白质量比为1∶1,各为1?g,20?L反应体系,37℃酶切0.5h,可对500ng待测DNA底物充分酶切并确定基因型;esgRNA/Cas9NG反应体系优化结果表明,当esgRNA与Cas9-NG蛋白均为2μg时,37℃酶切4 h,可对500 ng DNA底物迚行酶切并实现基因型分析。利用Cas9NG拓宽靶位点检测范围的研究结果,暗示Cas9NG是以牺牲核酸酶酶切活性为代价降低了Cas9蛋白对PAM(protospacer adjacent motif,PAM)基序NGG序列的依赖性,实现PAM-NG基序识别能力,sgRNA/Cas9NG检测效率等仍有待提升与优化。本研究为基因功能解析、分子育种与突变体鉴定等研究提供了一套简便、成本低廉的技术方法,Cas9NG体外内切酶活性及其效率也为该Cas9突变体活体基因编辑技术研収提供了参考数据。

玉米叶肉原生质体瞬时表达系统建立与优化

以玉米B73黄化苗叶片为研究材料,采用酶解法分离并获得高活性的玉米叶肉原生质体细胞,优化PEG-Ca^(2+)介导的玉米叶肉原生质体细胞转化条件,探索电击介导玉米叶肉原生质体细胞瞬时转化方法。同时,以荧光蛋白为报告分子融合细胞器定位信号,建立玉米叶肉原生质体亚细胞定位系统,进一步验证该瞬时表达系统具备可用于基因功能研究的可能性。结果表明,通过酶解法分离获得的玉米叶肉原生质体细胞经过FDA染色统计发现,95%的细胞结构完整且活力较高。在PEG-Ca^(2+)介导瞬时转化方法中,当PEG浓度40%且质粒量增加至25μg时转化效率达到最高,为51.28%。在电击介导瞬时转化方法中,当电压为350 V且电击时间为5 ms的条件下电击转化效率最高,为32.66%。通过将核定位信号NLS与eGFP基因融合转入玉米叶肉原生质体细胞,eGFP成功定位于细胞核。通过将叶绿体定位基因ZmMSH1与DsRed2基因融合并转入,DsRed2蛋白成功定位于叶绿体中。在玉米叶肉原生质体细胞中过表达ZmDHDPS基因,通过qRT-PCR和Western Blot等技术确定了ZmDHDPS高表达活性,并显著提高原生质体细胞内游离赖氨酸含量。

除草剂抗性农作物育种研究进展

概述了我国农作物田间杂草的主要类型、除草剂主要类型及其作用机制以及农作物除草剂抗性主要机制,综述了作物除草剂抗性育种的研究进展,比较了传统育种和转基因育种方式培育除草剂抗性作物的优缺点,总结了转基因育种存在的安全性问题。同时介绍了转基因培育除草剂抗性作物中常用的抗性基因以及基因转入受体的方式,展望了CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPRassociated protein 9)等基因编辑技术在农作物除草剂抗性育种研究中的应用与发展前景。

玉米雄性不育机制及其产业化应用研究进展

玉米是杂种优势利用最成功的作物之一,生产上广泛采用单交种。杂交种制种是玉米产业重要的生产环节,雄性不育系在杂交种制种中的应用能显著提高生产效率与种子质量。因此,玉米雄性不育机制及其产业化应用研究具有重要的理论与实践意义。综述了玉米花序的基本结构与生物学功能、细胞质雄性不育与细胞核雄性不育类型、机制与遗传基础及其在产业化应用中的优势与局限性,探讨与展望了雄性不育产业化应用的发展方向,为理解玉米雄性不育性生物学机制及产业化应用提供了较全面的基础资料。

玉米甜、糯性状育种的遗传学基础

甜玉米和糯玉米是一类淀粉合成途径不同、基因发生突变导致子粒中含有高可溶性糖或高支链淀粉的玉米,是可直接食用的鲜食玉米类型。介绍玉米甜、糯性状形成的生物化学基础及其遗传特征,详细阐述单果穗甜糯形成的遗传学基础与机制,利用基因编辑技术进行隐性性状高效遗传改良具有无需表型选择并克服连锁累赘的优势。

“三步选择”法在优质多抗鲜食玉米品种选育中的应用

鲜食玉米因其兼具粮、果、蔬三类食物特性,具有巨大的市场消费潜力。但其育种过程中由于自交系品质、抗性、配合力不能协调统一,选育品种综合优势不突出,无法满足市场的需求。本研究提出采用大群体逆境胁迫选择、半穗品鉴半穗留种法和配合力测试相结合的“三步选择”方法选育优质、抗逆、高配合力鲜食玉米自交系。第一步选择优良基础种质,在其基因分离世代进行大群体逆境胁迫高压种植,选择抗逆性好的植株套袋自交。第二步在当选植株中通过半穗品鉴半穗留种法选择品质好的果穗留种,果穗老熟后于下一代种成穗行。第三步进行配合力测试,采用测配结合,边测配边组配的方法,测定新选系的配合力和组配新组合同时进行。通过该方法选育出优良自交系16个,组配甜玉米品种9个和糯玉米品种9个。实践表明该育种方法简化了鲜食玉米育种程序,提高了优良自交系的选择效率和优良品种组配成功率,为优质、抗逆、高配合力鲜食玉米新品种选育指明了方向。

玉米新型育种和制种技术及其应用

玉米是重要的粮食、饲料和工业原料,2022年种植面积约4306.67万公顷(6.46亿亩)、总产量2.77亿吨,无论是种植面积还是总产量都是我国的第一大作物,在保障国家粮食安全方面发挥着举足轻重的作用.但近年来,国内供需缺口大,影响肉蛋奶供给,已成为我国"卡脖子"作物之一.