利用CRISPR-Cas9技术编辑Badh2基因创制优质香型籼稻三系不育系

稻米香味是水稻的重要食味品质之一,其主要受第8染色体上编码甜菜碱脱氢酶基因Badh2控制,该基因突变可导致香味物质2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)的含量增加从而促进香味的产生。本研究以三明市农业科学研究院自主选育的优质籼型杂交稻保持系明太B为受体,利用CRISPR-Cas9技术对其Badh2基因进行编辑和敲除。获得2个T0代转基因纯合突变体植株并对其衍生的48个T1代单株进行鉴定和分析,获得1个不含转基因载体骨架且在第2外显子插入单个碱基T的纯合突变体株系明太B-badh2。利用半定量PCR和qRT-PCR技术以及气相色谱质谱联用仪(GC-MS)检测Badh2基因相对表达量和2-AP含量;同时采用农业行业标准(NY/T1433-2014)推荐的48对水稻SSR引物进行指纹图谱分析。结果表明,该株系Badh2基因RNA表达水平显著下调;籽粒中香味物质2-AP的含量显著增加;指纹图谱分析发现,仅1对引物Rm571在野生型和突变体之间鉴定到等位变异,两组材料遗传差异较小。此外,本研究还对野生型和突变体T2代植株表型性状、稻米蒸煮食味品质和外观品质指标进行了考察和测定分析。结果表明,所有指标在两组材料间均无显著差异。进一步采用测交和回交转育方法并结合Badh2位点测序分析,成功选育获得了其对应的纯合香型三系不育系明太A-badh2。通过与恢复系明恢703、明恢3009测配,其组合产量与国家审定品种明太优703、明太优3009相近且表现出较强的超标优势。此外,通过与香型恢复系明恢1831测配后发现其组合籽粒中香味物质2-AP含量极显著高于对照组合明太A/明恢1831。因此,利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,可对水稻香味基因Badh2进行精准定向编辑和敲除,实现对水稻香味性状的改良,为创制香型籼稻不育系提供理论指导,从而加快香型杂交稻育种进程。

水稻明恢826光身基因GL826的精细定位与候选基因分析

光身稻是一种重要的种质资源,在杂交水稻育种中具有重要的利用价值,其中明恢826(MH826)是自主选育的优良光身稻恢复系。为探究MH826光身基因功能和分子机制,本研究对MH826光身表型进行鉴定、对光身基因进行精细定位和候选基因分析。扫描电镜分析结果发现,其叶片和籽粒颖壳表现为表面光滑,未观察到明显的尖刺状表皮毛特征。利用MH826分别与具有明显表皮毛特性的水稻品种华占、明恢2155和9311杂交构建的F1和F2代分离群体对MH826光身基因进行遗传学分析,结果表明,MH826的光身性状由单个细胞核隐性基因控制,并将其命名为GL826(Glabrous Leaf 826)。进一步应用MH826与华占杂交获得的F2分离群体,结合分离群体分析法(BSA)和隐性群体分析法(RCA),并通过Mapmaker/Exp3.0和MapDraw v2.1软件分析,将光身基因GL826精细定位在水稻第5号染色体短臂端,且位于分子标记InDel-70和InDel-11之间,相对遗传距离均为0.2 cM。区间物理距离为141.03 kb,共预测有23个开放阅读框,其中LOC_Os05g02730功能注释为已报道的和水稻表皮毛发育相关基因。测序分析结果发现,MH826中候选基因LOC_Os05g02730在编码区和启动子区均未存在DNA水平上的碱基变异。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析结果表明,LOC_Os05g02730在MH826不同生长发育阶段的叶片、茎和幼穗中的表达受到了严重抑制,表现为不同程度的下调。推测候选基因LOC_Os05g02730即为GL826。本研究结果为光身稻恢复系MH826及其光身基因GL826在杂交水稻育种上的进一步应用提供了理论基础。

不同来源特种稻香味和黑色种皮基因的鉴定与遗传特性分析

特种稻是一类具有特殊遗传性状和用途的水稻品种,目前已成为杂交水稻育种的一个重要方向,选择和利用不同来源特种稻种质资源并对其特殊性状基因型进行鉴定和遗传特性分析,对进一步促进特种稻的遗传改良及新品种的选育具有重要意义。本研究利用特异性分子标记InDel-E2、FMbadh2-E7、CAPSRa和CAPS-Ra以及自主开发设计的特异性功能标记FMbadh2-E2、FMbadh2-E7A、FMbadh2-E7B、Ra-CAPS1和Ra-CAPS2并结合基因克隆和测序技术对来自不同地区的32份优质香型水稻亲本材料的香味基因和8份黑米水稻品种的黑色种皮基因进行了基因型鉴定和分析。研究发现,在32份香型水稻材料中,有28份香味性状来源于水稻第8号染色体上编码甜菜碱脱氢酶基因Badh2的功能缺失突变,且为常见的badh2-E7等位突变类型,其在Badh2基因第7外显子处发生8 bp缺失和3个单核苷酸(SNPs)位点多态性突变;2份(板仓香糯和八桂香)表现为香味基因杂合型(Badh2/badh2);2份(溪香和莉香占)在Badh2基因第2和第7外显子处均未发生碱基缺失突变,且具有完整的Badh2基因位点编码序列,其香味性状可能不受Badh2等位基因控制。另外,研究发现,8份黑米水稻品种的黑色种皮均由位于水稻第4号染色体上的Ra/Pb基因控制,其在第7外显子处均表现为2 bp(GT)的缺失突变。同时本研究通过构建多个杂交F2群体对Badh2和Ra基因进行了遗传特性分析,发现其香味和黑色种皮性状分别受1对细胞核隐性和1对细胞核显性主效基因控制。本研究通过对不同来源优质香型水稻亲本材料的香味基因和黑米水稻品种的黑色种皮基因进行鉴定、特异性功能分子标记的开发以及遗传特性分析,为进一步通过分子标记辅助选择育种技术,选育优质、高产且具有香味的杂交水稻新品种及黑米品种提供了重要的理论基础,可明显提高特种稻的选育效率,同时对进一步发现和挖掘新的香味控制基因及黑色种皮基因的研究具有重要意义。

红米亲本抗氧化活性成分的配合力分析

剖析红米抗氧化活性成分的配合力和遗传力,为富含功能营养成分的红米杂交水稻选育提供理论参考。选用6个三系不育系和8个红米恢复系,按不完全双列杂交6×8(NCII)设计,配制48个杂交红米组合,对总酚、总黄酮、原花青素和花色苷含量进行配合力及遗传参数分析。结果表明:红米杂交组合间的总酚、总黄酮、原花青素和花色苷含量存在遗传差异,受不育系亲本加性和组合间非加性效应共同影响,其中总酚、总黄酮和原花青素含量主要受基因非加性效应控制,花色苷含量受基因加性效应和基因非加性效应互作的共同影响;亲本一般配合力(GCA,general combining ability)的高低与组合特殊配合力(SCA,special combining ability)的优劣之间无直接相关,不同糙米颜色的母本与所配红米杂交组合的特殊配合力也无明显相关性;遗传力分析表明,4个抗氧化活性成分的狭义遗传率变幅为12.99%~48.29%,宜在中、高世代选择有效;不育系的4个抗氧化活性成分贡献率均大于恢复系,红米杂交稻育种中要加强母本的选择;母本野香A、品红1A在红米抗氧化活性成分育种上有较好的实际利用价值,野香A×18Rr175和广8A×18Rr178两个杂交组合的特殊配合力效应值高,生产应用潜力大。