中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (11): 2062-2080.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.11.002
曾跃辉1,2(), 邹文广2,3(
), 赵福铭1,2, 肖长春1,2, 黄建鸿1,2, 马彬林2,3, 杨旺兴2,3, 韦新宇1,2(
), 许旭明2,3(
)
收稿日期:
2024-11-20
接受日期:
2024-12-19
出版日期:
2025-06-01
发布日期:
2025-06-09
通信作者:
联系方式:
曾跃辉,E-mail:1_zengyuehui_1@163.com。邹文广,E-mail:52587656@qq.com。曾跃辉和邹文广为同等贡献作者。
基金资助:
ZENG YueHui1,2(), ZOU WenGuang2,3(
), ZHAO FuMing1,2, XIAO ChangChun1,2, HUANG JianHong1,2, MA BinLin2,3, YANG WangXing2,3, WEI XinYu1,2(
), XU XuMing2,3(
)
Received:
2024-11-20
Accepted:
2024-12-19
Published:
2025-06-01
Online:
2025-06-09
摘要:
【目的】 水稻颖花开裂突变体sg2(split glume 2)来源于三明市农业科学研究院自主选育的恢复系GK1327高世代育种群体的自然突变,通过对其颖花开裂基因OsSG2(Oryza sativa Split Glume 2)进行遗传学分析、图位克隆和功能验证,为进一步开展OsSG2在水稻花器官发育中的功能研究奠定基础和提供重要种质资源。【方法】 通过对突变体sg2颖花进行形态特征解剖观察,分析其花器官发育突变特点。通过对野生型WT(GK1327)与突变体sg2表型和农艺性状进行调查,以及花粉在I2-KI溶液中的染色观察,分析该突变表型对主要产量性状和花粉育性的影响。利用突变体sg2分别与野生型WT和9311杂交,构建多个F2分离群体,对OsSG2进行遗传学分析和物理定位。采用集群分离分析法(bulked segregant analysis,BSA)和二代测序(next-generation sequencing,NGS)相结合的BSA-seq技术,以及半定量PCR和实时荧光定量PCR对候选基因进行筛选和表达模式分析。结合PCR扩增和测序技术对候选基因进行克隆和序列分析。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术和转基因互补试验对OsSG2候选基因进行功能验证。【结果】 该突变体在生殖生长时期花器官发育出现明显异常,其颖花内外稃片瘪弱,表现出不同程度的扭曲变形,且开裂不抱合表型,穗部颖花发育不正常的比例达到100%。相比野生型,突变体sg2结实率和千粒重显著降低,种子萌发率显著下降,花粉育性未出现明显异常。遗传分析表明,sg2突变表型由单个细胞核隐性基因控制。通过图位克隆技术,将OsSG2精细定位在水稻第3染色体短臂端,位于2个InDel(insertion/deletion)标记InDel-12083和InDel-17610之间,物理距离为919.85 kb,该区间共注释75个开放阅读框(open read frames,ORFs)。利用BSA-seq技术,鉴定到一个潜在的OsSG2候选基因LOC_Os03g11614,该基因编码一个定位于细胞核的OsMADS1转录因子。表达和序列分析表明,相比野生型,LOC_Os03g11614在突变体sg2抽穗期幼穗中的表达水平极显著下调,且该基因编码序列(coding sequence,CDS)在突变体中发生单个核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)突变,即LOC_Os03g11614第1外显子第3个碱基由G突变为A,导致其起始密码子由ATG突变为ATA,进而影响该基因的转录表达和相应蛋白OsMADS1的结构和功能。CRISPR-Cas9基因编辑技术和功能互补试验进一步证实候选基因LOC_Os03g11614即为OsSG2。【结论】 鉴定并克隆获得的水稻颖花开裂基因OsSG2为一个新的OsMADS1等位突变基因。
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图1
野生型与突变体sg2的表型和农艺性状 A:野生型和突变体sg2灌浆期单株表型,Bar=10 cm;B—C:野生型和突变体sg2灌浆期穗子表型,Bar=5 cm,其中,图C为图B突变体sg2穗子局部放大视野,Bar=2 cm;D:突变体sg2抽穗期颖花表型,Bar=1 cm;E:突变体sg2颖花结构解剖,Bar=1 cm;F—G:野生型和突变体sg2灌浆期(F,Bar=1 cm)和成熟期(G,Bar=1 cm)籽粒表型;H—J:野生型和突变体sg2结实率(H)、千粒重(I)以及种子发芽率(J);K:野生型和突变体sg2花粉育性I2-KI染色鉴定,Bar=1 mm。le:外稃;pa:内稃;st:雄蕊;pi:雌蕊;sl:护颖;WT:GK1327。**:P<0.01。下同"
表2
本研究所使用的引物序列"
引物名称 Primer name | 正向引物 Forward primer (5′-3′) | 反向引物 Reverse primer (5′-3′) | 用途 Usage |
---|---|---|---|
Rm14462 | TCTGTATTCAAGGAGGGCTAGATGC | GCTGGAGAGATGCATTGACTGG | OsSG2初步定位 Preliminary mapping for OsSG2 |
Rm3392 | AGCAACCAACCCAGTAGTTAGCC | GCTCATTTGCATGCTGTGTTAGC | |
Rm14722 | ACACACCACATTGTTGGCATTGG | TGGTGGGAGGAAGATTTCAGTGG | |
Rm14728 | CTCAGCGGACTAGAATGCAAGC | AAACGGATACATCTTCGCAGAACG | |
Rm7 | TTCGCCATGAAGTCTCTCG | CCTCCCATCATTTCGTTGTT | |
InDel-2923 | GCCTAAATTTGCAGTGATGTG | TACCAGTGCCCAATAATCGT | OsSG2精细定位 Fine mapping for OsSG2 |
InDel-12083 | GCAATCAGGTCGCGTATCAG | GGTTGGGTGTTCGACGTATC | |
InDel-17610 | ACGAATGTAACTTTGGCATGTCA | ATGCTCTGAGGTGATTACTTTT | |
InDel-31068 | AAGCCCCGTTTGACTTAGGT | AAGCCCCGTTTGACTTAGGT | |
InDel-31355 | TTAGGCCCAGTTTTGCTCTC | CTCCCTCCGTCCCGAAAA | |
OsMADS1-Q | TTGGAGAGGTACCGCAGC | TCTGGTTCTCAAGCTGCTCC | OsMADS1的qRT-PCR检测 qRT-PCR detection for OsMADS1 |
OsMADS1-Seq01 | CGACGTGACAGCAGTTTGAT | AGCACTAAAAGCACGCGAAA | OsMADS1的测序 Sequencing for OsMADS1 |
OsMADS1-Seq02 | TGCGCAAATCAAAACTGTACAG | ATTGCGGCCCATCTAAACTG | |
OsMADS1-Seq03 | TAGGGCGCATTGTGACTTTG | GCCTGTGTTAAAAGCCATGC | |
OsMADS1-Seq04 | AGCAAGCACTTCACACCATG | AGAACAGTGCTAGAACCGCT | |
OsMADS1-Seq05 | AGCCATCGATCACCCTGAAA | GTCTGCTGCTTCATTGCTCA | |
OsMADS1-Seq06 | CCATCAGGGTCTTCTCCACC | TGAGATAACAGCTGCCGTCT | |
OsActin-F/R | ACCTTCAACACCCCTGCTAT | CACCATCACCAGAGTCCAAC | OsActin的qRT-PCR检测 qRT-PCR detection for OsActin (as internal standard) |
FMHPT-F/R | ATTTGTGTACGCCCGACAGT | GTGCTTGACATTGGGGAGTT | PCR鉴定HPT PCR detection for HPT |
FMCas9-F/R | AGAACCTCTCCGATGCTATCC | AGCAAGAGGACCAACGTAG | PCR鉴定Cas9 PCR detection for Cas9 |
图2
OsSG2的精细定位 A:OsSG2初步定位在第3染色体且位于SSR分子标记Rm3392和Rm14722之间;B:利用9311与sg2杂交(9311×sg2、sg2×9311)获得的共600个F2突变单株将OsSG2精细定位在InDel标记InDel-12083和InDel-17610之间,区间物理距离为919.85 kb;C:包含OsSG2位点的BAC克隆重叠群;D:参考粳稻品种日本晴基因组信息,定位区间共注释有75个ORFs作为OsSG2的候选基因。与OsSG2连锁的各分子标记下方括号中的数字表示从600个F2突变单株中鉴定到的重组交换单株。染色体下方数字表示相应连锁分子标记在水稻第3染色体上的实际物理位置"
表4
测序深度和覆盖度"
样本 Samples | 有效序列数 Total reads | 比对序列数 Mapped reads | 比对率 Mapped rate (%) | 平均覆盖深度 Average coverage (×) | 1×覆盖度 1×coverage (%) | 10×覆盖度 10×coverage (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
9311 | 176181050 | 136126271 | 98.23 | 52.7028 | 93.72 | 88.85 |
sg2 | 182366852 | 140044150 | 98.16 | 54.2271 | 93.16 | 88.38 |
WT-Pool | 192599862 | 145760573 | 98.13 | 56.2530 | 94.71 | 90.18 |
MT-Pool | 201645008 | 152345579 | 98.11 | 58.7479 | 94.74 | 90.45 |
图6
OsSG2候选基因LOC_Os03g11614的CRISPR-Cas9功能验证 A:利用CRISPR-Cas9基因编辑系统获得的2个T0代阳性转基因株系OsMADS1-Cas9-1#和OsMADS1-Cas9-3#,Bar=3 cm;B—C:功能标记FMCas9-F/R(B)和FMHPT-F/R(C)对T0代阳性转基因植株PCR检测,+和-分别表示阳性对照和阴性对照,M代表2000 bp DNA Marker;D:OsMADS1-Cas9-1#和OsMADS1-Cas9-3#中LOC_Os03g11614靶点1突变类型分析,红色字体表示靶点序列,黑色方框中的核苷酸表示PAM序列,-表示碱基缺失;E:qRT-PCR分析LOC_Os03g11614分别在野生型、OsMADS1-Cas9-1#和OsMADS1-Cas9-3#抽穗期幼穗中的表达水平;F:OsMADS1-Cas9-1#和OsMADS1-Cas9-3#抽穗期幼穗表型,标尺表示2 cm(左)、6 cm(中)和2 cm(右)。WT:GK1327"
图7
OsSG2候选基因LOC_Os03g11614的功能互补验证 A:利用互补试验获得的3个T0代阳性转基因株系OsMADS1-OE1#、OsMADS1-OE2#和OsMADS1-OE5#,Bar=3 cm;B:功能标记FMHPT-F/R对T0代阳性过表达转基因植株PCR检测,+和-分别表示阳性对照和阴性对照,M代表2000 bp DNA Marker;C:qRT-PCR分析LOC_Os03g11614分别在野生型、突变体sg2、OsMADS1-OE1#、OsMADS1-OE2#和OsMADS1-OE5#抽穗期幼穗中的表达水平;D:OsMADS1-OE1#、OsMADS1-OE2#和OsMADS1-OE5#抽穗期幼穗表型,Bar=6 cm。WT:GK1327"
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