





中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (8): 1417-1429.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.08.001
收稿日期:2023-10-23
接受日期:2023-11-29
出版日期:2024-04-16
发布日期:2024-04-24
通信作者:
联系方式:
许娜,E-mail:xuna1109@163.com。
基金资助:
XU Na(
), TANG Ying, XU ZhengJin, SUN Jian(
), XU Quan(
)
Received:2023-10-23
Accepted:2023-11-29
Published:2024-04-16
Online:2024-04-24
摘要:
【目的】籼粳亚种间杂交F1的育性问题严重阻碍了亚种间杂种优势的利用,探究籼粳杂种不育的遗传机理,挖掘新的籼粳杂种不育调控基因,为促进籼粳杂种结实率遗传改良提供理论依据。【方法】粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki杂交后,采用单粒传法自交10代,获得包含95个株系的稳定遗传重组自交系(RIL),基于Illumina平台,对双亲和RIL进行高通量测序,在全基因组水平分析RIL中Habataki血缘的分布与比例,进而鉴定偏分离区域作为潜在的籼粳杂种不育位点。同时,剖析“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”中典型籼粳稻基因组变异数据,对群体水平进一步验证并趋近目标育性基因区域。最终通过序列比对锁定籼粳杂种不育候选基因。应用CRISPR基因编辑技术进行定点基因敲除,对目标基因进行功能验证。【结果】Habataki和Sasanishiki的杂交F1在穗数、每穗粒数和千粒重上体现出明显的杂种优势,但其结实率显著降低,I2-KI镜检发现F1花粉育性显著降低。RIL的全基因组高通量测序在第1、3、5、6、7和12染色体上检测到明显的偏分离,即该区域的基因型趋向于籼稻Habataki。通过序列比对,进一步确定已知育性基因Sc、S5和HSA1为第3、6和12染色体上偏分离区域的目标基因。应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc-Haba-3的多拷贝,成功改善了其与Sasanishiki杂交F1的花粉育性和结实率,说明该基因可独立行使功能。同时,在第1染色体的偏分离区域发现Habataki和Sasanishiki之间存在复杂的结构性变异,Sasanishiki基因组中一段24.7 kb包含4个预测基因的片段在Habataki中被一段64.8 kb包含10个预测基因的片段取代,此结构性变异可能参与籼粳杂种育性的调控。【结论】检测到多个籼粳杂种不育相关位点,应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc的多拷贝成功改善其杂种F1育性,确定其为水稻亚种间育性改良的目标基因。同时锁定了第1染色体Sd区域的目标基因。
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图6
Haba中Sc-Haba-3的CRISPR基因编辑植株的突变序列和表型分析 A:Sc-Haba-2与Sc-Haba-3靶点PAM序列的差异和基因编辑植株的突变序列;B:F1(Sasa/Haba)、F1(Sasa/CR-1)和F1(Sasa/CR-2)植株的花粉I2-KI镜检;C:Sasa、F1(Sasa/Haba)、F1(Sasa/CR-1)和F1(Sasa/CR-2)中Sc-Sasa的表达量;D:F1(Sasa/Haba)、F1(Sasa/CR-1)和F1(Sasa/CR-2)的花粉可染率;E:F1(Sasa/Haba)、F1(Sasa/CR-1)和F1(Sasa/CR-2)的结实率"
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