利用基因编辑技术对水稻品质和育性相关性状的遗传改良研究

发布时间：2020-04-06 23:24

【摘要】：水稻是重要的粮食作物,世界上有半数人口以大米为主食,随着我国人口的不断增加,生活水平的不断提高,对稻米品质多样化要求更高,给广大育种工作者带来了巨大的挑战。传统育种周期长、过程繁琐,而基因编辑技术为水稻重要农艺性状,特别是品质性状的快速改良提供了可能,可用于水稻品种间的改良育种。在本实验中我们以控制水稻粒长基因(GS3)、香味基因(BADH2)、温敏雄性不育基因(TGMS5)和影响水稻籽粒γ-氨基丁酸基因(OsGABA-1)作为研究对象;以本实验室现育成的籼、粳稻亲本为转化受体,运用CRISPR/Cas9基因编辑技术分别对上述4个基因进行敲除,以期人工定向的改造育种材料,缩短育种进程。主要研究结果如下:(1)GS3与BADH2基因编辑GS3基因是控制水稻粒长的主效基因,对粒长具有负调控的作用。BADH2基因是调控水稻稻米香味基因。通过构建CRISPR/Cas9双敲载体转化籼型杂交稻恢复系蜀恢573、保持系广8B和粳稻材料粳稻保持系辽39B、常规稻川农粳1号的愈伤组织,获得不同背景下转基因阳性植株。在T2代对GS3与BADH2共敲除的阳性植株进行表型鉴定分析,获得了具有香味的籼稻恢复系蜀恢573和保持系广8B,且农艺性状与野生型无显著差异。粳稻保持系辽39B和常规粳稻川农粳1号的阳性突变体植株与野生型比较,粒长变的更短、有香味,其他农艺性状没有发生明显变化。(2)富含γ-氨基丁酸功能稻的创建OsGABA-1是编码水稻体内γ-氨基丁酸转氨酶的基因,它负调控水稻中γ-氨基丁酸(GABA)的含量。通过CRISPR/Cas9基因编辑,对水稻的两个粳稻品种川农粳1号和川农香粳的OsGABA-1基因进行敲除。获得不同敲除背景下纯合的阳性植株。突变体表型分析发现垩白度比野生型显著增加。对突变体成熟种子中各种氨基酸以及γ-氨基丁酸含量的测定发现,突变体中γ-氨基丁酸含量显著增加,而其他农艺性状并没有发生显著变化,可用于预防高血压功能稻的开发。(3)温敏不育材料的创制水稻两系不育系具有育性受核基因控制,不受恢保关系限制且配组相对自由、种子繁育程序较为简单、成本低等优点。本实验中对两个农艺性状优良的粳稻品种川农香粳和辽宁引粳进行温敏不育基因TGMS5的编辑,获得纯合阳性突变体植株。在T2代转基因株系通过分期播种种植在海南,使其遭遇不同的高、低温环境。发现在低温环境下表现可育,能够正常结实,在高温环境下突变体表现为雄性部分不育。这说明通过TGMS5功能突变可人工创建温敏不育系。充分扩大水稻两系不育的种质资源,更好地应用于两系育种研究中。
【图文】：

同源序列,途径,生物细胞,缺失

TALENs）[7]、成簇的规O摷涓舻亩袒匚闹馗葱蛄校–RISPR/Cas9）[8]，发展到如今，RISPR/Cas9 基因编辑作为一门基本的操作技术被广泛应用于各生物领域。这些基因编辑技术的作用原理相同，都能对各模式生物体内基因组的特定部位进精准切割 DNA 双链，导致目标 DNA 的互补双链断裂（DSBs），生物细胞内的互补NA 双链断裂能够提高染色体自由重组的概率。DSBs 在真核生物细胞中的修复机制度保守，主要包括同源重组（HDR）修复途径和非同源末端连接（NHEJ）修复途径（图 1）。细胞存在同源序列供体时，以 HDR 的方式修复能够在生物体细胞内产生准的定点缺失，而没有同源序列供体时，生物细胞内会通过 NHEJ 途径修复，其中于 NEHJ 途径不像 HDR 那样精确，在目标 DNA 断裂的位置常常会产生少量核酸碱的插入或者缺失，从而导致基因突变。而我们常获得的阳性植株中插入或缺失，一就是通过 NEHJ 途径所产生的。

示意图,序列,编辑技术,示意图

图 2. ZFNs 切割目的 DNA序列示意图Fig.2 The sketch map for ZFNsFNs 基因编辑技术广泛应用于果蝇、拟南芥、人类干细胞、烟草和玉米等生物点基因编辑，该编辑技术具有广泛的发展潜力。如在作物遗传改良方面，ZF今仅在玉米性状改良上有一例报道，即在 2009 年《Science》报道，，SHUKL对玉米中的 IPK1 基因进行 ZFNs 编辑，从而获得了 IPK1 玉米突变体具有积累
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511

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