利用CRISPR/Cas9技术编辑BADH2-1/BADH2-2创制香米味道玉米新种质

【目的】香味是作物的重要食味品质之一。2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline,2-AP）是主要香味物。BADH2是控制水稻等作物香味性状的关键基因,敲除该基因可以产生香味稻米。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在北京市农林科学院自育的玉米骨干亲本京724上敲除BADH2同源基因,以期获得有香米味道的玉米新种质材料。【方法】利用Ensembl数据库在线BLAST工具,将水稻OsBADH2蛋白序列在拟南芥、水稻和玉米蛋白序列数据库中进行序列比对,获得上述3个物种的BADH基因家族成员,并利用UniProt蛋白数据库中的结构域信息进行验证。进一步使用MEGA软件进行系统进化分析,获得玉米BADH2同源基因作为候选编辑靶标。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的原理,在候选基因的外显子处设计特异性靶点,并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体。再以玉米自交系京724为受体,利用农杆菌介导的遗传转化方法,通过磷酸甘露糖异构酶基因（phosphomannose isomerase,PMI）抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在靶基因中产生的突变类型。利用气相色谱质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）检测基因编辑株系T₁籽粒中香米主要香味物质2-AP的含量,以确认京724在基因编辑前后2-AP含量的变化。【结果】系统进化分析发现,玉米中存在2个BADH2同源基因,分别命名为ZmBADH2-1和ZmBADH2-2。ZmBADH2-1位于第4染色体,ZmBADH2-2位于第1染色体。2个基因均包含15个外显子和14个内含子,第4外显子间的核苷酸序列高度同源。在2个基因的第4外显子区域设计靶点并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体,通过遗传转化获得28株转基因株系。PCR扩增及测序分析结果显示,其中10株材料的2个ZmBADH2s在靶点区域均发生突变,突变基因型包括双等位突变和多等位突变,突变类型为不同数量的碱基缺失和插入。质谱检测结果显示玉米ZmBADH2双基因突变体籽粒中存在与香稻同样成分的2-AP。随机选取的4个T₁代基因编辑株系籽粒中,2-AP平均含量分别为438.29、404.63、348.65和161.82 μg·kg^-1,而未经过编辑的京724中未检测到2-AP。【结论】利用CRISPR/Cas9技术对玉米ZmBADH2-1和ZmBADH2-2同时进行定点敲除,创制出籽粒中具有香米味道的玉米骨干亲本新种质材料。     

甜玉米不同采收期籽粒品质性状研究

为研究不同采收期甜玉米品质性状的变化,以7个国内生产主推甜玉米品种为研究材料,设置授粉后15、18、21、24、27、30天共计6个采收期,动态监测甜玉米籽粒含水率、果皮厚度和糖组分等指标。结果表明：（1）参试甜玉米品种的籽粒含水率在授粉后15~30天呈下降趋势,其籽粒含水率变幅为80.09%~68.76%。不同甜玉米品种间籽粒含水率的平均下降速率各异。‘京科甜608’、‘京科甜533’和‘中农大甜413’籽粒含水率下降速率相对缓慢。（2）参试甜玉米品种果皮厚度随授粉后天数增加呈先升高后降低的单峰变化趋势,峰值出现在授粉后21天左右。不同品种间籽粒平均果皮厚度以‘京科甜608’和‘米哥’最低,为78.40 μm;‘中农大甜413’最高,为91.63 μm。（3）参试甜玉米品种籽粒中葡萄糖和果糖含量在授粉后15~30天呈降低趋势,‘京科甜533’、‘京科甜183’、‘京科甜608’葡萄糖和果糖含量在授粉后15~24天相对较高。蔗糖和山梨醇含量随授粉后天数增加呈先升高后降低趋势,在授粉后21~30天,蔗糖含量以‘京科甜158’和‘米哥’含量相对较高。籽粒发育初期（授粉后21天之前）,籽粒中以果糖和葡萄糖为主,之后蔗糖逐渐增加。不同品种间,‘京科甜533’、‘京科甜183’、‘中农大甜413’和‘京科甜608’籽粒中总糖含量均高于‘米哥’,其籽粒中糖组分主要以果糖和葡萄糖等还原性糖为主,而蔗糖含量相对较低。     

玉米骨干自交系京2416杂种优势及遗传重组解析

【目的】 玉米骨干自交系京2416是以（京24×5237）×京24构建基础选系群体,利用高大严及同群优系聚合等选系技术选育的优良黄改群自交系。以其为父本育成的审定品种已有20多个,其中代表性品种京农科728,突破了黄淮海夏玉米籽粒机收技术瓶颈,成为中国首批通过国家审定的机收籽粒品种。通过分析京2416与X群种质的杂种优势,及其形成过程中的重组事件和黄早四基因组片段传递规律,解析京2416形成的遗传机制,以期为黄改系的进一步遗传改良提供参考。【方法】 选用黄早四、京2416及其2个选系亲本（京24和5237）为材料,与5份X群代表性自交系根据NCII遗传设计组配杂交组合,利用F₁产量相关性状单穗粒重的中亲优势、超高亲优势值和配合力效应值评估4份黄改系的杂种优势。对4份黄改系及5份X群自交系进行测序深度约为18×的全基因组重测序,用BWA、GATK等软件进行序列比对和变异检测,基于获得的SNP和InDel标记信息,利用GCTA和Treebest软件进行主成分分析和系统发生树构建,同源传递片段（identity-by-descent,IBD）使用IBDseq软件识别。【结果】 通过比较分析黄早四、京2416、京24、5237与5份X群代表系所配杂交组合的F₁产量相关性状发现,与其他3份材料（黄改系京24、5237和黄早四）相比,京2416具有更高的超高亲优势和一般配合力。基于全基因组重测序数据,分析重现了京2416形成过程中的重组事件,明确京2416的基因组组成,选系亲本京24和5237在京2416基因组中保留的比例分别为80.96%和19.04%。利用基因组测序数据解析从黄早四到京2416的IBD片段,结果表明,京2416从京24和5237 2个选系亲本中聚合了全部的9个重要黄改系特征性选择区域。【结论】 骨干自交系京2416在遗传改良过程中,通过染色体重组聚合选系亲本京24和5237所有的9个重要黄改系特征性选择区域,从分子水平解释了京2416与X群代表系表现出更高配合力的遗传基础。     

我国玉米品种标准DNA指纹库构建研究及应用进展

介绍了我国玉米品种标准DNA指纹库构建的进展及应用情况。我国玉米品种标准DNA指纹库规模已达到22 089份,经与国内外作物品种DNA指纹库比较,是全球品种数量和建库规模最大的DNA指纹库,并且在区域试验、品种权保护及种子质量管理等方面都得到了广泛应用。至今已开展玉米品种真实性鉴定等达40 000多份次。同时,对DNA指纹库构建未来发展进行预测,建议继续发挥SSR标记的作用、加快推进SNP标记的研发、发掘In Del标记的应用潜力并持续关注测序技术的发展。     

玉米茎秆抗倒伏遗传的研究进展

茎秆倒伏严重影响玉米产量、品质和机械化收获,是当前玉米生产和育种亟待解决的主要问题之一。加强对玉米茎秆抗倒伏性的研究,对提高品种抗倒伏能力具有重要意义。本文综述了玉米茎秆倒伏的主要影响因素及其遗传特征。茎秆倒伏与茎秆自身的强度密切相关。茎秆强度越高,抗倒伏性越强。茎秆强度受茎秆所处的发育阶段、茎秆内部结构和外部形态,及其细胞壁成分等影响。处于分生组织的茎秆细胞分裂旺盛,较易折断,而进入生殖生长后,茎秆表皮、厚壁组织增厚,维管束发育成熟,对茎秆的支撑作用增强。茎秆细胞壁的主要成分——纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖、无机物等均可提升茎秆强度。目前,研究者借助高通量表型平台,利用玉米连锁群体和自交系群体,采用各种定位方法,鉴定到一系列影响茎秆形态、强度、细胞壁成分的相关QTL和候选基因。研究表明,基于单倍型的QTL定位方法比基于单个SNP的定位效果好。一致性QTL分析将不同遗传群体的研究整合到一起,能够提高QTL结果的通用性。茎秆强度的遗传基础复杂,受微效多基因控制,位点间具有加性效应。茎秆成分QTL中的候选基因涉及细胞壁代谢、转录因子、蛋白激酶等。MAIZEWALL是玉米细胞壁相关基因的重要数据库。目前该数据库包含1 156个玉米细胞壁生物学相关的候选基因,为该领域的深入研究提供强大的资源。已鉴定到一系列影响玉米茎秆细胞壁成分、茎秆形态和强度的基因,其功能涉及纤维素合成路径,如纤维素合成酶类、Cobra类、糖基转移酶和核糖转运蛋白类;苯丙烷路径基因,如控制bm1—bm5的相关基因;植物激素类,如赤霉素、生长素、油菜素甾醇相关基因;转录因子如NAC、MYB;miRNA（ZmmiR528）以及F-box基因（stiff1）等。今后应积极探索不同发育时期玉米茎秆倒伏的力学机制;广泛发展自然群体或育种群体进行遗传分析;采取多种定位策略,提高抗倒伏相关基因鉴定的功效;针对优良等位基因,开发各类分子标记,加强抗倒伏分子标记辅助选择。本文将为玉米茎秆抗倒伏遗传机制解析及抗倒伏玉米品种的分子育种提供参考。     

玉米品种DNA指纹数据库构建的标准化规范

为了保证玉米品种DNA指纹库构建的标准化,从建库标记、检测平台、试剂、样品、评估程序、数据整合、模式库、扩展库、随机盲测等九个方面进行了全面的规范:(1)通过对不同分子标记的比较,确定SSR标记作为建库标记;(2)通过对不同DNA指纹检测方法的比较,确定毛细管电泳结合多色荧光检测方法作为DNA指纹片段分析方法;(3)规范了DNA、引物、Taq酶等试剂质量,以保证数据的稳定性和可重复性;(4)规范了样品来源、样品类型及分析样品数量;(5)确定评估品种的数量及引物的取舍标准;(6)为解决不同来源DNA指纹数据的有效整合问题,提出了固定一套核心引物、提供标准品种、提供标准DNA、确定引物等位基因BIN、规定对异常带型数据处理方式、规定数据的编码方式等6个解决策略;(7)规范了构建模式库的材料名单、来源及构建方式;(8)规范了构建扩展库的材料来源及构建方式;(9)进行数据库数据随机盲测,以评估入库数据质量.以上规范将为不同单位合作开展大规模的DNA指纹库构建研究奠定基础.     

高产优质玉米新品种京科25的选育及其配套栽培技术

京科25号(试验代号京早27号)是由北京市农林科学院玉米研究中心选育的高产优质玉米新品种,2003年通过北京市农作物品种审定委员会审定(京审玉2003001);2004年通过国家品种审定委员会审定(审定编号为:国审玉2004014)并命名推广.该品种产量高、抗病性强、果穗均匀、抗逆性强、稳产、优质、早熟.适宜北京、天津和河北中北部等夏播类似生态区种植,也可在东北部分地区、京津地区作春播.     

毛细管电泳荧光检测中的异常电泳类型及原因分析

采用毛细管电泳荧光检测技术进行玉米SSR标记的片段分析.利用峰型、峰面积和其它荧光干扰峰等方面的特征对特异峰和非特异峰进行甄别.分析了特异峰的具体表现类型及原因:包括N 1峰、稀有峰、连续多峰、三峰和高低峰等.探讨了片段扩增产物大小与异常峰型的关系.为保证玉米品种DNA指纹库构建的标准化,提出了数据统计规范化的解决方案.     

利用SSR标记进行玉米品种一致性检测研究

为了评估SSR标记在玉米品种一致性鉴定中的应用价值及确定基于SSR标记的玉米一致性鉴定标准,利用13个SSR标记对213份来自2004年国家区域试验的玉米单交种(包括16份重复材料)进行了一致性分析,每个品种取20个个体,除在染色体6和8上各选取了2个和3个标记外,其他染色体上均各选取1个SSR标记.结果显示:一致性检测中异型带的类型有7种,每种出现的概率不同;不同品种在不同引物位点的一致性分布情况差别较大.比较位于同一染色体的引物一致性检测结果,发现在相同染色体上位置较近的不同引物一致性检测结果具有较高的相关性,因此提出在选用一致性检测的引物时应遵循均匀分布的原则,减少引物间的相关性.通过剔除自交个体对品种一致性比率进行校正(仅有7个品种),校正值可反映品种真实的遗传一致性和稳定性.综合考虑品种在单个引物位点的一致性和在所有位点的平均一致性,提出了划分玉米品种一致性级别的标准.     

玉米快速育种方法

选择育种方法对于提高育种效率非常重要.翔实系统地介绍了目前美国使用的玉米快速育种方法和PEPPER育种法,及美国玉米自交系特别是母本自交系的育种目标.