水稻抗咪唑啉酮类除草剂基因ALS功能标记的开发与应用

选育和利用抗除草剂水稻品种具有重要的生产实践意义。通过筛选水稻资源, 发现了抗除草剂材料金粳818, 其ALS基因编码区第1880位碱基存在一个由G到A的碱基变异, 导致丝氨酸突变为天冬酰胺, 从而具有除草剂抗性。本研究基于该位点的碱基变异, 设计了11条等位基因特异PCR (allelic-specific PCR, AS-PCR)引物, 经过优化筛选, 获得两个引物组合F1N (S1/S9)和F1M (S1/S10), 将该标记命名为AS-ALS。利用F₂群体及其亲本和杂交种, 结合AS-ALS标记检测和除草剂抗性分析, 结果表明感除草剂ALS-G等位基因型只能被F1N引物对有效扩增, 抗除草剂ALS-A等位基因型只能被F1M引物对有效扩增, 而杂合基因型能同时被两对引物F1N和F1M扩增, ALS-A纯合或杂合等位基因型都表现抗除草剂, ALS-G纯合基因型表现感除草剂。因此本研究开发的标记能有效区分除草剂抗性基因的3种基因型, 基因型与表型完全对应。该标记用于回交育种, 可以选择ALS-A杂合基因型单株, 剔除ALS-G纯合等位基因型, 在自交的F₂保留ALS-A纯合基因型单株, 连续自交, 能快速获得除草剂抗性稳定的水稻材料。该除草剂抗性基因的功能标记还可用于咪唑啉酮类除草剂抗性资源筛选。     

江苏省农科院在抗除草剂水稻研究中取得新进展

正咪唑啉酮除草剂的靶标基因已经明确,这为利用基因精准育种创制抗除草剂水稻新种质奠定了基础。近期,江苏省农业科学院常规水稻育种团队在《The Crop Journal》在线发表的研究论文。利用基于CRISPR/Cas9的基因定向突变技术对OsALS基因进行定点突变,获得了一种新的抗除草剂等位基因,并开发了该等位基因的功能标记。     

河南粳稻抗稻瘟病基因Pi9、Pita和Piz-t的分子检测

为明确Pi9、Pita和Piz-t 3个抗稻瘟病主效基因在河南水稻新品系的分布状况。本研究对2015年河南省沿黄粳稻品种筛选试验的21份水稻新品系进行Pi9、Pita和Piz-t 3个抗稻瘟病基因的分子鉴定。结果表明,21个检测品系中有9个含有Pi9抗性等位基因,5个含有Pita抗性等位基因,11个含有Piz-t抗性等位基因;只有一个品系汴粳3号携带3个基因的抗性等位基因,菡科18、新丰1768、豫农粳13号、圣稻070、信粳1787、郑稻23和光灿8号7个材料携带两个基因的抗性等位基因。Pi9和Piz-t基因在河南水稻稻瘟病育种中利用较为广泛,Pita利用较少,今后河南水稻育种应加强广谱稻瘟病抗性基因的聚合育种和综合利用。     

水稻稻瘟病抗性基因Pi2-InDel标记的开发与评价

通过对水稻抗稻瘟病基因Pi2/9位点上已克隆的功能基因及非功能位点序列的相互对比,鉴定到Pi2特异的核苷酸差异,开发了基于PCR技术的Pi2基因的插入/缺失(insert-deletion,InDel)标记,能有效地将Pi2与其它抗性等位基因及感病等位基因区分开。利用Pi2基因的分离群体进行标记选择与接种鉴定,结果表明Pi2-InDel标记能精确地选择Pi2基因。用Pi2-InDel标记对20份水稻品种和育种亲本进行分子检测,该标记能准确地将抗性基因分离开来。这为筛选水稻稻瘟病抗性种质资源,以及抗性标记辅助抗病育种提供了便利。     

油菜抗咪唑啉酮类除草剂基因标记的开发与应用

草害已成为严重制约我国油菜生产的重要因素。种植抗除草剂品种和采用化学除草是防控草害的经济有效途径。为了开展分子标记辅助选择(marker-assisted selection,MAS)育种,加速抗除草剂品种培育,本研究针对已发现的抗咪唑啉酮类除草剂油菜M9中BnALS1R基因编码区第1913位点的SNP变异,开发高通量、低成本的竞争性等位基因特异PCR (kompetitive allele specific PCR, KASP)标记。采用筛选出的KBA1R19681913B标记在2个F_2群体中进行KASP反应。结果表明,该标记能有效检测群体中存在的BnALS1R 3种基因型,其分离比均为1︰2︰1,遵循单基因遗传规律,且基因型与表型完全吻合。将该标记用于BnALS1R抗性纯合基因的回交转育,获得200多个抗咪唑啉酮油菜恢复系。该标记还可在油菜苗期鉴定抗性杂交种的纯度。KASP标记KBA1R19681913B的获得为油菜抗除草剂MAS育种以及抗性新种质的培育提供了技术支撑。     

利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得水稻osarf8-1杂合突变体

为了研究生长素是如何参与调控植物的生长发育过程,我们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,设计水稻生长素响应因子OsARF8的两个靶点,对水稻中的该基因进行敲除。构建基因编辑载体pBIN-sg R-Cas-Os,通过农杆菌介导转化水稻品种‘9522’。我们从潮霉素抗性筛选出的28株转基因植株中鉴定得到针对OsARF8的一种杂合突变类型,共计6棵在外显子第174号碱基处缺失一个C碱基的杂合突变类型osarf8-1,该处碱基突变所对应的是第7个氨基酸的变化,导致亮氨酸(Leu)变成色氨酸(Trp),自此处开始随后的氨基酸序列发生移码突变,并且提前终止于第123个氨基酸,正好位于Os ARF蛋白的DBD功能域的最始端(DBD为120~222个氨基酸),说明DBD功能域在该突变体中完全不能表达,ARF8蛋白的功能将受到极大的影响。本研究成功利用CRISPR-Cas9基因编辑技术精确地敲除了水稻OsARF8基因,为CRISPR技术在水稻中的应用提供了一个可供参考的范例,同时也为进一步研究OsARF8基因功能提供了重要的参考依据。     

科技

正科学家研发出水稻靶标基因单碱基定向替换技术近日,中国农业科学院植物保护研究所成功地在水稻中开发出靶标基因单碱基定向替换技术。该技术与传统CRISPR技术实现的基因敲除技术不同,可成功创制水稻靶标基因的功能获得性突变体,因此对植物功能基因组学和现代分子育种研究具有重大推进作用。相关研究成果日前在线发表在《中国科学·生命科学》。     

自身基因优化育种为植物分子育种提供新思路

生物育种技术是确保中国人将饭碗牢牢端在自己手里的重要手段。四川天豫兴禾生物科技有限公司经8年研究,建立了“基因超进化”筛选系统,获得一批高抗除草剂的作物内源突变基因;运用分子育种技术与常规育种方法深入结合,创建了“自身基因优化育种”技术,成功培育出一批高抗除草剂的水稻新品系,为作物获得创新性状提供了新思路,创制出一条新的基因型设计育种方法。该技术研发成果拥有自主知识产权,已获国内外授权专利12项。商业化应用“自优育种”技术,不仅能助力解决种业“卡脖子”难题,还可以推动我国生物育种技术快速发展,促进农业生物育种能力稳步提升。     

水稻抗稻瘟病基因Pi1荧光分子标记的开发及验证

稻瘟病是导致粮食减产的重要病害之一。开发抗稻瘟病基因Pi1的分子标记并用于抗病分子育种是防治稻瘟病危害的有效途径。本研究根据Pi1与Piks、Pikh、Pikm、Pikp、Pik、Pi7基因序列之间的SNP开发了荧光分子标记MM-Pi1,并利用其对94份水稻亲本材料进行检测,结果发现‘安丰B’与‘96B’中含有Pi1基因,52份水稻亲本含有与Pi1间具1个碱基差异的等位基因,40份水稻亲本中该等位基因缺失。对其中的10份水稻亲本材料的等位基因进行测序分析,进一步验证了分子标记检测结果的准确性。稻瘟病抗性鉴定试验结果表明,包含Pi1基因的‘安丰B’与‘96B’均对稻瘟病有高抗性。因此,Pi1荧光分子标记为水稻抗稻瘟病分子育种提供了新的基因分型方法。     

创建苗期和成株期广谱高抗白叶枯病的水稻种质资源(英文)

由白叶枯病菌引起的白叶枯病是一种世界范围的严重水稻病害。水稻抗病主效基因Xa3/Xa26是一个对白叶枯病具有剂量效应的抗性基因,即它对白叶枯病的抗性随着该基因的表达量的升高而增强。我们通过农杆菌介导的遗传转化方法,利用玉米泛素基因的启动子(PUbi)在水稻中组成型表达Xa3/Xa26基因。用于遗传转化的构件除了携带Xa3/Xa26基因外,还携带抗除草剂的草丁膦乙酰转移酶基因Bar作为遗传转化的筛选标记。我们获得的携带单拷贝PUbi:Xa3/Xa26的两个转基因家系无论在成株期还是在苗期对白叶枯病都具有高水平的广谱抗性,且转基因家系的主要农艺性状与对照相比无显著差别。因为转基因家系中Xa3/Xa26基因与Bar基因紧密连锁,这两个家系可以作为育种的种质资源用于培育既抗白叶枯病又抗除草剂的水稻品种。     

油菜抗咪唑啉酮类除草剂基因BnALS1R等位基因特异PCR标记的开发与应用

油菜抗咪唑啉酮类除草剂基因BnALS1R是从抗性突变体M9中克隆获得,抗性基因BnALS1R与野生型基因BnALS1存在1处SNP,即乙酰乳酸合酶第638位丝氨酸残基被天冬酰胺酸替代。为获得油菜抗除草剂基因BnALS1R的分子标记,根据该处点突变,结合获得的BnALS3与BnALS1序列,开发30条等位基因特异PCR (allele-specific PCR,AS-PCR)引物,采用筛选出的3条AS-PCR引物在F₂、BC₁和BC₂群体中进行PCR扩增。结果表明,该标记有效检测出群体中存在的3种基因型,其分离比分别为1∶2∶1、1∶1、1∶1,均遵循单基因遗传规律。应用该标记对获得的抗性恢复系进行PCR扩增,结果发现所有抗性恢复系均能扩增出抗性基因BnALS1R目的条带,表明3条标记引物可应用于抗性基因的检测。AS-PCR标记的获得将促进以抗性基因进行油菜抗除草剂分子标记辅助选择育种。     

利用基因拆分技术培育耐草甘膦转基因水稻的研究

耐除草剂转基因水稻基因飘流可能产生的环境安全问题是人们关注的焦点之一,并已成为耐除草剂转基因水稻能否在我国生产上发挥效益的限制因素。基因拆分技术能够有效地控制转基因目标性状飘流,为培育耐除草剂转基因水稻提供新的途径和思路。本研究将耐除草剂基因G2-aroA拆分成N端(EPSPSn,1～295aa)和C端(EPSPSc,296～435aa),分别与SspDnaE蛋白内含肽的N端(Intein-N)和C端(Intein-C)连接形成融合基因EPSPSn-In与Ic-EPSPSc,并分别通过农杆菌介导法转入受体材料中花11。Southern杂交证明转基因水稻En-12和Ec-22中外源基因为单拷贝插入。侧翼序列分析证明转基因水稻En-12和Ec-22中外源基因分别插入第2和第6染色体。利用四引物法筛选出转基因水稻En-12和Ec-22的纯合系,并通过有性杂交获得同时含有EPSPSn-In与Ic-EPSPSc的转基因水稻En×Ec。草甘膦抗性分析发现,单独含有1个基因片段的转基因水稻En-12和Ec-22不具有耐受草甘膦特性,而同时含有2个基因片段的转基因水稻En×Ec具有耐受草甘膦的特性,说明拆分后的2个蛋白片段在intein的介导下重新组装成完整有功能蛋白,并赋予转基因水稻耐受草甘膦的特性。转基因水稻En×Ec与含有完整G2-aroA转基因水稻G2-6相比,其耐受草甘膦的能力有所下降,但能够满足生产需求。本研究结果为利用基因拆分技术培育转基因耐草甘膦水稻提供了科学依据,同时也为利用基因工程手段培育转基因杂交稻提供了新的技术平台。     

水稻抗稻瘟病基因Piz-t特异性分子标记开发及应用

Piz-t是一个具有广谱稻瘟病抗性的基因,对于选育稻瘟病抗性品种具有重要的应用价值,但其所在位点多个不同的等位基因限制了对它的筛选及利用。本研究通过将Piz-t不同等位基因及其上下游测序,比对鉴定到一个Piz-t特异性SNP位点(Piz-t为A,其余均为G)。在两对交叉引物PCR(PCR with confronting two-pair primers,PCR-CTPP)方法的基础上加以改进开发了一套鉴定该SNP的标记,利用该标记及待检测水稻品种基因组DNA进行PCR扩增,通过不同PCR产物条带大小将Piz-t与其它等位基因区分开。该方法简便快速、成本低廉,可广泛应用于分子标记辅助选择育种或者水稻种质资源Piz-t基因型鉴定。     

基于HRM体系开发抗稻瘟病基因Pi2特异性分子标记

Pi2是一个具有广谱抗性的稻瘟病抗性基因,利用分子标记辅助选择技术选育含有Pi2抗性基因的水稻品种已得到越来越广泛的应用。本研究根据稻瘟病抗性基因Pi2及其复等位基因的序列,利用HRM技术开发与Pi2完全共分离的分子标记,并结合水稻DNA快速提取方法,建立中高通量辅助选择体系。该方法体系准确高效、简便快速、成本低廉,能够大大提高抗病育种选育的效率,为分子标记辅助选择育种或者水稻种质资源Pi2基因型鉴定提供技术选择。     

除草剂抗性农作物育种研究进展

概述了我国农作物田间杂草的主要类型、除草剂主要类型及其作用机制以及农作物除草剂抗性主要机制,综述了作物除草剂抗性育种的研究进展,比较了传统育种和转基因育种方式培育除草剂抗性作物的优缺点,总结了转基因育种存在的安全性问题。同时介绍了转基因培育除草剂抗性作物中常用的抗性基因以及基因转入受体的方式,展望了CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPRassociated protein 9)等基因编辑技术在农作物除草剂抗性育种研究中的应用与发展前景。     

转bar基因水稻的研究与应用

近年来随着杂交育种技术的应用,水稻的产量不断提高,品质也得到改善,但田间杂草与水稻争夺阳光、水分及养料仍是造成水稻产量下降的主要因素。利用基因枪法、农杆菌介导法和花粉管通道法将具有除草剂抗性的bar基因转入水稻品种中,可有效解决田间杂草和水稻竞争的问题,因为这种基因编码的酶可将除草剂分解掉,却不伤害水稻。尽管bar基因的导入使转基因后代存在着遗传不稳定或基因沉默等问题,但其生理表现、农艺性状和营养品质方面与起始品种比较基本没有差别,因此培育具有bar基因抗性的水稻品种是解决田间杂草问题,提高水稻产量的有效方法。     

利用CRISPR/Cas9技术获得水稻恢复系Bsr-d1基因突变体

为研究水稻抗稻瘟病基因Bsr-d1在杂交水稻恢复系中的功能,我们利用CRISPR/Cas9定点基因编辑方法,设计2个敲除靶标位点,构建了Bsr-d1基因编辑载体,并通过农杆菌介导的方法转化水稻恢复系品种‘GH998’,成功获得了转基因植株,并在T1代筛选到4个无转基因成分的纯合突变株系。纯合突变株系有4种突变类型,包括第199号碱基处缺失17个碱基、第212号碱基处缺失4个碱基、第216号碱基处插入1个碱基、第216号碱基处插入2个碱基突变类型。通过蛋白序列分析,发现纯合突变株系都存在移码现象导致氨基酸变化并提前终止翻译。本研究成功利用CRISPR/Cas9基因编辑方法敲除水稻恢复系‘GH998’中Bsr-d1基因,获得无转基因成分的纯合突变株系,为进一步研究Bsr-d1基因在杂交水稻上的功能提供了理论依据和品种资源。     

水稻抗稻瘟病基因Pita特异性分子标记开发及应用

Pita是一个对稻瘟病生理小种具有广谱抗性的基因,通过对Pita抗病等位基因与感病等位基因编码区进行PCR扩增、测序与序列比对,在编码区的+2 001 bp即内含子中鉴定到一处特异性编码序列(抗、感病等位基因分别为GCC和CTAT),针对该目标位点,本研究利用两对交叉引物PCR(PCR with confronting two-pair primers,PCR-CTPP)方法开发出一套鉴定该目标位点的共显性标记用于鉴定Pita等位基因类型,结果表明该标记特异性强、稳定、结果准确、耗时少、成本低廉,可广泛应用于分子标记辅助选择育种或水稻资源中对Pita基因型鉴定、筛选的应用。     

应用CRISPR/Cas9系统编辑水稻SBE3基因获得高抗性淀粉水稻新品系

SBE3是位于水稻第2号染色体上的水稻淀粉分支酶基因,该基因表达量的降低引起水稻抗性淀粉(resistant starch,RS)含量的提高。本研究应用CRISPR/Cas9系统对SBE3基因进行编辑,根据基因编码区序列(CDS)在第8外显子区域设计长度为20 bp的引导序列,化学合成引导序列并构建成sgRNA,将其插入到Cas9质粒骨架载体中,转化农杆菌。通过农杆菌介导的遗传转化方法将构建好的p CAMBIA1300:SBE3sgRNA:Cas9表达载体转入水稻受体材料沪LPR18中。使用PCR扩增转基因阳性植株中含有CRISPR/Cas9靶点的片段并测序验证,确定12个突变单株,其中2个是纯合型,通过后代分离,得到没有潮霉素基因筛选标记的SBE3纯合突变单株,测定其抗性淀粉含量高达10%以上。以上结果表明,本研究已经通过CRIPR/Cas9技术获得稳定的高抗性淀粉水稻纯合突变体材料,为高抗性淀粉育种提供了新的种质资源和创建方法。     

水稻膜联蛋白基因OsAnn8干旱和低温条件下表达模式以及CRISPR/Cas9定点编辑

为了阐明水稻膜联蛋白基因家族成员OsAnn8在干旱和低温胁迫条件下的功能作用机制,通过荧光定量PCR技术对不同干旱和低温处理下的水稻叶片中OsAnn8基因进行转录水平上的定量分析,结果表明,OsAnn8基因在干旱胁迫处理前后表达量呈现出高-低-高的变化趋势,而在冷胁迫处理前后表达量则呈现出低-高-低-低的变化。随后,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对OsAnn8基因进行定点编辑,并借助农杆菌介导将OsAnn8基因靶位点的CRISPR/Cas9基因编辑植物表达载体导入转基因受体品种TP309,经潮霉素筛选后共获得32株转基因阳性植株,靶位点扩增测序峰图分析表明其中的2个单株出现了重叠峰,进一步的T载体克隆分别测序表明,这2个单株为单等位基因敲除,说明本研究已经成功获得了OsAnn8基因靶位点敲除的单等位突变体,不同类型的水稻OsAnn8基因突变体的创建,为水稻膜联蛋白基因家族成员OsAnn8在非生物胁迫条件下的功能研究奠定了材料基础。