导入反义蜡质基因改良水稻稻米的食味品质和营养品质

经PCR、Southern blot和稻米GUS检测,蜡质基因反义片段与gus构成的融合基因已整合到8株水稻基因组中,并能正确表达。通过稻米GUS染色追踪分析获得转反义蜡质基因纯合后代。将转基因植株的稻米送农业部稻米及制品质量监督检验测试中心进行糙米蛋白质含量和直链淀粉含量测定。结果显示：（1）在转反义蜡质基因纯合的超2-10粳稻后代中,大多数单株糙米在直链淀粉含量降低的同时,蛋白质含量有不同程度提高,糙米蛋白质含量和直链淀粉含量呈显著负相关关系;（2）对照糙米直链淀粉平均含量和糙米蛋白质平均含量分别为13.4%和9.5%。在转基因植株中,稻米直链淀粉含量最低的为11.4%,而蛋白质含量也相对最高,为13.5%。本试验结果表明在水稻中导入反义蜡质基因不仅能够降低水稻稻米的直链淀粉含量,还有可能提高水稻稻米的蛋白质含量。     

含不同Anti-Waxy基因拷贝数的稻米直链淀粉含量分析

将含单拷贝Anti-Waxy基因的纯合植株分别作为父本或母本进行正反交,获得两组含双拷贝Anti-Waxy基因的杂交后代,分析了未转基因对照、转基因亲本及两组杂交后代糙米直链淀粉含量以揭示不同Anti-Waxy基因拷贝数对降低稻米直链淀粉含量程度的影响.结果显示,2个单拷贝转基因水稻糙米直链淀粉平均含量分别为10.72%和11.13%,比对照分别降低17.98%和14.84%;两组正交和反交杂交后代糙米直链淀粉平均含量分别为8.96%和8.23%,其平均值为8.60%,比2个转基因杂交亲本糙米直链淀粉含量分别降低19.78%和22.73%,比对照降低了34.20%.结果表明,增加转基因水稻基因组中Anti-Waxy基因拷贝数在一定程度上能够进一步降低稻米直链淀粉含量,通过将独立转化获得同品种转基因植株之间杂交可以成为获得高表达转基因植物的途径.     

籼稻转反义蜡质基因后代的直链淀粉含量测定和纯系选育

通过根癌农杆菌介导将反义蜡质基因导入籼型雄性不育保持系龙特甫B中,获得30个PCR检测为阳性的转基因植株,其中,28个为Southern检测阳性.T1种子直链淀粉含量测定结果表明,有21个转基因植株比龙特甫B明显下降,下降幅度为3%-13%,并在部分转基因植株的种子中观察到蜡质状籽粒;对6个转基因植株进行了不同世代的直链淀粉含量测定,在L3和L5的T4代中,选择到直链淀粉含量分别为15.9%和8.4%的纯合株系,经凝胶电泳测定,Wx蛋白量明显降低,并与直链淀粉含量下降表现一致.以L3-1-1-1(15,9%)和L5-8-2-1(8.4%)纯合株系为亲本,分别与龙特甫A进行成对杂交和回交,并测定了F1和B1F1种子直链淀粉含量,以L3-1-1-1作亲本的F1为21.4%,B1F1为17.1%;以L5-8-2-1作亲本的F1为13.6%,B1F1为9.3%,结果表明在不育系的转育过程中,以中低直链淀粉含量的转基因纯合株系为亲本,能有效降低F1和B1F1的种子直链淀粉含量.     

籼稻转反义蜡质基因后代的直链淀粉含量测定和纯系选育

通过根癌农杆菌介导将反义蜡质基因导入籼型雄性不育保持系龙特甫B中,获得30个PCR检测为阳性的转基因植株,其中,28个为Southern检测阳性。T1种子直链淀粉含量测定结果表明,有21个转基因植株比龙特甫B明显下降,下降幅度为3％-13％,并在部分转基因植株的种子中观察到蜡质状籽粒;对6个转基因植株进行了不同世代的直链淀粉含量测定,在L3和L5的T4代中,选择到直链淀粉含量分别为15．9％和8．4％的纯合株系,经凝胶电泳测定,WX蛋白量明显降低,并与直链淀粉含量下降表现一致。以L3-1-1-1(15．9％)和L5-8-2-1(8．4％)纯合株系为亲本,分别与龙特甫A进行成对杂交和回交,并测定了F1和B1F1种子直链淀粉含量,以L3-1-1-1作亲本的F1为21．4％,B1F1为17．1％;以L5-8-2-1作亲本的F1为13．6％,B1F1为9．3％,结果表明：在不育系的转育过程中,以中低直链淀粉含量的转基因纯合株系为亲本,能有效降低F1和B1F1的种子直链淀粉含量。     

通过共转化和花药培养快速获得直链淀粉含量降低且无抗性标记的转基因水稻

用根癌农杆菌共转化的方法将p13W8质粒(含反义蜡质基因)和pCAMBIA1300质粒(含潮霉素抗性基因)导入水稻.经PCR检测,发现在29个T1群体中发生抗潮霉素抗性基因和反义蜡质基因的分离;从1 264个T1单株中筛选到183个只带反义蜡质基因片段的转基因植株.选择了4个直链淀粉含量降低的T1单株进行花药培养,获得正常结实的花培苗34株;经PCR检测,有23株为只含反义蜡质基因而无潮霉素抗性基因的植株.从转化到获得直链淀粉含量降低、遗传稳定的转基因植株仅用了一年半时间.     

转反义蜡质基因水稻亲本后代性状分析

以单质粒转化的粳稻广粳一号和双质粒共转化的籼稻01早5202所获得的转反义蜡质基因水稻后代为供试材料, 通过潮霉素抗性、PCR检测等手段分析了外源基因的遗传分离特性, 同时, 还分析了转基因材料的直链淀粉含量、waxy蛋白含量的变化特性。结果表明, 无论是采用标记基因(hpt)与目的基因(Anti-sense waxy)连锁的单质粒转化, 还是采用双质粒共转化, 其供试的后代植株材料都发生了外源基因分离现象, 且转基因植株材料的直链淀粉含量都有所下降, 有些单株的直链淀粉含量已降至10%(质量百分比)以下, 远低于对照(其直链淀粉含量为22.04%); SDS-PAGE检测结果显示, 供试的转基因材料的waxy蛋白的含量与对应的直链淀粉含量呈正相关性。     

应用CRISPR/Cas9技术创制低直链淀粉含量水稻种质

Wx基因直接控制水稻胚乳直链淀粉的合成,进而影响胶稠度等多个品质指标,是控制稻米食味的主效基因。适当降低稻米的直链淀粉含量可改善稻米品质。吉丰B是籼型优质杂交稻保持系,直链淀粉含量偏高,影响组配后代的食味品质。本研究以吉丰B为试验材料,对Wx基因编码区上游序列进行编辑,以期获得Wx基因表达下调,直链淀粉含量降低的水稻种质。以农杆菌为介导进行转基因,获得9个转基因株系,从后代中筛到2个大片段缺失的变异株系L8和L9。它们的Wx基因表达大幅下调,直链淀粉含量极显著降低,胶稠度和食味品质也有所改善。L8和L9糙米外观有很大差异,L8与糯米相近,L9与粘米类似。综上所述,本研究利用CRISPR/Cas9技术编辑Wx基因编码区上游序列,获得两份低直链淀粉含量水稻种质,该结果为稻米品质改良研究提供了参考。     

用于筛选直链淀粉含量为中等的籼稻品种的分子标记

用PCR AccⅠ分子标记检测方法 ,检测了来自不同地区的 6 3个栽培水稻品种 (系 )蜡质基因第 1内含子剪接供体 1位碱基是G或是T。另外 ,还测定了这些水稻成熟种子的直链淀粉含量。结果显示该位置是G碱基的水稻品系成熟种子中直链淀粉含量均高于 2 0 % ,该位置是T的均低于 18%。在杂交育种过程中 ,这一分子标记可用于预测水稻植株种子的直链淀粉含量。对高直链淀粉含量的水稻亲本与中等直链淀粉含量的水稻亲本之间 5个籼型杂交组合F2 群体的分析表明 ,蜡质基因第 1内含子 1位碱基是G或是T与水稻种子中直链淀粉含量的高或低是紧密连锁 ,共同分离的。这些结果表明PCR AccⅠ分子标记检测方法可用于选育中等直链淀粉含量的籼稻新品系     

无选择标记和载体骨干序列的Xa21转基因水稻的获得

利用双右边界T-DNA载体通过根癌农杆菌介导法将水稻白叶枯病广谱抗性基因Xa21导入杂交稻重要恢复系C418中。T0代共获得27个独立转基因株系,通过田间抗性鉴定与PCR分析,有17个株系的Xa21基因分子鉴定为阳性,且对白叶枯病原菌P6生理小种具有抗性。通过对17个株系的后代植株进行田间抗性鉴定,分子标记辅助选择及Southern杂交分析,结果显示4个株系的T1代植株中能分离出无潮霉素标记基因的Xa21转基因植株。无选择标记Xa21转基因株系的获得率为15%。PCR检测还表明,这些无选择标记的Xa21转基因植株不带有载体骨架序列。通过对转基因后代进一步的抗性鉴定与PCR辅助选择,获得了无选择标记和载体骨架序列的转基因Xa21纯合的抗白叶枯病水稻。     

经基因工程改良的抗白叶枯病水稻粳型恢复系“C418—Xa21”及其杂交稻

通过农杆菌介导的转化系统,将业已克隆的水稻抗白叶枯病基因Xa21导入重要的粳型杂交稻恢复系“C418”。PCR和抗性分析表明单拷贝整合的Xa21在T1代的分离比为3：1。在T2代通过PCR和抗性分析选择了Xa21纯合的转基因株系“C418－Xa21”。将选择的转基因纯合系“C418－Xa21”与常用的雄性不育系“屉锦A”杂交,产生了带有转基因Xa21的杂交稻“屉优418－Xa21”（简称转基因杂交稻）。分子分析表明转基因Xa21在杂交稻“屉优418－Xa21”中能稳定遗传,抗性分析表明转基因恢复系“C418－Xa21”和转基因杂交稻“屉优418－Xa21”对白叶枯病具有高度的广谱抗性,并保持了受体对照的优良农艺性状。另外我们还转基因杂交稻“屉优418－Xa21”对白叶枯病的抗性水平高于转基因恢复系“C418－Xa21”,这可能是遗传背景的差异所致,抗白叶枯病转基因粳型恢复系数 杂交稻的育成将有益于杂交稻在我国北方稻区的推广。     

Wx基因与SSⅢ-2基因互作对稻米蒸煮食味品质的影响

为了探究蜡质基因(Wx)与可溶性淀粉合成酶Ⅲ-2基因(SSⅢ-2)等位变异对稻米品质的影响,以籼型高直链淀粉恢复系CG133R和糯性‘爪哇稻22’为亲本杂交,在其F3群体选择仅在Wx和SSⅢ-2基因位点存在多态性的单株为材料,分析各基因型材料的理化指标和粘度速测仪谱特征值。结果表明:(1)SSⅢ-2基因为I型时,Wx基因第一内含子多态性对表观直链淀粉含量有极显著影响。SSⅢ-2基因为Ⅱ型时,Wx基因第一内含子多态性对表观直链淀粉含量和成糊温度有极显著影响。(2)Wxa背景下,SSⅢ-2基因对稻米品质无显著影响;Wxb背景下,SSⅢ-2基因对糊化温度和粘度速测仪谱中最高粘度、崩解值、成糊温度有极显著影响。(3)Wx和SSⅢ-2基因共同作用极显著影响水稻表观直链淀粉含量、糊化温度、最高粘度、崩解值和成糊温度,说明Wx和SSⅢ-2基因之间存在互作,且Wx基因对SSⅢ-2基因具有显性上位性,Wx基因大量表达会遮盖SSⅢ-2基因对稻米品质的效应。     

糯性水稻中蜡质基因第1内含子的剪接活性

以前的研究结果表明 ,非糯性的稻米中直链淀粉的含量与各品种中蜡质基因 (Wx)第 1内含子被剪接的效率有关 ,即剪接效率高的品种直链淀粉含量也高。为弄清糯米中不含直链淀粉是否也与此内含子剪接效率有关系 ,构建了蜡质基因启动子 (来自籼稻品种2 32 )、蜡质基因第 1内含子 [来自籼稻品种 2 32 (高直链淀粉含量的品种 )或粳稻品种寒丰 6 36 6 (中、低直链淀粉含量的品种 ) ]与GUS报告基因组成的两种嵌合基因 ,将含有这两种嵌合基因的质粒分别转化进粳性糯稻品种奉糯 5 93中 ,同时还分别转化进非糯性的籼稻品种特青和粳稻品种中花 11中作为对照 ,测定它们的抗性愈伤组织与转基因植株未成熟种子胚乳中的GUS酶活性。结果表明与在非糯性的籼稻和粳稻中一样 ,这两种嵌合质粒在不合成直链淀粉的糯稻中也有相当水平的表达。从此结果可以推测 ,糯稻品种有从嵌合基因的转录本中剪接蜡质基因第 1内含子的正常能力 ,而在糯稻中缺乏直链淀粉可能是糯稻蜡质基因第1内含子中的其它突变所造成的     

应用RNA干扰技术降低玉米支链淀粉含量

为了调控玉米淀粉的生物合成过程,克隆了玉米淀粉分支酶(starch branching enzymes,SBE)基因,构建高效的siRNA表达体系,通过花粉管通道法将其导入玉米自交系.PCR扩增和Southern杂交结果证明,目的基因已被整合到基因组中,且能够遗传.Northern杂交分析表明,该目的基因在转基因植株中能正常转录并导致内源SBE mRNA含量下降.对转基因植株淀粉分支酶活性和淀粉含量测定结果表明,分支酶活性明显地低于对照,相差最多的低85%;总淀粉含量与对照之间基本没有差异,但直链淀粉的含量提高了约50%.     

籼稻稻米蛋白质含量与外观品质性状间不同遗传体系的条件遗传相关分析

选用稻米蛋白质含量等品质差异较大的7个籼型不育系(A)及相应的保持系(B)与5个籼型恢复系(R)杂交,组成7×5不完全双列杂交组合。应用包括胚乳、细胞质和母体植株基因的遗传主效应以及基因型×环境互作效应的数量性状遗传模型及非条件和条件分析方法,研究了籼稻稻米蛋白质含量与外观品质性状间的遗传相关性,进一步揭示了籼稻糙米重、稻米直链淀粉含量对稻米蛋白质含量与外观品质性状间遗传相关性的影响。非条件分析的结果表明,除了与糙米厚的相关性未达到显著水平以外,蛋白质含量与其它稻米外观品质性状间的遗传相关性均达极显著水平,其中与糙米宽间的相关性表现为正值,其余为负向相关。条件分析的结果显示,糙米重和直链淀粉含量对稻米蛋白质含量与外观品质性状间的遗传相关性均可产生较大的影响。糙米重主要通过基因型×环境互作效应影响蛋白质含量与外观品质性状间的遗传相关性,其中对蛋白质含量与糙米长、糙米宽、糙米厚间遗传相关性的影响主要表现为负向作用,而对蛋白质含量与糙米长宽比、糙米长厚比间遗传相关性的影响则表现为正向作用。稻米直链淀粉主要通过细胞质遗传主效应和母体加性效应影响蛋白质含量与糙米长、糙米长宽比、糙米长厚比间的遗传相关性,而对蛋白质含量与糙米宽间的相关性影响主要表现为负向作用。     

利用Cre/lox重组系统建立反义基因工程雄性不育恢复系

利用Cre/lox重组系统中的Cre重组酶能特异性识别并介导两个同向lox位点之间DNA序列发生重组删除的特点,将TA29驱动下的反义豌豆卷须肌动蛋白基因置于两个同向lox位点之间并与Bar基因连锁,转化烟草Wisconsin 38后获得抗除草剂Basta的转基因植株.将Cre基因导入烟草Wisconsin 38建立雄性不育工程恢复系.反义Actin转基因植株与Cre转基因植株杂交获得F1,通过Cre重组酶将F1中的反义肌动蛋白基因表达盒删除实现育性的恢复.结果显示:来自豌豆卷须的肌动蛋白基因在Wisconsin 38烟草绒毡层中反义表达但未能导致明显的雄性不育,转基因植株在花器官形态、花粉形状、活力、结实、结籽等方面与野生型植株间无明显的差异.而获得的烟草Cre转基因工程恢复系除少量植株出现叶片褪绿、结果少等异常外,绝大多数植株形态结构及开花结果习性与野生型一致;其中3个Cre转基因工程恢复系与Actin反义肌动蛋白转基因植株TAA-3杂交后,杂交后代中的绝大多数反义肌动蛋白基因表达盒均被精确删除,表明将Cre/lox重组系统用于建立基于反义基因工程雄性不育的恢复系是可行的.     

杂交水稻直链淀粉含量遗传分析

杂交水稻稻谷是从Ｆ１代杂合体收获的Ｆ２代种子,由于Ｆ２代属分离群体,直链淀粉含量等稻米品质会发生分离现象．本研究选择直链淀粉含量低、中、高的５个亲本配组的５个杂交组合,按单粒分析法分析双亲亲本、Ｆ１和Ｆ２代的种子的直链淀粉含量．结果表明,Ｆ２代呈现１（低）：３（中＋高）孟德尔分离规律．在５个组合的单粒分析中发现分离的Ｆ２代群体呈双峰的连续分布,该现象表明高直链淀粉含量对低直链淀粉含量为不完全显性,除单一基因控制外,还受微效多基因修饰．因此杂交水稻育种工作中,尤其是优质杂交稻新组合选育时,必须注意选择双亲的直链淀粉含量基本一致,以防分离现象影响米质．     

复合调控Wx与SBE3基因对水稻籽粒直链淀粉含量的影响

颗粒淀粉合成酶（GBSS）和淀粉分支酶3（SBE3）是淀粉合成过程中的两个关键酶,这两个酶主要由耽和SBE3两个基因分别控制,它们的表达量直接影响直链淀粉和支链淀粉的含量比例。为了探讨水稻淀粉关键酶基因耽过量与SBE3干涉复合表达对直链淀粉含量的影响,构建了Wx过量表达与SBE3干涉结合的多基因表达载体,并通过农杆菌介导的方法将其导入日本晴水稻中。经过PCR检测分析获得了65株转基因阳性植株,半定量RT—PCR检测表明转基因株系中Wx基因表达量明显增加,而SBE3基因表达量显著减少。转基因株系籽粒透明度明显降低,直链淀粉含量比野生型的平均高45％,但是千粒重变化不大,与野生型相当。遗传分析表明这些转基因株系多数可稳定遗传。     

聚合蜡质和抗条纹叶枯病基因水稻的分子标记辅助选择

以高蛋白、抗条纹叶枯病的红米水稻‘Kasalath’和本实验室培育的低直链淀粉含量、株型好、产量高的水稻‘上师大3号’为亲本进行杂交.利用蜡质基因(Waxy)在第1内含子5′端剪切位点上游55 bp处CT重复序列的重复数与直链淀粉含量呈负相关的特性,设计了1对SSR引物,利用与抗条纹叶枯病基因(Stv-b2)紧密连锁的...     

稻米淀粉品质性状的资源筛选和相关基因初步鉴定北大核心CSCD

淀粉是稻米品质形成的主要理化基础,也是水稻品质改良的重要育种目标。本研究旨在挖掘包含不同淀粉含量的特异种质和鉴定其相关的基因型,为完善水稻淀粉合成调控网络及水稻优质育种工作提供有用信息。以江苏南京水稻种质资源国家野外科学观测研究站收集的119份种质资源为材料,运用改进的免煮简易法测定供试材料的直链淀粉含量;以直链淀粉含量极高、低的材料,利用开发的dCAPS分子标记鉴定其Wx基因型。测定直链淀粉含量极高的15份材料的抗性淀粉含量,并选取3份高抗性淀粉材料,以日本晴为对照,进行SSⅢa与SBEⅡb两个基因的序列比对和基因型鉴定。结果表明,改进的免煮简易法准确性与现行国标法结果相当,但操作更加简便容易。供试材料的直链淀粉含量大部分处于9.0%~33.0%之间,抗性淀粉含量位于1.0%~4.5%之间。dCAPS分子标记鉴定表明高直链淀粉材料的Wx基因型一般为Wxa型。通过序列比对,发现相对于日本晴,SSⅢa基因在3个高抗性淀粉材料(立新粳、南特号、郴晚3号)有3处共同突变,其中第三外显子+2362位为错义突变;SBEⅡb在2个高抗性淀粉品种(立新粳与南特号)第四外显子+96位检测到共同的错义突变。这些错义突变可能是导致水稻抗性淀粉含量增加的原因,这为下一步精确定向编辑目标基因,创制淀粉品质性状优异新种质奠定了基础。     

籼爪交水稻F_2群体的蒸煮食味品质研究

分析了籼型高直链淀粉恢复系CG133R与糯性爪哇稻22号杂交衍生的F2群体的蒸煮品质变异及其与淀粉粘滞性特征间的相关性,以及F2群体颗粒结合淀粉合成酶(Wxa基因)和可溶性淀粉合成酶(SSⅡ-3基因)主效基因的遗传。结果表明:蒸煮品质指标和RVA谱特征值在F2群体中广泛分离,其中变异最大的是消减值,其次为胶稠度、直链淀粉含量。高直链淀粉材料各理化指标与RVA谱特征值的相关性不显著;RVA谱特征值在中、低直链淀粉含量和糯稻群体中与各理化指标存在显著或极显著相关;在中、低直链淀粉材料中,RVA谱特征值与糊化温度(GT)也存在显著或极显著相关。用Wxa基因和SSⅡ-3基因的分子标记检测到这两个基因在F2群体中存在偏分离,分别指向两个亲本类型。除高直链淀粉材料外,可以通过RVA谱特征值来辅助筛选优质水稻品种。