一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,包括OsABC1-2基因過量表達(dá)載體的構(gòu)建步驟和OsABC1-2過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株的獲得步驟。本發(fā)明通過在粳稻中過量表達(dá)OsABC1-2基因,顯著提高了種子大小和粒重,并增強(qiáng)了對(duì)黑暗處理誘導(dǎo)葉片衰老的抗性。因而,該基因是水稻粒型性狀的一個(gè)新的調(diào)控因子,在提高水稻的種子大小和粒重以及增加作物產(chǎn)量上具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基因工程【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法?!颈尘凹夹g(shù)】
[0002]水稻是最重要的糧食作物之一,養(yǎng)活了全世界一半以上的人口。隨著人口的增長和生活水平的提高,人們對(duì)稻米無論從產(chǎn)量還是品質(zhì)上均提出越來越高的要求。據(jù)推算,至2025年,全球人口將超過80億,以稻米為主食的人口數(shù)量將增至35億。按最保守的估計(jì),由于人口增長而導(dǎo)致稻米需求量的增加至少達(dá)3億噸。水稻產(chǎn)量的提高,依靠擴(kuò)大種植面積的潛力已很有限。由于受水資源和耕地面積的限制,加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化的推進(jìn),不少產(chǎn)稻國家的水稻種植面積實(shí)際上已有所下降。為此,今后將主要依賴于單位面積產(chǎn)量的提高來進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量。[0003]粒形性狀包括粒長、粒寬、粒厚、粒重和長寬比等,是水稻產(chǎn)量的重要構(gòu)成因子。控制水稻粒形遺傳的數(shù)量性狀基因座(QTLs)的定位、相關(guān)基因的克隆和應(yīng)用已有較多研究報(bào)道。是一個(gè)控制水稻粒長的主效基因,定位在第三號(hào)染色體著絲粒附近。該基因由五個(gè)外顯子組成,其第二個(gè)外顯子的一個(gè)無義突變導(dǎo)致蛋白C端的缺失,從而引起大粒品種的籽粒變大。通過RNA干涉抑制GS3的表達(dá)顯著提高了小粒品種川7的粒長和粒重。GW2和qS勝/G勝均為控制水稻粒寬的QTL。其中GW2定位在水稻第2號(hào)染色體的短臂上,編碼一個(gè)新的泛素蛋白連接酶。GW2功能的缺失增加了穎殼細(xì)胞的數(shù)目,導(dǎo)致穎殼變大、粒寬和粒重增加。通過分子標(biāo)記選擇將大粒品種的02?基因?qū)胄×F贩N中,其粒重和單株產(chǎn)量分別增加了 49.8 %和20 %。q5F5/-1勝定位于水稻第5號(hào)染色體短臂。該基因編碼一個(gè)由144個(gè)氨基酸殘基組成的蛋白,通過泛素蛋白酶體途徑負(fù)調(diào)控水稻穎殼細(xì)胞的數(shù)目,進(jìn)而控制粒寬、粒重和產(chǎn)量。目前所分離的粒形基因多為控制粒形性狀的負(fù)調(diào)控因子。近來,Li等(Li Y-B, Fan C-C, Xing Y-Z, Jiang Y-H, Luo L-J, Sun L, Shao D, Xu C-J, Li X-H,Xiao J-Hj He Y-Qj Zhang Q-F.Natural variation in GS5 plays an important role inregulating grain size and yield in rice.Nature Genetics.2011, 43: 1266-1269)克隆了一個(gè)控制水稻籽粒大小的QTL,GS5。該基因編碼一個(gè)推定的絲氨酸羧肽酶,正調(diào)控粒寬、籽粒灌漿和粒重。在粳稻品種中花11中過量表達(dá)顯著提高了水稻籽粒的大小和產(chǎn)量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,通過在粳稻中過量表達(dá)基因,顯著提高了種子大小和粒重,并增強(qiáng)了對(duì)黑暗處理誘導(dǎo)葉片衰老的抗性,以使其滿足使用要求。
[0005]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,包括以下步驟:
I) OsABCl-2基因過表達(dá)載體的構(gòu)建以野生型粳稻品種中花11 CDNA為模板,設(shè)計(jì)一對(duì)引物,擴(kuò)增基因,引物序列如下:
在引物兩端分別引入了限制性內(nèi)切酶ifeMl I和分e I的識(shí)別位點(diǎn);PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用膠回收試劑盒(TaKaRa,805A)純化,并利用及I和分e I酶切后,連入用相同限制性酶切割的x£AMBIA1301-UbiN0SmM ;重組質(zhì)粒采用熱擊轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5 α,轉(zhuǎn)化物在含卡那霉素的LB平板上篩選,挑選陽性克隆,提取質(zhì)粒后測(cè)序驗(yàn)證正確,獲得OsABCl-2過表達(dá)載體;其中,之基因序列如SEQ ID N0.1所示;
2) OsABCl-2過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株的獲得
將測(cè)序正確的過表達(dá)載體通過電擊法轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌菌株EHA105中;將粳稻品種中花11未成熟種子帶殼滅菌,在超凈工作臺(tái)上分離出未成熟胚,接種在誘導(dǎo)愈傷培養(yǎng)基上;暗培養(yǎng)6d后挑選生長旺盛,顏色淺黃的胚性愈傷組織,作為轉(zhuǎn)化的受體;將帶有OsABC1-2過表達(dá)重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌EHA105菌株培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期,離心收集菌體,并用加入乙酰丁香酮的AAM培養(yǎng)基重懸后倒入愈傷組織進(jìn)行侵染;侵染結(jié)束后的愈傷組織在共培養(yǎng)基上培養(yǎng)3d,然后在含有50 mg I/1潮霉素的選擇培養(yǎng)基上篩選抗性愈傷組織,經(jīng)兩代篩選以后,將抗性愈傷組織進(jìn)行預(yù)分化處理和分化再生;再生小苗轉(zhuǎn)入1/2MS培養(yǎng)基上生根壯苗;小苗經(jīng)練苗處理后移入大田種植。
[0006]所述的調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,所述-J?基因表達(dá)蛋白的氨基酸序列如SEQ ID N0.2所示。
[0007]用于realtime PCR檢測(cè)說V-之基因的特異性引物0sABCl_2F和0sABCl_2R,弓丨物序列如下:
0sABCl-2F:5’ -AAGTCAGATGGTGCCAAGAG-3,
0sABCl-2R:5’ -AACAGCATACCGACCTAACC-3’。
[0008]可用現(xiàn)有的植物表達(dá)載體構(gòu)建含有所述基因的重組表達(dá)載體。
[0009]所述植物表達(dá)載體包括雙元農(nóng)桿菌載體(如pBI121、pBinl9、pCAMBIA2301、PCAMBIA3301、pCAMBIA1301_UbiN、pCAMBIA1300等)和可用于植物微彈轟擊的載體等。所述植物表達(dá)載體還可包含外源基因的3’端非翻譯區(qū)域,即包含聚腺苷酸信號(hào)和任何其它參與mRNA加工或基因表達(dá)的DNA片段。所述聚腺苷酸信號(hào)可引導(dǎo)聚腺苷酸加入到mRNA前體的3’端,如農(nóng)桿菌冠癭瘤誘導(dǎo)(Ti)質(zhì)?;?如胭脂合成酶Nos基因)、植物基因(如大豆貯存蛋白基因)3’端轉(zhuǎn)錄的非翻譯區(qū)均具有類似功能。
[0010]使用所述基因構(gòu)建重組植物表達(dá)載體時(shí),在其轉(zhuǎn)錄起始核苷酸前可加上任何一種增強(qiáng)型啟動(dòng)子、組成型啟動(dòng)子或誘導(dǎo)型啟動(dòng)子,如花椰菜花葉病毒(CAMV) 35S啟動(dòng)子、玉米的泛素啟動(dòng)子(Ubiquitin)、脅迫誘導(dǎo)型啟動(dòng)子Rd29A等,它們可單獨(dú)使用或與其它的植物啟動(dòng)子結(jié)合使用;此外,使用本發(fā)明的基因構(gòu)建植物表達(dá)載體時(shí),還可使用增強(qiáng)子,包括翻譯增強(qiáng)子或轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子,這些增強(qiáng)子區(qū)域可以是ATG起始密碼子或鄰接區(qū)域起始密碼子等,但必需與編碼序列的閱讀框相同,以保證整個(gè)序列的正確翻譯。所述翻譯控制信號(hào)和起始密碼子的來源是廣泛的,可以是天然的,也可以是合成的。翻譯起始區(qū)域可以來自轉(zhuǎn)錄起始區(qū)域或結(jié)構(gòu)基因。[0011]為了便于對(duì)轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞或植物進(jìn)行鑒定及篩選,可對(duì)所用植物表達(dá)載體進(jìn)行加工,如加入可在植物中表達(dá)的編碼可產(chǎn)生顏色變化的酶或發(fā)光化合物的基因(GUS基因、螢光素酶基因等)、具有抗性的抗生素標(biāo)記物(慶大霉素標(biāo)記物、卡那霉素標(biāo)記物等)或是抗化學(xué)試劑標(biāo)記基因(如抗除莠劑基因)等。從轉(zhuǎn)基因植物的安全性考慮,可不加任何選擇性標(biāo)記基因,直接以逆境篩選轉(zhuǎn)化植株。
[0012]攜帶有所述基因的表達(dá)載體可通過使用Ti質(zhì)粒、Ri質(zhì)粒、植物病毒載體、直接DNA轉(zhuǎn)化、顯微注射、電導(dǎo)、農(nóng)桿菌介導(dǎo)等常規(guī)生物學(xué)方法轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞或組織,并將轉(zhuǎn)化的植物組織培育成植株。
[0013]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明通過在粳稻中過量表達(dá)基因,顯著提高了種子大小和粒重,并增強(qiáng)了對(duì)黑暗處理誘導(dǎo)葉片衰老的抗性。因而,該基因是水稻粒型性狀的一個(gè)新的調(diào)控因子,在提高水稻的種子大小和粒重以及增加作物產(chǎn)量上具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是OsABCl-2基因過表達(dá)載體的構(gòu)建示意圖;
圖2是OsABCL基因在野生型中花11 (ZHll)和過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系(OE)中的相對(duì)表達(dá)情況;
圖3是野生型中花11和過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株種子大小比較圖;
圖4是野生型中花11和過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株黑暗處理下的抗性比較圖。
[0015]具體實(shí)施方法
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0016]以下實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法若無特殊說明,均為常規(guī)操作方法,所使用的材料、試劑等,若無特殊說明,均可從商業(yè)途徑獲得。所述的百分含量,如無特別說明,均為質(zhì)量百分含量。
[0017]實(shí)施例1-J?過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系的獲得及表型分析
1)OsABC1-2過表達(dá)載體的構(gòu)建
采用RNAsimple總RNA提取試劑盒(Tiangen,DP419)提取粳稻品種中花11葉片總RNA,利用 PrimeScript 1st Strand cDNA Synthesis Kit (TaKaRa,6110A)試劑盒方法反轉(zhuǎn)錄成cDNA。反轉(zhuǎn)錄步驟如下:取RNA樣品3 μ g,分別加入50 μ mol L-1 OligodT primer I μ I和 IOmmol L-1 dNTP mixture I μ I,用 RNase free dH20補(bǔ)足體積 10 μ 1,65℃保溫5111;[11后,冰上迅速冷卻;變性后的反應(yīng)液分別加入5XPrimeScript Buffer 4 μ I, 40U μ L-1 RNaseInhibitor 0.5 μ I, 200U μ L-1 PrimeScript RTase I μ I,用 RNase free dH20 補(bǔ)足體積20μ 1,緩慢混勻;按下列條件進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng):42°C 60min,70°C 15min,冰上放置。以cDNA 為模板,設(shè) ii 對(duì)引物,利用 PrimeSTAR HS DNA Polymerase with GC Buffer (TaKaRa,044A)擴(kuò)增OsABCl-2基因編碼區(qū)片段,引物序列如下:
0sABCl-20E-F:5’ -AAAAGGATCCCGCCCTCGCGATGTCGGCC-3’,
0sABCl-20E-R:5’ -AAAAACTAGTCCGATGGCTATGCTACAACG-3’,
PCR 反應(yīng)體系:2XPrimeSTAR GC Buffer 25 μ 1,2.5mmol L-1 dNTP mixture 4μ I,10 μ mol L-1 0sABCl-20E-F、0sABCl_20E-R 引物各 2 μ 1,cDNA 模板 2 μ 1,2.5 U μ L-1PrimeSTAR HS DNA Polymerase 0.5 μ I,用滅菌蒸懼水補(bǔ)足體積 50 μ I。
[0018]PCR反應(yīng)條件:95°C變性5min ;然后98°C變性10s,68°C延伸3min,擴(kuò)增35個(gè)循環(huán);最后在72°C下延伸lOmin。
[0019]在引物兩端分別引入了限制性內(nèi)切酶I和SPE I的識(shí)別位點(diǎn)。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用膠回收試劑盒(TaKaRa,805A)純化,并利用及I和分e I酶切后,連入用相同限制性酶切割的P以遍以A?似-油iMW載體(圖1)。連接反應(yīng)是利用T4 DNA Ligase (TaKaRa,2011A)進(jìn)行。反應(yīng)體系和條件為:IOXT4 DNA Ligase Buffer 2.5 μ 1,酶切回收后的基因片段300ng,載體DNA片段IOOng, 350U μ L-1 Τ4 DNA Ligase 1μ I,用滅菌蒸懼水補(bǔ)足體積25 μ 1,16°C過夜連接。重組質(zhì)粒采用熱擊轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5 α。具體步驟為:將DH5a感受態(tài)細(xì)胞放置于冰上融化;將連接產(chǎn)物10 μ 1、感受態(tài)細(xì)胞50 μ I置于1.5mL滅菌管中,輕輕混勻后于冰上放置30min ;將上述混合物于42°C水浴鍋中熱擊45s,立即放回冰上,靜置2min ;在超凈工作臺(tái)上加LB液體培養(yǎng)基800 μ 1,37°C振蕩培養(yǎng)Ih ;吸取上述轉(zhuǎn)化物涂布在含卡那霉素的LB平板上過夜篩選。挑選陽性克隆,提取質(zhì)粒后測(cè)序,獲得OsABCl-2過表達(dá)載體。
[0020]測(cè)序獲得的序列如SEQ ID N0.1所示,即為調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的基因
表達(dá)的蛋白的氨基酸序列如SEQ ID N0.2所示。
[0021]2) OsABC1-2過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株的獲得和表型分析
將測(cè)序正確的OsABC1-2過表達(dá)載體通過電擊法轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)菌株EHA105中,利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化粳稻品種中花11。轉(zhuǎn)化的具體方法是將粳稻品種中花11未成熟種子帶殼滅菌,在超凈工作臺(tái)上分離出未成熟胚,尖頭朝下接種在誘導(dǎo)愈傷培養(yǎng)基N6D2上;暗培養(yǎng)6d后挑選生長旺盛,顏色淺黃的胚性愈傷組織,作為轉(zhuǎn)化的受體;將帶有過表達(dá)重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌EHA105菌株培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期,離心收集菌體,并用AAM培養(yǎng)基重懸;倒入愈傷組織浸泡15-20min,并不時(shí)搖動(dòng);侵染結(jié)束后的愈傷組織在N6D2C培養(yǎng)基上于28°C暗培養(yǎng)3d,然后分別在CXD2S1和CXD2S2選擇培養(yǎng)基上進(jìn)行兩代篩選;將抗性愈傷組織轉(zhuǎn)入CCA培養(yǎng)基上于24-26°C暗培養(yǎng)條件下進(jìn)行預(yù)分化處理IOd ;經(jīng)預(yù)分化處理的愈傷組織轉(zhuǎn)入MSR培養(yǎng)基在25°C光培養(yǎng)下分化再生;再生小苗轉(zhuǎn)入1/2MS培養(yǎng)基上生根壯苗;小苗在陰涼處用涼開水練苗3d后移入大田種植,按常規(guī)方法進(jìn)行管理和收獲。
[0022]參照Liu Q-Q, Chen X-H, Wang X-ff, Peng L-T, Gu M-H.A rapid simplemethod of assaying hygromycin resistance in transgenic rice plants.Journal ofAgricultural Biotechnology (農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)),2001, 9 (3):264-265 (in Chinese)所提供的方法對(duì)轉(zhuǎn)基因再生植株進(jìn)行潮霉素抗性檢測(cè),共獲得了 16株轉(zhuǎn)基因陽性植株。
[0023]采用RNAsimple總RNA提取試劑盒(Tiangen,DP419)分別提取野生型中花11和過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系總 RNA,利用 PrimeScript RT reagent Kit with gDNAEraser (TaKaRa, 047A)試劑盒所述方法反轉(zhuǎn)錄成cDNA,以基因編碼區(qū)特異性引物0sABCl-2F和0sABCl-2R進(jìn)行realtime PCR,以水稻Actinl基因作為內(nèi)參。引物序列如下:
0sABCl-2F:5’ -AAGTCAGATGGTGCCAAGAG-3,
0sABCl-2R:5’ -AACAGCATACCGACCTAACC-3’ActinlF:5’ - CCCCTCCTGAAAGGAAGTA-3’
ActinlR:5’ -GGTCCGAAGAATTAGAAGCA-3,
PCR 反應(yīng)利用 SYBR Premix Ex Taq II (TaKaRa, 820A)在 7500 realtime PCR 儀(Applied Biosystems)上進(jìn)行。PCR體系為:2XSYBR位 Taq II 25 μ 1,10 μ molL 1上下游引物各2 μ 1, 50XROX Reference Dye II I yl,cDNA模板4 μ 1,滅菌蒸懼水16 μ I,總體積 50 μ I。
[0024]PCR條件為:95°C 30s 預(yù)變性;95°C 5s 變性,50°C 30s 退火,72°C 30s 延伸,40 個(gè)循環(huán)。
[0025]Realtime PCR結(jié)果表明,As仙67-之基因的表達(dá)上調(diào)了 3倍以上(圖2)。田間種植的過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株表型與野生型中花11無顯著差異。然而過表達(dá)株系種子顯著大于野生型(圖3)。過表達(dá)株系種子粒長平均比野生型增加了 0.69 mm,粒寬平均增加了 0.36 mm,千粒重平均增加了 1.05 g (表1),表中,粒長和粒寬為隨機(jī)選擇的30粒種子的平均值,千粒重為10個(gè)單株種子的平均值。
[0026]表I野生型中花η和OsABC卜2過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系種子對(duì)比。_
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,其特征在于,包括以下步驟: I) OsABCl-2基因過表達(dá)載體的構(gòu)建 以野生型粳稻品種中花11 cDNA為模板,設(shè)計(jì)一對(duì)引物,擴(kuò)增基因,引物序列如下:
0sABCl-20E-F:5’ -AAAAGGATCCCGCCCTCGCGATGTCGGCC-3’,
0sABCl-20E-R:5’ -AAAAACTAGTCCGATGGCTATGCTACAACG-3’, 在引物兩端分別引入了限制性內(nèi)切酶ifeMl I和分e I的識(shí)別位點(diǎn);PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用膠回收試劑盒(TaKaRa,805A)純化,并利用及I和分e I酶切后,連入用相同限制性酶切割的x£AMBIA1301-UbiN0SmM ;重組質(zhì)粒采用熱擊轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5 α,轉(zhuǎn)化物在含卡那霉素的LB平板上篩選,挑選陽性克隆,提取質(zhì)粒后測(cè)序驗(yàn)證正確,獲得OsABCl-2過表達(dá)載體;其中,之基因序列如SEQ ID N0.1所示; 2 ) OsABCl-2過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株的獲得 將測(cè)序正確的過表達(dá)載體通 過電擊法轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌菌株EHA105中;將粳稻品種中花11未成熟種子帶殼滅菌,在超凈工作臺(tái)上分離出未成熟胚,接種在誘導(dǎo)愈傷培養(yǎng)基上;暗培養(yǎng)6d后挑選生長旺盛,顏色淺黃的胚性愈傷組織,作為轉(zhuǎn)化的受體;將帶有OsABC1-2過表達(dá)重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌EHA105菌株培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期,離心收集菌體,并用加入乙酰丁香酮的AAM培養(yǎng)基重懸后,倒入愈傷組織進(jìn)行侵染;侵染結(jié)束后的愈傷組織在共培養(yǎng)基上培養(yǎng)3d,然后在含有50 mg I/1潮霉素的選擇培養(yǎng)基上篩選抗性愈傷組織,經(jīng)兩代篩選以后,將抗性愈傷組織進(jìn)行預(yù)分化處理和分化再生;再生小苗轉(zhuǎn)入1/2MS培養(yǎng)基上生根壯苗;小苗經(jīng)練苗處理后移入大田種植。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,其特征在于:所述
基因表達(dá)蛋白的氣基酸序列如SEQ ID N0.2所不。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)控水稻籽粒大小和粒重的方法,其特征在于:用于realtime PCR檢測(cè)OsABC1-2基因的特異性引物OsABCl_2F和OsABCl_2R,引物序列如下:
OsABCl-2F:5’ -AAGTCAGATGGTGCCAAGAG-3,
OsABCl-2R:5’ -AACAGCATACCGACCTAACC-3’。
【文檔編號(hào)】C12N15/29GK103451228SQ201310421680
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】高清松, 楊立明, 劉廷武, 張?jiān)品? 申請(qǐng)人:淮陰師范學(xué)院