基于M1TDS靶向筛选技术的重离子束诱变定向改良杂交水稻卓两优1126性状的研究
Directed Improvement of Hybrid Rice Zhuoliangyou 1126 by Heavy Ion Beam Mutagenesis Based on M1TDS Targeted Screening Technology
通讯作者: *email:lybai@hunaas.cn,email:tangwenbang@163.com,email:brzhao652@hhrrc.ac.cn
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收稿日期: 2024-01-9 修回日期: 2024-04-17
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Corresponding authors: *email:lybai@hunaas.cn,email:tangwenbang@163.com,email:brzhao652@hhrrc.ac.cn
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Received: 2024-01-9 Revised: 2024-04-17
【目的】以两系杂交水稻卓两优1126为“底盘品种”,快速创制具有镉低积累、香味、耐储藏、耐淹、低升糖指数等性状的改良品种。【方法】12C6+碳离子束诱变卓两优1126亲本卓234S和湘农恢1126,利用M1TDS技术从诱变M1群体中鉴定OsNRAMP5、OsBADH2、OsLOX3、OsPAO5、OsSSIIIa和OsBEIIb基因嵌合突变株,通过KASP分型从诱变M2群体中鉴定分离目标基因纯合(杂合)突变株,利用OsNRAMP5突变亲本配制OsNRAMP5突变组合。【结果】从重离子束诱变M1群体中鉴定到13株为5个目标基因突变的嵌合突变株,其中7个M2株系中鉴定到目标基因的纯合或杂合突变;OsNRAMP5纯合突变株镉含量较原始亲本显著降低,OsBADH2纯合突变株香味特征化合物2-乙酰基吡咯啉(2-AP)含量较原始亲本显著上升;OsNRAMP5基因突变亲本配制的组合,在镉污染土(土壤有效镉含量0.677 mg/kg,pH 5.6)盆栽种植,其籽粒镉含量为0.05 mg/kg,而原始组合为0.91 mg/kg。【结论】利用“重离子束诱变+M1TDS技术”实现了卓两优1126镉低积累等性状的快速改良,为生物传统诱变育种进化到定向诱变育种提拱了成功案例和共性技术参考。
关键词:
【Objective】Using the two-line hybrid rice Zhuoliangyou 1126 as the base variety, we aimed to rapidly develop upgraded varieties with traits such as low cadmium accumulation, fragrance, storage tolerance, submergence tolerance, and a low glycemic index.【Method】Zhuo 234S and Xiangnonghui 1126, the parental lines of Zhuoliangyou 1126, were mutagenized using heavy-ion beams. Chimeric mutants of the OsNRAMP5, OsBADH2, OsLOX3, OsPAO5, OsSSIIIa, and OsBEIIb genes were identified in the M1 generation via M1TDS technology. Mutations in the target genes were further detected and isolated in the M2 generation using Kompetitive Allele-Specific PCR (KASP) genotyping. Hybrid rice with low cadmium accumulation was developed by crossing parents carrying OsNRAMP5 mutations.【Results】A total of 13 chimeric mutants involving six target genes were identified in the M1 generation. Among these, seven were confirmed to carry homozygous or heterozygous mutations in the M2 generation. The cadmium content in OsNRAMP5 homozygous mutants was significantly lower than in the wild type, while the content of the aromatic compound 2-acetylpyrroline (2-AP) was significantly higher in OsBADH2 homozygous mutants. When the low-cadmium hybrid rice derived from OsNRAMP5-mutated parents was pot-grown in cadmium-contaminated soil (available Cd: 0.677 mg/kg, pH 5.6), the cadmium content in grains remained consistently below 0.05 mg/kg, compared to 0.91 mg/kg in the wild-type control.【Conclusion】The combination of heavy-ion beam mutagenesis and M1TDS technology enabled the rapid improvement of traits such as low cadmium accumulation in Zhuoliangyou 1126. This study provides a successful example and a general technical reference for transitioning from traditional mutagenesis breeding to directed mutagenesis breeding.
Keywords:
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韶也, 胡远艺, 彭彦, 毛毕刚, 刘慧敏, 唐婵娟, 雷斌, 唐丽, 余丽霞, 李文建, 罗武中, 罗治斌, 袁远涛, 李曜魁, 张丹, 周利斌, 柏连阳, 唐文帮, 赵炳然.
SHAO Ye, HU Yuanyi, PENG Yan, MAO Bigang, LIU Huimin, TANG Chanjuan, LEI Bin, TANG Li, YU Lixia, LI Wenjian, LUO Wuzhong, LUO Zhibin, YUAN Yuantao, LI Yaokui, ZHANG Dan, ZHOU Libin, BAI Lianyang, TANG Wenbang, ZHAO Bingran.
重离子束具有传能线密度(Linear Energy Transfer, LET)高,即重离子经过的径迹区域集中地沉积大量能量的特性,相比低LET的γ射线与X射线具有更多优势:1)相对生物学效应大,即能够以较小的剂量对染色体局部造成破坏,产生多为不易正确修复的DNA双链断裂及团簇损伤,高效诱发遗传突变[6-7];2)对遗传背景影响较小,重离子束仅破坏其径迹经过的染色体区域,对基因组的其他区域不产生直接影响[8-9]。基于以上特点,重离子束辐照诱变具有“单点育种”(One-point breeding)的现象[8-9]。目前国内外学者利用重离子束诱变已在作物[10
自21世纪初 TILLING技术(定向诱导基因组局部突变技术)首次报道[17]以来,研究者已开发出多种目标基因突变的检测方法,例如变性高效液相色谱法、双色荧光检测法、毛细管电泳法、高分辨率熔解曲线法等[18-19]。近年来,随着二代测序技术的普及,基于高通量测序的TILLING技术逐渐应用于作物诱变育种中[20-21]。但至今所应用的TILLING技术均是在M2及以上世代进行目标基因突变检测[17,22]。M1代具有诱变产生的全部变异信息、具有最小群体量与最低筛选成本,但M1植株的突变多为嵌合状态,不一定能够稳定遗传[4-5];此外,现有的TILLING技术难以对M1中低频嵌合突变的高通量准确鉴定。
最近发展起来的肿瘤无创早期诊断液体活检技术,通过深度靶向测序实现了血液中肿瘤的低频嵌合突变检测,50 000×的平均深度能准确检出0.1%的低频突变[23-24]。受此启发,赵炳然团队前期发明了“一种高通量靶向鉴定理化诱变植株M1代突变及获取突变体的方法”(简称M1TDS技术:M1 generation targeted deep sequencing technology,专利号ZL201911223356.0)。该技术突破了传统理化诱变育种难以高效定向获取目标基因突变的技术瓶颈,利用其超强的低频突变鉴定能力,在水稻理化诱变M1代即实现了目标基因突变的检出,快速创制出遗传背景、综合农艺性状与原始品种臻两优8612无明显差异,而在中、重度镉污染田种植表现镉低积累特性的杂交稻“莲两优1号”(即镉低积累臻两优8612)等[12]。在此基础上,本研究以两系杂交水稻卓两优1126父母本为材料,通过重离子束辐射和M1TDS技术靶向筛选,创制出镉低积累(OsNRAMP5)[25]、香味(OsBADH2)[26]、耐储藏(OsLOX3)[27]、适宜直播(OsPAO5)[28]、低升糖指数(OsSSIIIa、OsBEIIb)[29-30]等有重要利用价值的水稻新种质,在不到2年的时间内就研发出与原始材料遗传背景、综合农艺性状均没有明显差异的镉低积累杂交稻组合卓两优1126,为在各种生物中开展重离子束辐射定向遗传改良提供了技术参考。
1 材料与方法
1.1 实验材料及重离子束辐照处理
本研究以两系杂交水稻卓两优1126的母本卓234S(品种权号:CNA20191004384)及其父本湘农恢1126种子为诱变材料,于2022年4月在中国科学院近代物理研究所兰州重离子加速器国家实验室完成辐照处理。辐照采用兰州重离子研究装置提供的 80 MeV/u 碳离子束(12C6+),辐照剂量为 150 Gy,其中,卓234S共辐照种子10000粒,湘农恢1126共辐照种子2500粒。
1.2 诱变M1代混池构建及后代种植
诱变M1代2022年5月种植于湖南杂交水稻研究中心浏阳北盛试验田,手工移栽,每行8株,卓234S存活8320株,湘农恢1126存活1904株;分蘖期,对卓234S每株按东、西对称方向各取一片叶,湘农恢1126每株按东、南、西、北对称方向各取一片叶,同方向叶片以500个样本为单位构建混池。湘农恢1126检测出突变后,按单株收获所有种子,并于2022年11月将M2突变株播种于海南陵水,苗期对所有单株进行突变检测。卓234S检测出突变后,将蔸于2022年11月移栽至海南陵水再生繁种,2023年2月按单株收获所有种子后,随即播种于海南陵水,苗期对所有单株进行突变检测。利用卓234S M2代OsNRAMP5纯合突变单株与湘农恢1126 M2代OsNRAMP5杂合突变单株(收种后割蔸再生)配组,获得OsNRAMP5突变组合卓两优1126。
1.3 目标基因靶向捕获测序
CTAB法提取混池叶片总DNA,分别利用OsNRAMP5、OsBADH2、OsLOX3、OsPAO5、OsSSIIIa、OsBEIIb基因外显子捕获引物开展各个混池的目标区域靶向测序,平均测序深度超50000×;测序数据经过滤后,以日本晴基因组(IRGSP-1.0)为参考序列进行比对,初步确定目标基因突变混池及突变基因型。
1.4 目标基因突变KASP验证及Sanger测序
表1 KASP基因分型引物序列
Table 1.
名称 Name | 序列 Sequence |
---|---|
OsNRAMP5-246-8-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTTGTGGTTGGCTCCGGCTTAA |
OsNRAMP5-246-8-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTTGTGGTTGGCTCCGGCTTGC |
OsNRAMP5-246-8-C | CACAAAATGAAACAGTGGAAACCGATC |
OsNRAMP5-234-6-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTCACAAAATGAAACAGTGGAAACCGAT |
OsNRAMP5-234-6-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTCACAAAATGAAACAGTGGAAACCGAC |
OsNRAMP5-234-6-C | CGTACCTCATATCTGTGGTTGGCTC |
OsNRAMP5-204-6-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTCACAAAATGAAACAGTGGAAACCGA |
OsNRAMP5-204-6-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTCACAAAATGAAACAGTGGAAACCGC |
OsNRAMP5-204-6-C | CGTACCTCATATCTGTGGTTGGCTC |
OsNRAMP5-37-7-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTTGAAGAAGCTAAGAGAGGAAGCAACAA |
OsNRAMP5-37-7-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTTGAAGAAGCTAAGAGAGGAAGCAACAG |
OsNRAMP5-37-7-C | ACTAGCTCTCCAGCTGATGCTC |
OsBADH2-168-1-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTGTGTAGTTGGGTTGATCACACCTT |
OsBADH2-168-1-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTGTGTAGTTGGGTTGATCACACCTC |
OsBADH2-168-1-C | TGGGTCATAAATAAATATAAGCGCAGG |
OsBADH2-224-8-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTTTCGTCTTTTCTTGACAGCCTGTT |
OsBADH2-224-8-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTTTCGTCTTTTCTTGACAGCCTGTC |
OsBADH2-224-8-C | AGGACTTTTTCCACCAAGTTCCAG |
OsLOX3-760-7-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTTATCTTCACCTATGCCACAAGGC |
OsLOX3-760-7-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTTATCTTCACCTATGCCACAAGGA |
OsLOX3-760-7-C | CAGGGTATCATCATCACGTAAGAAC |
OsLOX3-115-5-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTGAGAGCAAAGTGTTGAACATGAAC |
OsLOX3-115-5-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTGAGAGCAAAGTGTTGAACATGAAG |
OsLOX3-115-5-C | GGACCGACCCGGTTCTTGAG |
OsPAO5-549-5-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTTGCTTGACAGGAATCCACACCTA |
OsPAO5-549-5-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTTGCTTGACAGGAATCCACACCTG |
OsPAO5-549-5-C | GCACCACCATTCCAGATATAGGTG |
OsPAO5-1028-4-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTAACTTTCCTCCAGGGTTACCAAAAT |
OsPAO5-1028-4-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTAACTTTCCTCCAGGGTTACCAAATC |
OsPAO5-1028-4-C | GCTTGTCCCATCTTCAACACATAC |
OsPAO5-84-2-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTCTCAGCTCAAGAAAATGCTACCAGG |
OsPAO5-84-2-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTCTCAGCTCAAGAAAATGCTACCACT |
OsPAO5-84-2-C | GACAGTACTCAACTGTACATGGTCTG |
OsSSIIIa-598-7-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTCCATTTGGTTCAAGGCCTAGAACTC |
OsSSIIIa-598-7-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTCCATTTGGTTCAAGGCCTAGAACTG |
OsSSIIIa-598-7-C | CACTGTTTTCGACGTAGACCATG |
OsBEIIb-931-5-F | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTGTGTGATTGTTATTAAATCTCACCAGGA |
OsBEIIb-931-5-H | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTGTGTGATTGTTATTAAATCTCACCAGGC |
OsBEIIb-931-5-C | GGCTATCTTAACTTTATGGGAAATGAGTTC |
表2 Sanger测序引物序列
Table 2.
名称 Name | 序列 Sequence |
---|---|
OsNRAMP5-3E-540F | GTTGGTCCTGGATTCATGGTGTC |
OsNRAMP5-3E-540R | TCCAATCAGAATCACCCAGAGCAG |
OsNRAMP5-1E-265F | TCTTCGTCTACTTCCAGCTAGCC |
OsNRAMP5-1E-265R | ACAGTGAACAACTGTCCATGGTG |
OsBADH-4-471F | TTGATGAAGCAGCATGGGACATG |
OsBADH-4-471R | GCTGCTAGGTACAATTTGTGAGAC |
OsBADH-8-357F | CTTCAGCTGCTCCTATGGTTAAGG |
OsBADH-8-357R | TCTAGCATCCAGCTCAGTTAAGTGC |
OsLOX3-8-535F | GAGAAGAACCTCGAAGGCCTCAG |
OsLOX3-8-535R | CCATCACAGCATGTGTGTTGAGC |
OsPAO-6/7-563F | GCTCTCTTTGATAAGGATGGTCGTC |
OsPAO-6/7-563R | ATGGCCACCAGTAAGAACATGTTC |
OsBEIIb-17-359F | GGCATGAGAACCTCACATACTG |
OsBEIIb-17-359R | GGAAGTACTTGTGGAGCTCTTGG |
1.5 诱变M2代纯合突变体表型鉴定
卓234S与湘农恢1126的OsNRAMP5纯合突变单株及其对照植株生长至2叶1心,在含有0.5 μmol/L CdCl2的Yoshida水稻营养液中处理14 d后,分别取其茎叶和根系,利用原子吸收光谱法进行Cd、Mn含量的测定,设置3次重复。卓234S和湘农恢1126的OsBADH2纯合突变单株和对照植株生长成熟后分别收获,随机选取20 g饱满籽粒磨粉,利用气相色谱-质谱联用仪测定香味物质2-AP含量,设置3次重复。
1.6 遗传背景分析
采用CTAB法提取纯合突变系及对照水稻叶片DNA,利用水稻品种鉴定技术规程(SSR)标记法 (NY/T 1433-2014)、多核苷酸多态性(Multiple Nucleotide Polymorphism, MNP)标记法(GB/T 38551-2020),分析纯合突变系与对照的遗传背景差异。
1.7 镉低积累卓两优1126的选育及表型鉴定
利用M2代获得的卓234S纯合突变系osnramp5246-8与湘农恢1126杂合突变系osnramp537-7配制组合,通过KASP分型鉴定出F1代 OsNRAMP5基因双等位突变组合单株;突变组合单株及对照2023年种植于镉污染土壤(土壤有效镉含量为0.677 mg/kg,pH 5.6),利用原子吸收光谱法测定成熟籽粒Cd含量,设置3次重复。
1.8 数据分析
采用SPSS 16.0统计软件(SPSS 16.0, SPSS Inc, Chicago, IL)进行t检验方差分析。
2 结果与分析
2.1 目标基因靶向捕获测序
表3 目标基因及靶向测序分析情况
Table 3.
目标基因 Target gene | 基因编号 Gene ID | 目标表型 Target phenotype | 外显子数 No. of exons | 目标区域覆盖度 Coverage of target area(%) | 平均测序深度 Average sequencing depth |
---|---|---|---|---|---|
OsNRAMP5 | Os07g0257200 | 镉低积累 Low cadmium accumulation | 13 | 100 | 53398× |
OsBADH2 | Os08g0424500 | 香味Aroma | 15 | 100 | 53086× |
OsLOX3 | Os03g0699700 | 耐储藏Storage-tolerance | 9 | 100 | 50202× |
OsPAO5 | Os04g0671300 | 耐淹 Submergence-tolerance | 10 | 100 | 54263× |
OsSSIIIa | Os08g0191433 | 低升糖指数 Low glycemic index (GI) | 14 | 100 | 54510× |
OsBEIIb | Os02g0528200 | 低升糖指数 Low glycemic index (GI) | 22 | 100 | 52192× |
表4 混池目标基因靶向测序捕获突变情况
Table 4.
目标基因 Target gene | 亲本 Parent | 混池编号 No. of the pool | 突变位置 Mutation site | 野生/突变基因型 Wild/mutant genotype |
---|---|---|---|---|
OsNRAMP5 | 卓234S Zhuo 234S | 217-288E | 第3外显子Exon 3 | C/CTTAA |
卓234S Zhuo 234S | 217-288W | 第3外显子Exon 3 | C/CTTAA | |
卓234S Zhuo 234S | 217-288E | 第3外显子Exon 3 | GA/G | |
湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 145-216S | 第3外显子Exon 3 | GCAGAT/G | |
湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 1-72N | 第1外显子Exon 1 | CTCAATCTCCAT/C | |
OsBADH2 | 卓234S Zhuo 234S | 145-216E | 第4外显子和第4内含子Exon 4/Intron 4 | CCTTGGTATTTCACATTTTTCT/C |
湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 217-238S | 第8外显子Exon 8 | GTT/G | |
OsLOX3 | 卓234S Zhuo 234S | 718-789W | 第7外显子Exon 7 | G/GC |
湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 73-144S | 第9外显子Exon 9 | GAAC/G | |
湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 73-144E | 第9外显子Exon 9 | GAAC/G | |
OsPAO5 | 卓234S Zhuo 234S | 504-575W | 第6外显子和第6内含子Exon 6/Intron 6 | CACTTACTTT/C |
卓234S Zhuo 234S | 1004-1040E | 第9外显子Exon 9 | ATGAT/A | |
卓234S Zhuo 234S | 991-1040W | 第9外显子Exon 9 | ATGAT/A | |
湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 73-144E | 第9外显子Exon 9 | GTAGCTCC/G | |
OsSSIIIa | 卓234S Zhuo 234S | 576-647E | 第13外显子Exon 13 | CTCG/C |
OsBEIIb | 卓234S Zhuo 234S | 863-932W | 第17外显子Exon 17 | GATGT/G |
217-288E:诱变M1群体第217~288行植株的东侧叶片样本混池;217-288W:诱变M1群体第217~288行植株的西侧叶片样本混池;其他混池编号,以此类推。
217-288E, Mixed pool of leaf samples from the eastern side of plants in line 217-288 of M1 population; 217-288W, Mixed pool of leaf samples from the western side of plants in lines 217-288 of M1 population. And so on, for other number of mixed pools.
2.2 KASP分型鉴定M1嵌合突变单株
图1
图1
目标基因突变混池的KASP基因分型
A~D分别代表OsNRAMP5基因不同突变位点基因分型;E, F 分别代表OsBADH2基因不同突变位点基因分型;G, H分别代表OsLOX3基因不同突变位点基因分型;I~K分别代表OsPAO5基因不同突变位点基因分型;L, M分别代表OsSSIIIa基因和OsBEIIb基因突变位点基因分型;A. 图中246-8代表诱变M1群体246行第8株(下同);蓝点/绿点代表野生基因型,红点代表突变基因型,灰点代表阴性对照;FAM和HEX分别代表两种不同颜色的荧光修饰标签。
Fig. 1.
KASP genotyping in the mixed pool of target gene mutations
A-D represent the genotyping of different mutation sites of OsNRAMP5 gene; E and F represent the genotyping of different mutation sites of OsBADH2 gene, respectively; G and H represent genotyping of different mutation sites of OsLOX3 gene, respectively; I-K represent genotyping of different mutation sites of OsPAO5 gene; L, M represent the genotyping of mutation sites in OsSSIIIa gene and OsBEIIb gene, respectively; In panel A, 246-8 represents the 8th plant in 246 rows of M1 population (the same below); Blue/green dots represent wild genotypes, red dots represent mutant genotypes, and gray dots represent negative controls; FAM and HEX represent fluorescently modified labels of two different colors, respectively.
表5 诱变M1突变株分蘖比例
Table 5.
基因 Gene | 品种 Variety | 突变株定位(行-株) Location of mutants (row-plant) | 突变分蘖占比 Proportion of tillers containing mutations |
---|---|---|---|
OsNRAMP5 | 卓234S Zhuo 234S | 246-8 | 18/18 |
OsNRAMP5 | 卓234S Zhuo 234S | 234-6 | 4/18 |
OsNRAMP5 | 湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 204-6 | 3/6 |
OsNRAMP5 | 湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 37-7 | 1/8 |
OsBADH2 | 卓234S Zhuo 234S | 168-1 | 3/18 |
OsBADH2 | 湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 224-8 | 1/6 |
OsLOX3 | 卓234S Zhuo 234S | 760-7 | 1/18 |
OsLOX3 | 湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 115-5 | 2/6 |
OsPAO5 | 卓234S Zhuo 234S | 549-5 | 1/18 |
OsPAO5 | 卓234S Zhuo 234S | 1028-4 | 5/18 |
OsPAO5 | 湘农恢1126 Xiangnonghui 1126 | 84-2 | 1/6 |
OsSSIIIa | 卓234S Zhuo 234S | 598-7 | 1/18 |
OsBEIIb | 卓234S Zhuo 234S | 931-5 | 4/18 |
2.3 诱变M2群体突变株的筛选及表型鉴定
对M2群体进行KASP基因分型筛选纯合突变株。在13个M1突变株第1次收获的M2代种子中(此外,对M1嵌合突变株均留蔸再生、收种),有7个鉴定到了目标基因纯合或杂合突变(图2)。其中,卓234S鉴定出纯合突变osnramp5246-8,osbadh2168-1和 osbe2b931-5,杂合突变oslox3760-7和ospao5549-5,湘农恢1126鉴定出纯合突变osbadh2224-8和杂合突变osnramp537-7。
图2
图2
M2群体的KASP鉴定及突变单株的Sanger测序验证
A, B:卓234S和湘农恢1126(R1126) M2群体OsNRAMP5基因KASP鉴定及突变单株Sanger测序验证,osnramp5246-8和osnramp537-7分别代表卓234S和湘农恢1126的OsNRAMP5基因突变单株; C, D:卓234S和湘农恢1126 M2群体OsBADH2基因KASP鉴定及Sanger测序验证,osbadh2168-1和 osbadh2224-8分别代表卓234S和湘农恢1126的OsBADH2基因突变单株;E~G:卓234S M2群体OsLOX3、OsPAO5和OsBEⅡb基因KASP鉴定及Sanger测序验证,oslox3760-7、ospao5549-5和osbe2b931-5分别代表卓234S的OsLOX3、OsPAO5和OsBEⅡb基因突变单株。图A中红点代表杂合基因型,蓝点代表纯合突变基因型,绿点代表野生基因型;图B~G中红点代表杂合基因型,绿点代表纯合突变基因型,蓝点代表野生基因型;红色椭圆形框内圆点代表目标基因纯合/杂合突变基因型。
Fig. 2.
KASP identification of M2 generation and Sanger sequencing of mutant plants
A and B, KASP identification of OsNRAMP5 gene in Zhuo 234S and Xiangnonghui 1126 M2 population and Sanger sequencing of mutants. osnramp5246-8 and osnramp537-7 represent mutant plant of OsNRAMP5 gene in Zhuo 234S and Xiangnonghui 1126, respectively; C and D, KASP identification of OsBADH2 gene in Zhuo 234S and Xiangnonghui 1126 M2 population and Sanger sequencing of mutants; osbadh2168-1and osbadh2224-8 represent mutant plant of OsBADH2 gene in Zhuo234S and Xiang Nonghui 1126, respectively. E-G, KASP identification of OsLOX3, OsPAO5 and OsBEⅡb gene in Zhuo 234S M2 population and Sanger sequencing of mutants. oslox3760-7, ospao5549-5 and osbe2b931-5 represented mutant plant of OsLOX3, OsPAO5 and OsBEⅡb gene of Zhuo 234S, respectively. In panel A, red dots represent heterozygous genotype, blue dots represent homozygous mutant genotype, green dots represent wild genotype. In panels B-G, red dots represent heterozygous genotype, green dots represent homozygous mutant genotype, blue dots represent wild genotype. The dots in the red oval box represent the homozygous/heterozygous genotype of target genes.
在M2、M3群体里筛选出OsNRAMP5基因和OsBADH2基因纯合突变单株。OsNRAMP5纯合突变株和对照植株经水培(0.5 μmol/L CdCl2溶液)处理后,分别取其茎叶和根进行Cd、Mn含量的测定。其中,卓234S-osnramp5246-8纯合突变系和对照茎叶的镉含量分别为1.87和7.8 mg/kg,锰含量分别为59.1和183.0 mg/kg(图3-A、B),根部的镉含量分别为4.8和90.3 mg/kg,锰含量分别为20.3和59.0 mg/kg(图3-C、D)。湘农恢1126-osnramp537-7纯合突变系和对照茎叶的镉含量分别为2.1和8.7 mg/kg,锰含量分别为48.3和207.0 mg/kg(图3-E、F);根部的镉含量分别为15.3 和93.1 mg/kg,锰含量分别为17.3 和55.3 mg/kg(图3-G、H)。
图3
图3
OsNRAMP5纯合突变株及对照Cd、Mn含量
A-D: 纯合突变不育系卓234S-osnramp5246-8及原始对照材料Cd、Mn含量;E-H:纯合突变恢复系湘农恢1126-osnramp537-7及原始对照材料Cd、Mn含量;*、**和***分别表示在0.05、0.01和0.001水平上的差异显著(t检验)。
Fig. 3.
Contents of Cd and Mn in homozygous mutant of OsNRAMP5 and control
A-D, Contents of Cd and Mn in homozygous mutant Zhuo 234S-osnramp5246-8 and its original control material; E-H, Contents of Cd and Mn in the homozygous mutant Xiangnonghui 1126-osnramp537-7and its original control material; *, **, and *** represent difference was significant at 0.05, 0.01, and 0.001 levels, respectively (t-test).
OsBADH2基因纯合突变株和对照植株生长成熟后分别收获,利用气相色谱-质谱联用仪测定籽粒香味物质2-AP含量,卓234S-osbadh2168-1和湘农恢1126-osbadh2224-8纯合突变系2-AP含量较对照均极显著上升(图4)。
图4
图4
OsBADH2纯合突变株及对照香味物质2-AP含量
***表示在0.001水平上的差异(t检验)。
Fig. 4.
2-AP content in M2 homozygous mutant of OsBADH2 and control
*** represent difference at the level of 0.001 (t-test).
2.4 纯合突变系与“底盘品种”遗传背景相似性分析
利用SSR标记法的48对核心分子标记和MNP标记法的1033个标记位点对纯合突变系及其原始对照品种的遗传背景开展相似性分析。结果表明卓234S-osnramp5246-8和湘农恢1126-osnramp537-7与对应的原始品种相似度均为100%。根据GB/T 38551—2020的判定标准,父、母本变异系与其原始品种均为“极近似品种或相同品种”。
2.5 OsNRAMP5突变组合表型鉴定
图5
图5
镉低积累卓两优1126与原始对照品种田间表型及盆栽籽粒镉含量
Fig. 5.
Field phenotype and cadmium content in grain of Zhuoliangyou 1126 with low cadmium accumulation compared with its original control
表6 镉低积累卓两优1126及其原始对照品种农艺性状比较
Table 6.
材料 Material | 株高 Plant height (cm) | 有效分蘖数 No. of effective tillers | 主穗长 Panicle length(cm) | 一次枝梗数 No. of primary branches | 二次枝梗数 No. of secondary branches |
---|---|---|---|---|---|
卓两优1126(对照) Zhuoliangyou 1126(CK) | 124.6±3.3 a | 13.2±1.3 a | 28.9±1.4 a | 18.2±1.3 a | 99.4±6.4 a |
镉低积累卓两优1126 Zhuoliangyou 1126 with low cadmium accumulation | 124.8±2.7 a | 13.6±1.1 a | 27.9±0.9 a | 19.0±0.7 a | 104.2±5.7 a |
材料 Material | 总粒数 Spikelets per panicle | 实粒数 Grains per panicle | 结实率 Seed setting rate(%) | 千粒重 1000-grain weight(g) | |
卓两优1126(对照) Zhuoliangyou 1126(CK) | 347.4±39.1 a | 301.6±28.9 a | 87.0±2.0 a | 22.9±0.4 a | |
镉低积累卓两优1126 Zhuoliangyou 1126 with low cadmium accumulation | 360.8±24.1 a | 316.8±19.6 a | 88.0±2.0 a | 22.9±0.5 a |
同列相同字母表示无显著性差异(P>0.05)。
Commor letters in the same column indicate no significant difference (P > 0.05).
3 讨论
2022年我们通过“重离子束辐射+M1TDS技术”成功对水稻“底盘品种”臻两优8612的镉积累特性进行了快速改良[12]。本研究通过一次重离子束诱变和6个目标基因的M1TDS靶向筛选,获得了其中5个目标基因突变新种质;在不到2年的时间内就同时完成了卓两优1126父本湘农恢1126和母本卓234S镉积累、香味等性状的改良;配制出镉低积累组合卓两优1126,其综合农艺性状及父母本遗传背景与原始对照品种(品系)无明显差异,实现了“底盘品种”目标性状快速定向改良。这种改良的高效性和速度,在以往的育种,包括通过各种理化诱变育种,甚至杂交、回交和分子标记辅助选择等育种方法也是很难做到的。“重离子束诱变+M1TDS技术”,综合了重离子束辐射的“高效变”、M1TDS技术高通量“精准选”的优势,解决了以往理化诱变育种难以定向获取目标突变、突变新种质难以快速稳定的两大难题。
本研究在诱变M1代鉴定到13株嵌合突变株,只有7株在M2群体中鉴定到了目标基因纯合或杂合突变。究其原因,M1的嵌合现象并非只存在于不同分蘖之间,叶片和生殖组织之间也可能存在嵌合现象,即使剑叶检出突变,对应分蘖所结种子也不一定有突变,嵌合体中只有发生在生殖细胞的突变才有可能遗传[5,31];加上理化诱变造成当代结实率的大幅下降[32-33],导致收获到的有限种子中,有可能没有目标突变。例如本研究中湘农恢1126的嵌合突变体湘农恢1126-osnramp5204-6,有一半的分蘖剑叶都带有目标突变,并收获到了大量的种子,却仍未能筛选到M2目标突变株,湘农恢1126-osnramp5204-6突变很可能仅存在体细胞中。本研究团队2019年利用M1TDS技术在诱变M1代筛选到目标基因突变,随后每年通过重离子束诱变和该技术获得了一系列镉低积累、香味等水稻新种质,但也经常遇到上述情况。为从M1嵌合突变体后代中尽可能多地获得可遗传变异新种质,经过多年实践发现:1)对M1嵌合突变株进行割蔸,再生出来的穗子结实率会提高;2)将携带突变的分蘖进行分蔸再生,从而产生更多分蘖,其收获的M2代种子通常携带目标基因纯合或杂合突变,此后目标突变就能稳定遗传且遵循孟德尔遗传规律。
M1嵌合突变体通常来自多个初始细胞,由于诱变的发生是单细胞事件,多个初始细胞带有不同的突变,所以通常情况是目标突变仅存在于少数分蘖中,且集中在目标突变扇形区[34]。本研究在湘农恢1126诱变群体仅有1904株的情况下,采用十字交叉四个方位对称取样,筛选到了仅含有一个目标突变分蘖的嵌合突变株R1126-osnramp537-7和R1126-osbadh2224-8,并在M2代成功获得镉低积累、香味纯合突变株。所以在考虑样品量和成本限制的情况下,对称取样法是在M1少量群体高效获得目标基因突变的有效策略。而卓234S的M1突变株osnramp5246-8的突变分蘖占比为18/18,即所有分蘖都携带OsNRAMP5基因突变。我们在之前的研究中也偶尔遇到过类似情况。这种现象的出现,可能是由于所有分蘖来自同一个存活初始细胞。
前人研究发现重离子束诱变技术具有“单点育种”(One-point breeding)的现象,即通过合适剂量重离子束辐照诱变后筛选到的突变体,可以在较短时间内直接成为一个新品种[8-9]。这一现象主要源自重离子束具有高LET的物理特性。有研究表明,等剂量的碳离子束与γ射线辐照细胞,如1 Gy的碳离子束在细胞中产生了四条效应径迹,而1 Gy的γ射线则在细胞内均匀地产生了2000多个能量作用点[32],这意味着碳离子束辐照在靶物质中释放的能量更集中、影响的区域更小。所以只要采用合适的剂量,细胞内仅有个别被重离子束“打中”的染色体区域发生突变,而其他遗传背景一般不受影响。本研究团队近几年重离子诱变育种获得变异的遗传稳定情况呈现“单点育种”特点,如镉低积累臻两优8612及其父母本,除了目标性状外较原始材料没有明显差异[22],本研究中获得的镉低积累卓两优1126也同样具有这个特点。
本研究通过“重离子束诱变+M1TDS技术”,在卓两优1126父母本诱变群体中,筛选出多个基因突变水稻新种质,不仅为水稻育种提供了新种源,还为在各种生物重离子束诱变定向遗传改良提供了成功范例和共性“底盘技术”参考。
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