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        玉米籽粒突變體crk4的基因克隆與等位性分析

        2023-08-24 12:55:30李萌園張文成秦永田薄仕榕宋琨洋湯繼華付志遠
        作物學報 2023年10期

        李萌園 張文成 高 勇 秦永田 薄仕榕 宋琨洋 湯繼華 付志遠,*

        玉米籽粒突變體的基因克隆與等位性分析

        李萌園1張文成2高 勇1秦永田2薄仕榕1宋琨洋1湯繼華1付志遠1,*

        1河南農業(yè)大學農學院 / 省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室 / 河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南鄭州 450046;2鶴壁市農業(yè)科學院, 河南鶴壁 458030

        籽粒突變體是克隆籽粒發(fā)育關鍵基因并解析其遺傳調控機制的重要材料。()是育種選系過程中發(fā)現(xiàn)的籽粒突變體, 與野生型相比, 其籽粒灌漿差、粒重和發(fā)芽率顯著降低。遺傳分析表明該突變由單個隱性核基因控制, 圖位克隆將該基因定位于玉米5號染色體614 kb的物理區(qū)間內, 該區(qū)間包含11個在籽粒中表達的蛋白編碼基因。序列分析表明,基因的第2個外顯子上存在一個由C堿基缺失造成的特異的終止突變。編碼金屬-煙酰胺轉運蛋白(Metal-nicotianamine transporter,), 是已報道的籽粒突變體的等位基因。等位性測驗結果表明,是/的一個新的等位突變體。的鑒定為闡明基因調控玉米籽粒發(fā)育的分子機制提供了新的種質資源。

        玉米; 籽粒突變體;; 圖位克隆;

        玉米是我國重要的食用、飼用和工業(yè)原料。玉米產量對保障我國糧食安全有重要意義, 而籽粒是決定玉米產量高低和品質優(yōu)劣的重要器官。因此, 對籽粒發(fā)育與灌漿關鍵基因進行克隆和功能研究, 不僅有助于闡明玉米籽粒發(fā)育形成的分子機制, 還能為高產優(yōu)質玉米育種提供基因資源。

        胚和胚乳是玉米籽粒的重要組成部分, 是雙受精的產物, 其中, 三倍體胚乳是營養(yǎng)物質的主要儲存組織, 二倍體胚是關鍵的生殖器官[1]。因此, 克隆并闡明控制籽粒發(fā)育的關鍵基因能夠為玉米產量的提高提供重要理論基礎。現(xiàn)階段, 已克隆的籽粒發(fā)育關鍵基因主要有以下幾種類型: 參與碳水化合物轉運的基因[2]、調控淀粉合成的基因[3-6]、影響蛋白質積累的基因[7-9]以及影響線粒體組裝和活性的基因[10-15]。此外, 參與糖類物質轉運的基因也是影響籽粒發(fā)育的一類重要基因, 如參與種子萌發(fā)過程中糖的運輸, 為淀粉生物合成提供葡萄糖[2]。轉運蛋白是一種完整的膜蛋白, 是植物體內物質運輸的重要元件。研究發(fā)現(xiàn)多個轉運蛋白家族參與植物代謝物穩(wěn)態(tài)的調控, 如糖轉運蛋白、金屬元素轉運蛋白等。糖轉運蛋白家族包括單糖轉運蛋白(MST)家族、蔗糖轉運蛋白(SUT)家族、硝酸鹽轉運蛋白1/多肽轉運蛋白(NRT1-PTR)家族等[16-19]。除此之外還有可以運輸金屬元素的轉運蛋白, 如CRT/COPT類型的轉運蛋白、P型重金屬ATPase、寡肽轉運蛋白(OPT)家族等, CRT/COPT家族成員包含3個跨膜結構域, 而且是高度特異的銅轉運蛋白; P型重金屬ATPase可以運輸銅、鋅、錳等離子; 寡肽轉運蛋白(OPT)家族成員有助于鐵、銅、鋅、鎳、鎘、錳的運輸[20-22]。是玉米發(fā)現(xiàn)的第1個YSL類寡肽轉運蛋白, 能夠將根部從土壤中吸收的鐵元素, 遠距離運輸至植物的其他部位并重新分配[20]。在水稻生殖發(fā)育過程中表達, 參與籽粒中鐵元素的運輸[23]。盡管現(xiàn)有的研究已在很大程度上豐富了籽粒發(fā)育的遺傳機理, 但籽粒發(fā)育是一個復雜的生物學過程, 需要以籽粒突變體為材料挖掘更多的調控基因。

        本研究以玉米育種選系過程中發(fā)現(xiàn)的籽粒突變體為試驗材料, 通過遺傳分析、圖位克隆和等位性測驗明確其候選基因是編碼金屬-煙酰胺轉運蛋白的/基因。作為/基因的一個新的等位突變體, 為解析調控籽粒發(fā)育分子機理提供了新的遺傳材料。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        以育種選系過程中發(fā)現(xiàn)的籽粒自然突變體及其與常規(guī)自交系Mo17組配的F2分離群體為試驗材料。等位性測驗所用突變體由中國科學院大學陳化榜教授課題組提供。

        1.2 表型鑒定和遺傳分析

        統(tǒng)計成熟F2分離果穗上的突變籽粒和野生型籽粒的數目, 通過卡方測驗明確突變性狀是否為單基因控制的突變。對同一F2分離果穗上的野生型和突變籽粒的粒長、粒寬、粒厚(=10)和百粒重(=100)進行量化分析, 每個樣本5個生物學重復。

        1.3 圖位克隆

        采用SLS法提取Mo17、及F2分離群體中的突變籽粒和野生型籽粒的基因組DNA, 等摩爾數混合構建顯性池(10個野生型籽粒)和隱性池(10個突變籽粒)。利用均勻分布于玉米10條染色體的276對InDel (Insertion/Deletion)標記, 對Mo17、、顯性池和隱性池進行連鎖分析。在初步定位的基礎上, 擴大作圖群體并繼續(xù)開發(fā)新的連鎖標記, 對目的基因進行精細定位(表1)。PCR擴增體系(10 μL)為: 2×Master Mix 5 μL、上游和下游引物(10 μmol L–1)各0.5 μL、20 ng μL–1基因組DNA 1 μL、超純水3 μL。PCR擴增程序為: 95℃預變性3 min, 95℃變性30 s, 65℃退火30 s, 72℃延伸45 s, 8個循環(huán), 每個循環(huán)退火溫度降1℃, 95℃變性30 s, 58℃退火30 s, 72℃延伸45 s, 28個循環(huán), 72℃延伸10 min。PCR產物在4%的瓊脂糖凝膠上電泳檢測。

        表1 基因定位引物

        (續(xù)表1)

        1.4 候選基因預測與等位性測驗

        以B73參考基因組(http://www.maizegdb.org/)為對照, 對候選區(qū)段內的基因進行注釋。候選區(qū)間內有2個已報道的影響籽粒大小的基因和, 利用30 μL的PCR反應體系對其DNA序列進行擴增, 體系包含2×Plus Master MixII 15 μL、上游和下游引物(10 μmol L–1)各1.2 μL、基因組DNA 2 μL、超純水10.6 μL; PCR擴增程序為: 95℃預變性3 min; 95℃變性30 s, 58℃退火30 s, 72℃延伸120 s, 35個循環(huán); 72℃延伸10 min。根據PCR產物和克隆測序結果, 初步確定在中具有特異核苷酸變異的基因為目的基因。利用該基因的已知突變體材料與進行等位性測驗, 通過表型統(tǒng)計、卡方測驗和測序分析明確二者是否為等位基因的突變。

        2 結果與分析

        2.1 crk4的表型分析

        與野生型籽粒相比,的籽粒小且皺縮(圖1- A), 其粒長、粒寬和粒厚分別是野生型籽粒的97.2%、90.4%和68.1% (圖1-B, C), 導致其百粒重僅有野生型籽粒的33% (圖1-D)。為明確突變籽粒的內部結構變化, 對成熟籽粒進行縱切和橫切觀察, 發(fā)現(xiàn)的胚較野生型小、胚乳較野生型少, 尤其是硬質胚乳顯著減少(圖1-E, F)。胚和胚乳的異常往往影響種子的萌發(fā), 進一步的種子萌發(fā)試驗表明,籽粒發(fā)芽率為23.3%, 較野生型降低75.9% (圖1-G)。綜上表明,突變造成胚和胚乳發(fā)育異常, 進而影響種子的粒重和發(fā)芽率。

        圖1 crk4的表型分析

        A: Mo17×F3分離果穗, 紅色箭頭表示籽粒, 標尺為1 cm; B: 野生型和的代表性籽粒比較, 標尺為1 cm; C: 野生型和籽粒的粒長、粒寬、粒厚比較; D: 野生型和的百粒重比較, 5次重復; E: 野生型和籽粒的縱切比較, 標尺為1 cm; F: 野生型和籽粒的橫切比較, 標尺為1 cm; G: 野生型和籽粒的芽率比較。柱狀圖均以平均值±標準誤差表示, *: 差異顯著性水平< 0.05; **: 差異顯著性水平< 0.01; ***: 差異顯著性水平< 0.001。

        A: segregation ears of Mo17×F3. The red arrows indicatekernels; bar: 1 cm. B: the comparison WT andkernels; bar: 1 cm. C: the comparison of kernel length, width, and thickness between WT and. D: the comparison of 100-kernel weight between WT andwith five replicates. E: the comparison of the longitudinal section between WT andkernels; bar: 1 cm. F: the comparison of the transverse section between WT andkernels; bar: 1 cm. G: the comparison of germination rate between WT and. Values are represented as means ± SEs on histogram, *:< 0.05; **:< 0.01; ***:< 0.001.

        2.2 crk4的遺傳分析及基因定位

        對Mo17與的F2分離果穗進行統(tǒng)計分析, 發(fā)現(xiàn)分離果穗上正常籽粒和突變籽粒均符合3∶1的孟德爾分離比(表2), 說明的籽粒突變是由單個隱性核基因控制。

        采用BSA (Bulk segregant analysis, 集團分離分析方法), 通過對276對InDel標記進行連鎖分析, 將目的基因初步定位于5號染色體上的InDel標記S09840和S10118之間。在此區(qū)間內開發(fā)新的標記, 通過多態(tài)性篩選和連鎖分析鑒定到15對連鎖標記(表1), 進一步利用2641個突變籽粒將目標區(qū)間縮小至標記5-41和873-1之間的614 kb的物理區(qū)間內(圖2-A)。

        2.3 候選基因分析

        玉米B73參考基因組中, 614 kb的物理區(qū)間內共有11個在籽粒中表達且有注釋的蛋白編碼基因(表3)。其中,和是已報道的2個與籽粒發(fā)育相關的基因。(U6 biogenesis like1, Ubl1)編碼一個玉米2H磷酸二酯酶超家族的RNA外切酶, 該酶顯著影響小核RNA (SnRNA) U6的水平和3'末端組成, 其功能喪失造成mRNAs剪接缺陷[25];(Metal-nicotianamine transporter, YSL2/Sh4-shrunken4)編碼金屬-煙胺轉運蛋白, 該轉運蛋白控制鐵元素的積累進而影響糊粉細胞特性和淀粉合成[24]。因此, 分別利用(2271 bp)特異的5對引物和(2989 bp)特異的4對引物對其DNA進行全長測序(表4)。序列比對結果表明,的基因序列在野生型和之間無多態(tài)性, 而的基因序列在野生型和之間僅存在位于第2個外顯子上的一個C堿基的缺失, 該堿基缺失造成移碼突變(圖2-B), 導致編碼的氨基酸提前終止, 喪失561個氨基酸結構域, 產生包含氨基酸的截短蛋白(圖2-C)。與HapMap2比對后發(fā)現(xiàn)該堿基缺失是特異的, 故將作為控制籽粒突變表型的目的基因。

        表2 F2分離果穗的籽粒表型統(tǒng)計

        χ20.05=3.84.

        (圖2)

        A:的圖位克隆, 紅色數字代表交換單株的數目, 黑色數字代表群體大小;最終定位在5號染色體的614 kb的范圍內, 11個基因在籽粒中表達, 其中紅色箭頭表示目的基因; B:基因結構示意圖, 其中黑框表示外顯子, 黑線表示內含子, 紅色箭頭表示的突變位點, 黑色箭頭依次表示等位突變體,的突變位點; C: CRK4蛋白的結構域示意圖。

        A: map-based cloning of. The red number represents recombinants, and black number represents the population size. Theis loca-lized within a 614 kb interval on chromosome 5, containing 11 genes expressed in kernels. The target gene is indicated with red color. B: the schematic diagram of the structure ofgene. Black box represents exon, black line represents intron, red arrow indicates the mutation site in, and black arrow indicates the mutation site in allelic mutants ofand. C: the schematic diagram of the CRK4 protein with the conserved domains.

        表3 候選區(qū)間內的基因注釋

        表4 候選基因測序引物

        2.4 crk4與ysl2的等位性測驗和突變位點驗證

        為驗證是否是導致籽粒突變的目的基因, 將基因的雜合子與雜合子進行正反交。雜交結果顯示, 正交果穗和反交果穗上均出現(xiàn)1/4的類突變籽粒(圖3-A, B, C), 且突變籽粒均包含在和中的2個突變位點(圖3-D), 說明與二者的突變表型是連鎖的,與是基因的等位突變。因此,是造成籽粒突變的目的基因。

        圖3 crk4與ysl2的等位測驗

        A:×雜交果穗上的籽粒性狀, 標尺為1 cm; B:×雜交后代果穗上的籽粒性狀, 標尺為1 cm; C:×和×雜交果穗上的籽粒分離統(tǒng)計; D~E: 正反交果穗上突變籽粒的測序結果, D為中的突變位點檢測, E為中的突變位點檢測。

        A: kernels on/+×/+ hybrid ears, bar: 1 cm. B: kernels on/+×/+ hybrid ears, bar: 1 cm. C: segregation statistics of kernels on/+×/+ and/+×/+ hybrid ears. D–E: mutation sequencing ofin mutant kernels from ears of double heterozygotes ofand. D is forinand E is forin.

        3 討論

        是玉米籽粒自然突變材料, 與野生型相比, 突變籽粒的胚和胚乳明顯變小, 在粒長、粒寬、粒厚以及發(fā)芽率等方面顯著降低。圖位克隆和測序分析發(fā)現(xiàn)可能是的目的基因, 該基因編碼包含14個跨膜結構域的金屬-煙胺轉運蛋白, 是Yellow stripe-like (YSL)類轉運蛋白, 屬于寡肽轉運蛋白(OPT)家族[25-27]。

        已報道的基因突變體有2種: 一是突變體,的第5個外顯子上一個由T到G的單堿基突變導致亮氨酸轉化為精氨酸; 二是突變體,的第8個外顯子上一個C堿基的插入導致蛋白翻譯提前終止。與已報道的突變方式不同, 本研究發(fā)現(xiàn)的突變體在的第2個外顯子上缺失1個堿基C, 造成蛋白翻譯導致提前終止, 產生失去Metal- nicotianamine transporter YSL-like結構域的截短蛋白, 限制其正常功能的發(fā)揮, 是的一種新的突變類型。

        突變體的主要特征是胚乳塌陷、胚小,基因突變阻斷了胚乳中鐵的轉運, 在調節(jié)籽粒中鐵的分布和發(fā)育方面起關鍵作用, 影響蛋白質、淀粉的積累和線粒體的正常功能, 最終導致籽粒變小[26]。突變體以籽粒淀粉缺乏為特征, 表現(xiàn)為胚乳縮小、糊粉層和淀粉胚乳發(fā)育不良,是糊粉細胞發(fā)育和胚乳淀粉積累所必需的, 調控糊粉細胞的發(fā)育, 影響淀粉胚乳細胞的正常功能, 此外,還參與調節(jié)鐵在胚和胚乳之間的分配[25,28-29]。的典型特征是胚和胚乳塌陷, 淀粉含量顯著減少。淀粉合成主要發(fā)生在淀粉體中, 而淀粉體是一種富含鐵的細胞器, 高水平的鐵積累是維持胚乳細胞中淀粉體正常活性所必需的[30-31]。因此,的籽粒胚和胚乳缺陷可能也是由鐵的積累減少引起的。綜上表明, 玉米/基因的不同突變方式, 可能會導致籽粒中淀粉含量產生明顯差異; 適度提高該基因的表達水平, 有利于促進胚和胚乳發(fā)育, 提高鐵元素的積累, 從而增加籽粒的產量。因此挖掘調控胚和胚乳中鐵元素分配的關鍵基因的不同等位突變能夠為籽粒發(fā)育遺傳研究提供更多的材料, 為高產玉米新品種培育提供基因資源。

        4 結論

        本研究鑒定到/基因的一個新的等位突變體, 該突變體的胚和胚乳發(fā)育異常, 成熟籽粒皺縮, 百粒重和發(fā)芽率顯著降低。遺傳分析表明由單個隱性核基因控制, 圖位克隆和等位性測驗結果表明/是控制該突變的目的基因, 該基因第2個外顯子上一個C堿基缺失產生的終止突變是造成突變表型的核心變異。的發(fā)現(xiàn)是解析調控胚乳發(fā)育分子機制的新的遺傳材料。

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        Map-based cloning and allelic analysis of gene controlling maize kernel mutant

        LI Meng-Yuan1, ZHANG Wen-Cheng2, GAO Yong1, QIN Yong-Tian2, BO Shi-Rong1, SONG Kun-Yang1, TANG Ji-Hua1, and FU Zhi-Yuan1,*

        1National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science / Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops / College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, Henan, China;2Hebi Academy of Agricultural Sciences, Hebi 458030, Henan, China

        Kernel mutants are the important materials for cloning genes related to grain development and analyzing their genetic regulation mechanism.(crumpled kernel 4) is a kernel mutant identified in the course of maize breeding and selection. Compared with the wild type,showed significantly lower in grain filling, grain weight, and germination rate. Genetic analysis showed that the mutant was controlled by a single recessive nuclear gene, which was mapped to a 614 kb physical distance on chromosome 5 by map-based cloning. In the 614 kb interval, 11 protein-coding genes were expressed in kernel. Sequence analysis revealed that there was a-specific termination mutation in the second exon ofgene, which is caused by the deletion of C base.encoded the metal-nicotianamine transporter (/), which had been reported as the target gene of kernel mutant. The allelism test indicated thatwas a new allele mutant of/. The identification ofprovided a new germplasm for elucidating the molecular regulation mechanism ofon seed development in maize.

        maize; kernel mutant;; map-based cloning;

        10.3724/SP.J.1006.2023.33004

        本研究由河南省重點研發(fā)與推廣專項(科技攻關)項目(232102111080)資助。

        This study was supported by the Key Technology Research and Development Program of Henan Province (232102111080).

        付志遠, E-mail: fuzhiyuan2004@163.com

        E-mail: 18839774957@163.com

        2023-01-14;

        2023-04-17;

        2023-04-24.

        URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230424.0928.006.html

        This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

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