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植物科学前沿一周快讯(2016年9月12日)

2016-09-13

 
杂交稻的高产来自对水稻杂种优势现象的有效利用,在一些优异的杂交配对组合中,杂交稻的产量表现可以大大超越它们的纯合亲本。杂种优势的产生是由双亲基因组互作的结果,是一种复杂的生物学现象,然而这一现象背后的遗传机理一直以来不完全清楚。只有深入了解杂种优势的遗传基础,才能实现杂种优势的高效利用,推动育种技术的变革。近日,来自植物生理生态研究所国家基因研究中心韩斌研究组(http://sedu.sibs.ac.cn/daoshi/2004/display.asp?ID=77 )、黄学辉研究组(http://sedu.sibs.ac.cn/daoshi/2004/display.asp?ID=590 )通过大量的杂交稻品种材料的收集以及对多套代表性杂交稻遗传群体进行基因组分析和田间产量性状考察,全面、系统地鉴定出了控制水稻杂种优势的主要遗传(数量性状或基因)位点,详细剖析了三系法、两系法和亚种间杂种优势的遗传机制。研究表明,这些遗传位点在杂合状态时大多表现出不完全显性,通过杂交育种产生了全新的基因型组合,从而在杂交一代高效地实现了对水稻花期、株型、产量各要素的理想搭配,形成杂种优势。如传统三系杂交稻组合中,父本(恢复系)聚集了较多的优良等位基因,综合性状配置优良;在此基础上,来自母本(不育系/保持系)的少数等位基因则进一步改善了水稻植株的结实率、穗粒数(如hd3a基因)及株型(如tac1基因),实现了杂交组合子一代的优势表现。这些发现对推动杂交稻和常规稻的精准分子设计育种实践有重大意义。利用这项研究成果,科研人员有望进一步优化水稻品种的杂交改良,实现对亲本材料的高效选育和配组,服务于具有高配合力特性的亲本材料和聚合双亲优点的常规稻材料的创制和改良,选育出更加高产、优质和多抗的水稻种质资源。
 
 
 
CRISPR/Cas9技术在生命科学领域掀起了一场全新的技术革命.然而对植物内源基因进行更为精确地修饰,如基因定点替换以及基因的定点插入等,仍然具有极大的挑战性,严重限制了CRISPR/Cas9技术在植物基因组学研究和农作物分子设计育种中的应用。草甘膦是目前世界上使用量最大的除草剂,因此研制草甘膦抗性的农作物新品种是国内外种子公司和科研单位的研究热点。中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组(http://sourcedb.genetics.cas.cn/zw/zjrck/201001/t20100112_2725447.html)和李家洋研究组(http://sourcedb.genetics.cas.cn/zw/zjrck/200907/t20090721_2130992.html)合作利用在修复途径中占主导地位的非同源末端连接(NHEJ)修复方式在水稻中建立了基于CRISPR/Cas9技术的基因替换以及基因定点插入体系。该研究通过在水稻5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶基因(OsEPSPS))的第一内含子和第二内含子中分别设计一个有活性的靶位点并将两个靶位点构建到一个敲除载体中,同时构建了含有碱基定点替换(C518-T、C529-T和A531-G )的片段作为供体载体,且替换片段两端含有与敲除载体中相同的靶位点;利用基因枪法将敲除载体与供体载体共同转化水稻愈伤组织,由于水稻基因组和供体载体中都含有上述靶位点,敲除载体在基因组上切割产生两个DNA双链断裂、同时切割供体载体产生含有碱基定点替换的DNA片段;利用NHEJ修复方式,含有碱基定点替换的DNA片段替换原来基因组中位于两个靶位点之间的DNA片段,在水稻基因组中实现了基因的定点替换,基因定点替换的效率为2.0%;类似的,在水稻基因组中实现了基因的定点插入,基因定点插入的效率为2.2%。利用建立的基因定点替换和定点插入两种策略,实现了水稻内源OsEPSPS基因保守区两个氨基酸的定点替换(T102I和P106S, TIPS),在T0代获得了TIPS定点替换的杂合体,对草甘膦具有抗性。传代分析结果表明EPSPS基因TIPS突变稳定遗传到下一代。该研究利用修复途径中占主导地位的NHEJ修复方式,在植物中建立的基因定点替换及定点插入策略具有简单、高效以及广适性的优点,大大拓展了CRISPR/Cas9技术在植物中的应用,为植物基因功能的解析和农作物分子设计育种提供了一个全新的技术路线。
 
 
 
油菜在植物分类上属于十字花科芸薹属(Brassica genus),是世界广泛种植的油料作物。这类植物拥有三个二倍体基因组和三个异源多倍体基因组。迄今为止,人们还不清楚油菜如何通过多倍性进化出重要的农业性状。浙江大学的张明方教授和Nebraska大学的Sally A Mackenzi领导的研究团队使用鸟枪和单分子测序数据组装了芥菜型油菜的基因组,生成了基因组和遗传图谱。他们发现,芥菜型油菜和甘蓝型油菜(Brassica napus)的A基因组有各自独立的来源。芥菜型油菜、甘蓝型油菜和白菜型油菜是油用油菜的三种主要类型。异源多倍体芥菜型油菜的亚基因组之间出现了被称为Homoeolog expression dominance的现象。这种现象是指,与中性基因相比差异性表达的基因有更大的选择潜力。研究指出,芥菜型油菜的Homoeolog expression dominance促进了硫代葡萄糖苷和脂类代谢基因的选择。十字花科基因组之间的这种关系与自然选择有关,可以预测多倍体作物基因组中自然选择的效果。
 
 
 
脱落酸(ABA)作为一种逆境响应激素,在植物与逆境抗争中起到了举足轻重的作用。已发现两个同源的转录调控因子(OsbZIP23和 OsbZIP46)在促进ABA信号传导和抗旱性方面有重要功能。近日,来自华中农业大学的熊立仲教授的研究团队(http://ibi.hzau.edu.cn/clstest/researchers.php?id=199)进一步的研究揭示了水稻干旱应答的一个精巧的调控模式:在遭遇干旱胁迫时,水稻大量诱导 并激活正调控因子OsbZIP46,促进干旱应答;在干旱胁迫末期以及恢复期,负调控因子MODD的表达量增加并双重抑制OsbZIP46的活性和稳定性,从而减弱或消除干旱应答并将其控制在合理程度,以实现干旱应答与其他生理进程的平衡。该研究揭示了水稻通过精细调控正负调节因子之间的拮抗作用,来实现高效合理的干旱应答的新机制,为后续水稻抗旱遗传改良提供了新思路。
 
 
 
植物蔗糖非发酵-1相关激酶2(SnRK2)家族是脱落酸依赖和非依赖信号通路的核心,也参与调节植物非生物逆境。研究人员最近克隆了水稻SnRK2家族基因SAPK9,研究表明SAPK9在抗旱水稻中表达更高,生殖期比营养期表达更高。最高表达量发现于叶片中,受到干旱胁迫和ABA处理时,基因发生上调。野生稻来源的SAPK9在干旱敏感的籼稻中过表达,比野生品种的抗旱性提高。研究表明SAPK9是水稻ABA-介导的胁迫信号通路的正向调节子,过表达品系产量提高等相关性状是过表达品系花粉高受精率的结果。