甘蓝型油菜开花期候选基因的转基因验证

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huili1012
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甘蓝型油菜(Brassica napus L.)是全球最重要的油料作物之一,具有重要的科学研究和实用价值。提高油菜产量一直是油菜研究的首要目标,而开花时间是影响产量的重要因素,甘蓝型油菜在合适的时间开花,不仅能够保证其产量和品质,也能够扩大其种植区域,所以开展开花期的研究对于油菜育种来说具有重大意义。本研究利用前人全基因组关联分析(GWAS)中的开花期候选基因作为验证对象,筛选了18个开花期候选基因,命名为ZH1-ZH18,并对ZH1-ZH18进行生物信息学分析发现ZH7(BnaSVP)和ZH15(BnaSEP1)为MIKC型MADS-box家族成员,其家族中大多数功能已知的基因与开花相关。利用CRISPR/Cas9基因编辑和超表达技术来验证基因的功能,构建了18个敲除载体转化甘蓝型油菜Westar,同时从18个候选基因筛选出6个基因构建超表达载体转化拟南芥和Westar,并考察转基因后代开花期表型。主要结果如下:1、对MIKC型MADS-box基因家族进行分析发现,其家族成员与花发育或花期调控相关。在Westar基因组中鉴定了172个MIKC型MADS-box基因,将这172个基因与39个拟南芥MIKC型MADS-box基因共同构建系统发育树,211个基因根据花发育模型分为6类(A、B、C、D、E、H),其中拟南芥与甘蓝型油菜同源基因能够聚在相同的分枝上。对172个基因进行染色体定位显示83个基因分布在A基因组上,86个基因分布在C基因组上,3个基因分布在随机染色体上,可见MIKC型MADS-box基因家族在Westar基因组上分布比较平均。进行motif、domain、基因结构分析显示:motif 1、motif 2、motif 3、motif 4、motif 5、motif 7 6个motif高度保守;MIKC型MADS-box家族的K-box domain和MADS domain在大多数基因中同时存在;同一类或同一亚家族内基因结构相对保守,大多数基因含有6-7个外显子,5-6内含子。E类基因中SEP1,H类基因中SVP是本课题组GWAS研究得到的开花期候选基因。2、对CRISPR/Cas9敲除转基因植株和超表达转基因植株进行阳性检测发现:17个基因的CRISPR/Cas9敲除转基因植株平均阳性率为93.11%;BnaA02.FY、BnaA04.SPL9、BnaA05.COL9、BnaC09.COL4、BnaA10.CO 5个基因T0代超表达转基因植株的平均阳性率为98.59%。利用HI-TOM高通量测序对T0代CRISPR/Cas9敲除阳性植株进行编辑情况的检测:BnaFY、BnaLD、BnaSPL9、BnaCOL9、BnaCOL4、BnaSVP、BnaCSTF64、BnaCO、BnaSPL8、BnaSEP1 10个基因的平均编辑效率为72.27%,靶点一与靶点二在大多数基因中编辑效率差异较大。通过编辑类型统计发现插入、缺失、置换、复杂突变平均效率分别为41.67%、22.78%、2.89%、32.66%,编辑类型多为插入和复杂突变,且在A/T碱基对上发生突变的概率比C/G碱基对上发生突变的概率高。3、对拟南芥和Westar超表达转基因株系进行定量分析,其转基因株系在拟南芥和Westar中表达量相比于野生型都显著提高,选取表达量显著提高的单株考察表型:BnaA02.LD遗传转化拟南芥得到早花表型,花期提前3天;BnaA05.COL9、BnaC05.COL9遗传转化拟南芥得到晚花表型,花期延迟分别为5天和3天;BnaA05.COL9遗传转化Westar得到晚花表型,花期延迟12-17天,BnaA10.CO遗传转化Westar得到早花表型,花期提前11-18天。4、BnaSVP在油菜中有4个同源拷贝(BnaA09.SVP、BnaC08.SVP、BnaA04.SVP、BnaC04.SVP),对其进行敲除后,svp突变体在室内和室外两个环境中都表现为早花,通过花期统计发现在温室环境中svp突变体和野生型的花期差异为8-31天。利用HI-TOM高通量测序发现:所有同源拷贝双靶点同时发生纯合突变对花期差异影响最大(最大花期差异为31天);所有同源拷贝双靶点发生突变,但有单个靶点发生杂合突变时花期差异减弱(最大花期差异为21天);当多个同源拷贝双靶点出现杂合突变又会使花期差异减弱(最大花期差异为9天);当只有两个同源拷贝发生编辑时,其花期和野生型相比没有差异。对svp突变体中的4个同源拷贝和通路相关基因(FT、SOC1、GA20OX2、TFS1)进行荧光定量分析发现4个同源拷贝的表达量相比野生型都显著降低,造成BnaSVP抑制开花的效应减弱;FT、SOC1的表达量相比野生型显著提高,如ZH7-7-2单株中FT和SOC1的表达量分别提高了60倍和6倍,使其花期提前了29天。综上所述,BnaLD和BnaCO在甘蓝型油菜中能够促进开花,BnaCOL9和BnaSVP能够抑制甘蓝型油菜开花,本研究中编辑的其他基因在油菜中未观察到花期表型的变化,其功能还有待进一步研究。
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