336抗逆育种与减灾国家地方联合工程实验室

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工程实验室与中国农科院合作研发基因编辑玉米育种新技术取得新进展

  2019-05-18  发布于  科研进展  栏目中  浏览次数  

  禾本科作物玉米作为C4植物,具有高光合效率特性,将太阳能转化成淀粉成为前世界上种植面积与产量一大粮食作物。利玉米高产与广适优点,围绕淀粉代谢途径开多更符合人类需求的品种类型,进一步挖掘系列功能与用途化产品具有重要的意义与价值。

近日,作物抗逆与减灾国家地方联合工程实验室中国农业科学院作物科学研究所合作,利用基因编辑技术创制与超甜糯复合型鲜食玉米种技术,该研究克服了传统超玉米育种中仅通过回交导入少数已现的然突变局限,并同时解决了同一代谢途径中上基因对下游基因上位效应对育种选择的困扰,为高效培育超甜玉米、糯玉米、以及甜糯复合型玉米品种提供技术策略,相关成果以“Super-sweet and waxy: meeting the diverse demands for specialty maize by genome editing” 为题发表于国际流学术物技术期刊《植物生物技术杂志(Plant Biotechnology Journal)》上。

玉米光合同化机制把太阳能转化成化学能合成的单糖与寡糖运输到籽粒胚乳细胞质并在蔗糖合酶和和脲苷二磷酸(UDP)葡萄糖焦磷酸化酶作用下水解形成1-磷酸葡萄糖,之后在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)作用下生成淀粉合成的主要底物腺苷二磷酸葡萄糖(ADP-Glucose), Shrunken2SH2)基因编码AGPase大亚基(图a),位于淀粉合成途径的上游,对下游基因具有上位效应,突变导致籽粒胚中可溶性糖积累,形成超甜表型,是超甜型玉米育种主要目标基因。WX基因编码颗粒结合型淀粉合成酶(GBSSI),催化生成直链淀粉,该酶失活将导致直链淀粉合成途径受阻,在籽粒胚乳与花粉中主要生成支链淀粉。该研究构建同时靶向玉米WXSH2基因的CRISPR/Cas9基因编辑系统(图b),在后代中高效分离SH2WX单基因与双基因突变的突变系(图c,d),从而实现超甜玉米与糯玉米材料的高效创制,同时,利用玉米单交种特性将双隐性突变(sh2sh2wxwx)系与单隐性突变(SH2SH2wxwx 杂交,验证了超甜与糯性复合型玉米的玉米育种途径(图e,f)。表型鉴定结果表明(图f,g,i,j),WX基因单隐性突变系(SH2SH2wxwx)支链淀粉含量超过96%(图i),双隐突变系(sh2sh2wxwx)与单隐突变系(sh2sh2)授粉22天后籽粒可溶性糖含量超过鲜重10%;进一步将创制的双隐突变(sh2sh2wxwx)株系与单隐突变(SH2SH2wxwx)株系进行杂交,该F1果穗上同时具有超甜型籽粒(sh2sh2wxwx)和糯性籽粒(SH2-wxwx),且经鉴定超甜籽粒和糯性籽粒具有1∶3分离比(图f),为穗上甜糯1∶3复合型鲜食玉米品种,其可溶性糖含量显著(p<0 .05)高于糯性单隐突变(图g)。因此,能够满足人们对超甜与糯性复合风味的鲜食玉米的需求。该研究为通过基因编辑创制鲜食玉米提供了范例,该策略还可拓展到su1su2、sh1sh2sh4bt1bt2等诸多基因的利用当中,结合这些突变将可培育具有不同甜糯表型分离比的特用杂交种品种。

安徽农业大学生命科学学院2016级博士生祁显涛与中国农科院2015级研究生董乐为本文共同第一作者,中国农业科学院作物科学研究所谢传晓研究员、毛龙研究员及安徽农业大学生命科学学院程备久教授为通讯作者。安徽农业大学为本文第一署名单位。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13144

 

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