CN101904297A - 基于水稻的osms4突变体的制种、繁种及两系杂交育种方法 - Google Patents

基于水稻的osms4突变体的制种、繁种及两系杂交育种方法 Download PDF

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Abstract

一种生物技术领域的一种基于水稻的OsMS4突变体的制种、繁种及两系杂交育种方法，通过采用60Coγ射线诱变粳稻9522种子，对诱变的F2代中一雄性不育突变体三代回交，获得隐性单基因调控的稳定遗传的OsMS4突变体。本发明利用OsMS4基因突变，在日照时间较短的条件下，表现为花药发育异常，小孢子不能进行正常第二次有丝分裂，花粉完全败育，表现出完全雄性不育，可以用作杂交育种中的雄性不育系，从而利用该雄性不育植株OsMS4进行两系法杂交水稻育种；通过改变光照条件，获得自交种子，从而保持该不育系。

Description

基于水稻的osms4突变体的制种、繁种及两系杂交育种方法
技术领域
本发明涉及的是一种生物技术领域的应用，具体是一种基于水稻的osms4突变体的制种、繁种及两系杂交育种方法。
背景技术
雄性不育系：是指一种雄性生殖器官发育异常或退化(主要是花药或花粉退化)但雌蕊生殖器官发育正常的母本水稻材料，由于花药或花粉早期发育异常造成无花粉型或无生活力花粉，不能自花授粉结实，只有依靠外来花粉才能受精结实，因此借助这种母水稻作为遗传工具，通过人工辅助授粉的方法，就能产生大量杂交种子。从育种战略上看，杂交水稻的发展可以分为三系法、两系法和一系法三个发展阶段。每进入一个新阶段，都是育种上的一次突破，从而会把水稻的产量提高到一个新台阶。三系杂交水稻的研究成功及其在生产上的广泛应用，为我国的粮食生产作出了巨大贡献。但由于受到细胞质生物遗传方面的制约，三系杂交水稻的研究近年来并没有取得很大突破性的进展。自从两用核不育系发现以后，杂交水稻的产量水平又产生了一个新的飞跃。超级杂交水稻的研究成功并在生产上大面积试种，表明两系法比三系法具有更高的生长优势和增产潜力。迄今，其中已获成功的是以利用光、温敏核不育系作为遗传工具的两系法杂交水稻。
光温敏两系杂交水稻不需要保持系，种子生产简单，生产成本低，而且两系杂交稻亲本间无恢复系与保持系的限制，可以自由组合，降低了选育的时间、调高了选育优质组合的几率。我国的两系法杂交水稻现已开始进入生产应用，大量的试验和生产示范证明，它一般要比同熟期的三系杂交稻增产5-10％，因此，两系杂交水稻大有发展前途。两系法具有配组自由、种子生产成本低、无不育细胞质负效应、易转育新不育系等优点；但光温敏核不育系一系两用，其育性受光温条件所左右，育性不稳定，易产生波动，制种和繁殖都存在一定的风险。如何有效地防止夏季异常低温对光温敏核不育系育性的影响已成为我国两系杂交稻生产必须解决的一个重要课题！
选育实用的光、温敏核不育系是发展两系杂交水稻的前提。所谓实用，有两点要求，一是在制种时其不育性很稳定，不出现育性波动而发生自交结实现象；二是在繁殖时，育性恢复正常，有较高的自交结实产量。但是，目前国内，包括国外育成的光温敏雄性不育系其核不育基因来源于粳型农垦58S、籼型安农S-1、5460S、衡农S-1、新光S、株1S等；这些材料遗传背景较复杂，不育起点温度“漂变”即育性遗传不稳定；在自然条件下按常规方法繁殖时，随着世代数的增加温敏核不育系的起点温度整体水平逐步提高。其原因主要是温敏型核不育系，群体内个体间的起点温度存在差异，如果不采取有效措施加以防止，不育系将很快因为连续多年自交繁殖导致起点温度的升高，而丧失使用价值。在进行杂种种子生产时，易受不稳定的气温影响，使育性发生波动不稳，导致种子纯度下降，甚至于报废。因此这类材料几乎无使用价值。这一问题的出现严重影响了两系杂交水稻的应用前景，是两系杂交水稻进一步推广和应用的一大障碍。
另一方面，不育起点温度低的温敏不育系，在夏季制种时虽无育性波动，但其自身繁殖的产量则低而不稳，有时甚至失败，因为它们恢复可育的温度范围很狭窄，一般仅3℃左右，因此这类材料的应用亦受到很大的限制。因此新型两系不育系的育种目标是：育成光照、温度双因子共同控制育性以光照为主的新型光温敏核不育系，即在不育期间单因子低温不能影响育性转变，哪怕气温再低，持续时间再长，也能保持稳定不育。只有在光照和温度两个条件同时满足时，控制花粉发育的启动子才被启动，育性逐渐平稳地由不育转化为可育。由于不育性受两个气候因子共同控制，起到了双保险作用，可确保制种的绝对安全！对该发育过程中关键调控基因的研究和利用将大大加速这一目标的实现。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于水稻的osms4突变体的制种、繁种及两系杂交育种方法，利用OsMS4基因(又称为Carbon Starved Anther，CSA基因)突变，在日照时间较短的条件下，表现为花药发育异常，小孢子不能进行正常第二次有丝分裂，花粉完全败育，表现出完全雄性不育，可以用作杂交育种中的雄性不育系，从而利用该雄性不育植株osms4进行两系法杂交水稻育种(包括粳稻和籼稻)；通过改变光照条件，获得自交种子，从而保持该不育系。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于水稻的osms4突变体的制种方法，通过采用60Coγ射线诱变粳稻9522种子，对诱变的F2代中一雄性不育突变体三代回交，获得隐性单基因调控的稳定遗传的OsMS4突变体。
所述的60Coγ射线诱变是指：利用60Coγ射线为诱变源，以280Gy处理剂量，处理粳稻9522种子。
所述的F2代是指：经60Coγ射线诱变后的粳稻9522种子经浸种、催芽后播种，在30日龄时，单本移栽入大田，在种子成熟后，每个突变体1代植株，即为F1代，采收3株稻穗；然后对每个F1代株系种子分别播种，并在30日龄时移栽入大田，每个株系单本移栽24株；最后在移栽后，从营养生长一直到生殖生长的全过程中，每个星期在田间观察一次从中筛选出与野生型相比出现表型变化的2代株系，即为F2代，进行编号，记录下表型及分离比。
本发明涉及上述制种方法得到的OsMS4突变体，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
所述的OsMS4突变体的水稻为弱感光的中熟晚粳类型亚种核不育系，株型集散适中，剑叶直立，叶片略呈瓦状。籽粒圆形。穗型属半弯穗型，中等偏大，一般100-120粒，着粒较密，但较一般密穗型要稀。株高80-90厘米。叶色较浓绿，稃尖和柱头无色，在幼穗分化4-5期平均气温高于30℃长光照条件达14小时以上时，就可使“osms4”由不育转向可育。反之，在幼穗分化4-5期，当光照条件短于13小时，平均气温低于28℃以下，就可使“osms4”由可育转向不育。
所述的OsMS4突变体的水稻的种子质量淀粉含量16.0％，出糙率80.0％，精米率70.0％，整精米率60.0％。长宽比1.8。糊化温度低，胶稠度达70mm，在上海夏播全生育期约140天，播种至始穗历期95天左右，主茎叶片数18片左右。
本发明涉及上述基于水稻的OsMS4突变体的繁种方法，通过将所述OsMS4突变体的水稻在幼穗发育至4-6期，在30-32℃条件下维持光照时间14.0小时*15天进行繁殖，实现150-400公斤/亩的繁殖产量。
本发明涉及上述基于水稻的OsMS4突变体在两系杂交水稻生产中的应用。
本发明osms4突变材料是由长江中下游地区推广的常规粳稻9522经过γ射线诱变而来，为隐性单基因的突变，在OsMS4基因的第一个外显子发生一个碱基的缺失和A-G的转换，导致基因序列的变化，产生一个如SEQ ID 2所示的序列。
本发明提供的Osms4突变体的水稻可以一系两用，在长日、高温条件下花粉发育正常，自身可以自花受粉，产生有活力的种子，种子萌发后可以正常生长，将osms4的纯合突变基因性状遗传下去。在水稻种植季节的短日条件下(如13小时)，osmss4表现出完全雄性不育，可以当作不育系生产，用于杂交水稻种子的生产。因此，在水稻种植季节的气候条件下(平均温度25℃以上)，通过控制水稻栽培时间来调节水稻生殖生长(开花、产生花粉过程)的光照时间，可以控制osms4植株的可育和不育，实现一系两用，即osms4在长光照条件下为正常可育繁殖种子，在短光照条件下作为不育系，用于杂交稻生产。因而简化了杂交水稻种子生产程序，解决温敏为主水稻不育系杂交制种过程中由于温度变化产生的“漂移现象”。
osms4不育系配组自由，选到优良组合的机率极大的超过了三系法。避免了不育细胞质对杂种优势的负效应和细胞质的单一化。另外，证实了osms4和其它水稻材料杂交后，将该突变序列引入其它遗传背景的水稻时，这些含有osms4纯合突变的材料也会出现长光照可育，短光照不育的表型，也可以用来进行两系杂交水稻育种。因此，OsMS4基因位点是水稻新型两系不育系培育中可广泛利用的分子标记之一，在水稻分子聚合育种中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明效果示意图；
其中：图1A为粳稻9522去内外稃花表型图；图1B为osms4不育株去内外稃花表型图；图1C为OsMS4基因组DNA表达载体转化osms4不育株去内外稃花表型图；图1D为OsMS4RNAi表达载体转化粳稻9522植株去内外稃花表型图；图1E为光温敏不育株osms4去内外稃花表型图；图1F为粳稻9522花粉粒I2-IK染色图；图1G为osms4不育株花粉粒I2-IK染色图；图1H为OsMS4基因组DNA表达载体转化osms4不育株花粉粒I2-IK染色图；图1I为OsMS4RNAi表达载体转化粳稻9522植株花粉粒I2-IK染色图；图1J为光温敏不育株osms4花粉粒I2-IK染色图；图1A到图1E的图标等于2毫米；图1F到图1J的图标等于100微米。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
改良突变体(osms4)植株的获得
该突变体是本实验室用60Coγ射线诱变粳稻9522种子，处理剂量为280Gy。对诱变的F2代中一雄性不育突变体三代回交，获得隐性单基因调控的稳定遗传的突变体osms4。所有植物材料种植于上海市农业科学院试验基地。osms4突变体与粳稻9522回交，F1代全部为可育，自交F2代中出现分离，其中正常植株为419，突变株为126，正常植株与突变植株比例接近3∶1(χ2＝1.028，P＞0.05)，表明该雄性不育突变体表型由一个单核基因突变造成。
实施例2
改良突变体(osms4)育性与温光环境关系的研究
通过多年的试验和研究发现，在自然条件下，幼穗分化进期为花粉母细胞形成期，当每日光照在13小时以下时，不育系育性稳定，花药为白色，花粉染色为典败；当每日光照时间在14小时以上，最低温度25℃、最高温度达到35℃以上条件时，由不育转换成可育，花粉染色正常花粉粒在45-80％，结实率在60-80％之间。育性转换对光照时间、光照强度和光谱范围都较敏感。光照时间没有达到育性转换条件时，对温度的波动表现出钝感。
光温型核不育系osms4在幼穗发育至4-6期，在维持光照时间14.0小时15天、日平均气温达到30-32℃条件下繁殖不育系，可以获得150-400公斤/亩左右的繁殖产量。
实施例3
确定突变位点，获取改良改良基因
(1)定位群体。将osms4与籼稻品系龙特甫B杂交，自交获得F2代，选择其中为雄性不育植株为定位群体。
(2)水稻DNA提取。采用改进的CTAB法。简单步骤如下：取叶片0.1-0.2克(约半片)放到小研钵中，加入适量的液氮，立刻研磨至粉状，装入2ml离心管，加入700ul 100℃预热的1.5xCTAB溶液于离心管中，小心混匀后放入56℃水浴，20分钟后取出离心管，加入等体积氯仿/异戊醇，猛烈混匀，离心(13000rpm)10分钟，取上清于新管中，加入900ul无水乙醇混匀后-20℃放半小时以上。将析出的DNA离心，14000rpm(10分钟)。去掉上清，将沉淀用1ml70％乙醇清洗一次，离心干燥，溶于200ul 1/10TE或水中，4℃冰箱保存。
(3)InDel分子标记分析。InDel分子标记设计是根据比较粳稻日本晴籼稻9311两品系的已公布的核苷酸序列，对差异的部分设计引物，验证2个亲本粳稻9522和籼稻龙特甫B之间的多态性，PCR扩增程序为：10ul体系中，1ul模板，1ul 10pmol/ul Primerl，1ul 10pmol/ulPrimer2，1ul 10×Buffer(Mg2+)，1ul 2mM dNTP，0.1ul Taq，3.9ul水。通过6％的PAGE胶电泳，银染方法检测。
(4)群体分离分析(bulked segregant analysis)初定位方法。用132对标记进行扩增反应，发现1号染色体上的标记ZH104与OsMS4座位相联锁.选取附近的标记ZH106，在F2代分离群体进行进一步验证，都与OsMS4有连锁关系，并且初步将OsMS4定在ZH104和ZH106之间。为进一步定位OsMS4座位，扩大F2代群体到3000株，从中得到用于定为突变体750株.在ZH104和ZH106之间发展了8个InDel标记(表1)，最终将OsMS4座位定位在ZH134和ZH138之间.通过在网上(http://www.tigr.org)下载的粳稻日本晴第1号染色体拼接的序列，分析ZH134和ZH138两标记别位于克隆AP00837上，物理距离为23kb。用分子标记对定位群体中的雄性不育单株进行基因型分析，利用MapDraw V2.1构建目标基因区域的分子标记的连锁图谱。
(5)osms4基因的克隆。对23kb范围内的预测的MYB家族的基因测序，测序结果表明，突变体中在这个基因的第一个外显子上发生了一个核苷酸的缺失和一个G到A的颠换，我们将这个突变的基因命名为osms4，序列见SEQ ID NO.1。
实施例4：
基因工程技术恢复osms4不育系育性
以粳稻9522的基因组DNA为模板，以MYBF(SEQ ID NO.3)、MYBR(SEQ ID NO.4)为引物，扩增一个4318bp的片断，其中包括OsMS4基因全长、启动子和终止子。PCR反应体系的总体积为50μL，水稻基因组DNA模板1μL(约50ng)、1*KOD酶反应缓冲液、25mM MgCl2 3μL/、2Mm dNTP 4μL、10μM引物0.5μL、50％甘油5μL、0.5单位KOD酶(Takara公司)，加ddH20至50μL。反应程序：94℃变性10min，94℃40s、55℃40s，68℃4min，35个循环；68℃延伸5min。产物在1％琼脂糖胶上检测，割胶纯化。将这个片断直接用PmaCI和BamHI双酶切后回收片断，连入相同酶切的pCAMBIA 1301载体，测序验证正确。把构建好的载体电转农杆菌EHA105，采用农杆菌介导的遗传转化方法(Hiei等，Efficient transformation of rice(Oryza sativa L.)mediated by Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T-DNA.Plant Journal 1994，6：271-282)，转到正常的9522水稻品种中。如图1所示，互补载体转入osms4突变体后，花药变成黄色，I2-IK染色花粉粒也恢复染色，可以得到正常的结实。这些结果表明，OsMS4基因可以恢复突变体育性。
实施例5
RNAi(RNA interference)转化验证基因功能
在OsMS4基因的最后一个外显子和3-UTR(非翻译区)设计RNAi片段。设计引物OsMS4i-1F(SEQ ID NO.5)，OsMS4i-1R(SEQ ID NO.6)，OsMS4i-2F(SEQ ID NO.7)和OsMS4i-2R(SEQ ID NO.8)。PCR反应体系的总体积为20μL，水稻基因组DNA模板1μL(约50ng)、1*Taq酶反应缓冲液、25mM MgCl21.2μL/、2Mm dNTP 1.5μL、10μM引物0.2μL、50％甘油2μL、0.3单位Taq酶(Takara公司)，加ddH20至20μL。反应程序：94℃变性5min，94℃ 40s、55℃ 40s 1min，72℃ 40s，35个循环；72℃延伸5min。产物在1.5％琼脂糖胶上检测，割胶纯化。把2个纯化的DNA片段分别连接到RNAi载体pTCK303上。把构建好的载体电转农杆菌EHA105，采用农杆菌介导的遗传转化方法(Hiei等，Efficient transformation of rice(Oryza sativa L.)mediated by Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T-DNA.Plant Journal 1994，6：271-282)，转到正常的9522水稻品种中。RNAi转基因植株中花药为白色，花粉粒不着色(见附图1)。说明OsMS4基因具有控制水稻育性的功能。
实施例6
光温敏型雄性核不育osms4与恢复系杂交制种
2008年上海秋季制种，面积1.0亩；父本为自选粳型大穗型感光型恢复性JP50，父本5月30日播种，6月25日插秧，9月5日抽穗；母本于6月23日播种，7月12日插秧，9月8日抽穗；父母本行比2∶8。母本开花第一天即取样花粉镜检，经I2-IK染色80％花粉为典败，20％为圆败；套袋自交结实为0。母本开花早，花时较集中，父母本花时相遇良好；收获杂交种子140kg；2008年冬海南纯度鉴定不育株率为0.5％，纯度为97.8％。
2008年海南冬季制种1.5亩，父本为感温型自选恢复系JP69。父本12月10播种，3月1日抽穗，母本12月31日播种，3月4日抽穗；母本osms4花药为纯白色、短棒状，套袋自交不结实。母本在短光低温、低湿条件下开花较晚，异交结实降低，制种产量不理想，每亩收获种子30kg。2009年正季上海杂交一代纯度鉴定纯度为96.7％，其中不育株为1％.
实施例7
光温敏型雄性核不育osms4的自由配组
osms4不育系配组自由，选到优良组合的机率极大的超过了三系法。避免了不育细胞质对杂种优势的负效应和细胞质的单一化。从2006年开始广泛同不同生态类型的恢复系、常规稻测交配组。利用该光温敏不育系同早熟粳型恢复性C418配组，杂种一代表现出早熟，大穗、高抗、生长势强等特点，同自选大穗型粳稻恢复系JP69、JP50配组，杂种一代茎秆粗壮、穗型大，着粒密、抗倒性强、结实率高，具有超级杂交稻的农艺性状和技术指标。与常规粳稻秀水123、桂花黄等测交，杂种一代表现株叶形态好，分蘖力强，熟期适中，结实率高，稳产性好，易于栽培。同时与籼稻亲本9311、龙特浦等配组，杂种一代表现出超强生长势，株叶形态理想，结实率在50-70％，说明该不育系具有一定的广亲和性。
实施例8
OsMS4突变位点的遗传转育及应用
证实了osms4和其它水稻材料杂交后，将该突变序列引入其它遗传背景的水稻时，这些含有osms4纯合突变的材料也会出现长光照可育，短光照不育的表型，也可以用来进行两系杂交水稻育种。2007年利用常规杂交手段将osms4与籼稻珍汕97B、天丰B、丰矮占一号、早熟粳稻“松江早熟香粳”杂交，F2代通过群体分离统计，合乎3∶1分离规律。并利用分子标记检测方式，把具有osms4基因的不育株继续同杂交亲本回交，B1F2代在海南选择不育性稳定，农艺性状好的不育单株带稻根回上海再生长苗，剥蘖繁殖，在不同光照、温度条件下观察其育性。结果发现，有1/3的株系具有osms4的育性转换特性，恢复可育结实率达60％.将这些株系经采样PCR检测，确定都具有osms4分子标记存在(SEQ ID NO.2)。将收获的种子带海南分期播种，结果发现在不同时期抽穗都为不育，花药镜检为典败，套袋自交不结实。试验证明，海南(纬度109.30，经度18.14三亚)接近赤道，太阳基本属于直射，光照时间短(1-3月份小于13小时)，光照条件达不到该不育基因转换的要求，因此说明在海南制种是安全可靠的。
Figure IDA0000023728730000011
Figure IDA0000023728730000021

Claims (4)

1.一种基于水稻的OsMS4突变体的制种方法，其特征在于，通过采用60Coγ射线诱变粳稻9522种子，对诱变的F2代中一雄性不育突变体三代回交，获得隐性单基因调控的稳定遗传的OsMS4突变体。
2.根据权利要求1所述的基于水稻的OsMS4突变体的制种方法，其特征是，所述的60Coγ射线诱变的处理剂量为280Gy。
3.一种根据权利要求1所述的制种方法得到的OsMS4突变体，其特征在于，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
4.一种根据权利要求1或3所述的基于水稻的OsMS4突变体的繁种方法，其特征在于，通过将所述osms4突变体的水稻在幼穗发育至4-6期，在30-32℃条件下维持光照时间14.0小时*15天进行繁殖，实现150-400公斤/亩的繁殖产量。
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