CN105671043B - 稻米胶稠度控制基因sbe1分子标记及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稻米胶稠度控制基因SBE1的分子标记SBE1‑m,以水稻作为物种,所述分子标记引物选自下列引物对,其中的核苷酸序列为5′→3′,SBE1‑m正向:CAAAGTGCTGACGTGGACAC;反向:AAGAAAAGGAAGGAGAGACACG。本发明还同时提供了上述分子标记SBE1‑m的用途:用于水稻不同稻米胶稠度的鉴定和/或其后代辅助选择育种;当为日本晴和特青的后代时,选择后代中带型与特青带型一致的单株用于育种。
Description
技术领域
本发明属于农业生物技术工程领域,特别涉及与稻米胶稠度控制基因SBE1有关的分子标记及其应用。
背景技术
高产、优质一直是水稻育种长期追求的目标。经过长期的努力,尤其是杂交稻技术的利用,我国在水稻生产上取得了举世公认的成就。但是由于过去一直把如何解决人们的温饱问题放在第一位,故而水稻育种工作的重点大部分集中于水稻高产新品种的培育,从而导致优质稻米的育种严重滞后,特别是一些高产的杂交稻品质普遍偏差。
导致稻米品质改良进展较慢的另一个主要原因是稻米品质遗传的复杂性和传统育种手段的局限性。稻米的品质性状包括外观品质、加工品质、蒸煮品质、营养品质和食味品质等诸多方面,而稻米蒸煮品质是评价稻米品质的最重要指标。蒸煮品质是指稻米在蒸煮过程中所表现出来的特性,主要由直链淀粉含量(Amylose Content,AC)、胶稠度(GelConsistency,GC)、糊化温度(Gelatinization Temperature,GT)三个理化指标来评价。不同稻米品种的稻米品质变化范围很大,即使在同一杂交组合后代中不同个体也有较大的差异,这说明稻米品质不仅仅受到单个基因的控制,可能受到多个基因的共同控制。GC是影响稻米品质重要的理化指标,早期的研究表明稻米GC是由主效基因和若干微效基因的调控[1,2]。随后的研究发现稻米GC的遗传还受细胞质效应、胚乳基因型及互作效应的共同控制[3]。GC是一个比较复杂的品质性状,各品种的差异较大,遗传基础比较复杂,所以研究进展一直较慢,并且各实验室对GC的QTL分析结果差异比较大。Tan等[4]和Tian等[5]都认为第6染色体Wx或与其紧密连锁的1个基因对胶稠度起主要控制作用。然而,He等[6]和Li等[7]均认为胶稠度主要由第2和7染色体上的QTL共同控制。另外,黄祖六等[8]对控制稻米胶稠度的数量性状位点进行了研究,发现其主要受位于第3染色体的2个连锁位点控制。
传统育种手段的局限性是导致稻米品质改良进展较慢的另一个主要原因。传统育种方法主要是对有利目标性状进行定向选择和固定,培育出优良新品种,这具有很大的盲目性和不可预测性[9]。并且,个体选择的方法是对符合育种目标的农艺性状进行直接选择,即选择的是个体表现型而不是基因型。由于基因间存在一因多效、多因一效、调控基因以及修饰基因等的作用,个体的表现型与基因型往往存在较大差异,因而通过田间表型性状进行个体选择的准确性较差。分子标记辅助选择(Marker-assisted Selection,MAS)技术给水稻育种提供了新的途径,与传统育种技术相结合可大大提高育种效率,缩短育种周期。MAS的核心是把常规育种中的表型选择转化为基因型选择,它直接反映了DNA的序列差异,不受基因表达的影响,结果可靠性强,并且不受植物的生长发育阶段及环境条件的影响[10]。
上文中涉及的参考文献如下:
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另,专利号2010102312071的发明《水稻稻米胶稠度调控基因分子标记及其应用》告知了水稻中控制胶稠度的基因调控网络是由1个主效基因(Wx)和3个微效基因(AGPiso、SBE3和ISA)组成的,能利用WxM1引物、WxM2引物辅助鉴别具有不同稻米胶稠度的水稻。这些标记能用于龙特普B,桂潮2号,9308,明恢63等15个品种及其后代的检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种与稻米胶稠度控制基因SBE1有关的分子标记及其用途,本发明所得的分子标记SBE1-m为稻米胶稠度控制基因SBE1的基因标记,用于水稻不同稻米胶稠度的鉴定和/或其后代辅助选择育种。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种稻米胶稠度控制基因SBE1的分子标记SBE1-m,以水稻作为物种,该分子标记引物选自下列引物对,其中的核苷酸序列为5′→3′,
SBE1-m正向:CAAAGTGCTGACGTGGACAC
反向:AAGAAAAGGAAGGAGAGACACG
备注说明:
引物SBE1-m PCR扩增所得的分子标记SBE1-m在日本晴中的序列为:CAAAGTGCTGACGTGGACACCTGCCACGTGGACGGCCAGGAGGTGCCCAGGAGCCTTTGGGCCAATTGGCCATGGGCCTTCACGTGTCTCTCCTTCCTTTTCTT;
引物SBE1-m PCR扩增所得的分子标记SBE1-m在特青中的序列为:CAAAGTGCTGACGTGGACACCCATCTGCTGCCACGTGGACGGCCAGGAGGTGCCCAGGAGCCTTTGGGCCAATTGGCCATGGGCCTTCACGTGTCTCTCCTTCCTTTTCTT。
本发明还同时公开了上述分子标记SBE1-m的用途:用于水稻不同稻米胶稠度的鉴定和/或其后代辅助选择育种。
作为本发明分子标记SBE1-m的用途的改进:当为日本晴和特青的后代时,选择后代中带型与特青带型一致的单株用于育种。
本发明的分子标记的开发方法,包括以下步骤:
1)、以籼稻品种特青作为高胶稠度基因供体亲本与作为低胶稠度的粳稻日本晴进行杂交、回交和自交,从而获得作为后代的稻米高胶稠度的单株;
2)、用CTAB(十六烷基三乙基溴化铵,Hexadecyl trimethyl ammonium Bromide)法提取水稻亲本幼苗及杂交后代幼苗基因组DNA;
3)、采用Indel(插入/缺失片段,insertion/deletions)分子标记方法进行稻米高胶稠度基因标记的筛选;
4)、开发出一个Indel分子标记SBE1-m。
与稻米高胶稠度有关的分子标记SBE1-m,具体是用下述方法得到的:
1)、根据基因SBE1的核苷酸序列,设计、发展Indel分子标记,用于检测高胶稠度特青和低胶稠度日本晴的多态性;通过测序以进一步确定引物SBE1-m区间的序列在高胶稠度的特青和低胶稠度的日本晴之间的差异;通过杂交、回交和自交结合标记辅助选择,获得日本晴背景的高胶稠度的水稻新种质;
2)、用CTAB法提取水稻亲本幼苗及杂交后代幼苗基因组DNA;
3)、采用Indel分子标记方法进行稻米高胶稠度的基因标记筛选高胶稠度的水稻新种质;
4)、鉴定出一个Indel分子标记SBE1-m,经多态性检测,发现其与稻米胶稠度相关联。
采用Indel分子标记SBE1-m进行不同稻米胶稠度筛选的方法具体是:
(1)、Indel标记在不同稻米胶稠度的特青和日本晴间的DNA多态性分析:
根据基因SBE1的核苷酸序列,设计、发展Indel分子标记SBE1-m,用于检测高胶稠度的特青和低胶稠度的日本晴之间的多态性。引物委托上海申能博彩公司合成,在PTC-225PCR仪上进行PCR扩增,PCR反应体系为:20ng/ul水稻基因组DNA 1ul,10×PCR Buffer2.0ul,25mM MgCl2 2.0ul,2mM dNTP 2.0ul,10uM引物2.0ul,5U/ul Taq DNA聚合酶0.2ul,ddH2O10.8ul,总体系20ul。反应程序:95℃变性5分钟;94℃变性1分钟,55℃退火1分钟,72℃延伸1分钟,40个循环;72℃补齐10分钟;产物检测:在含有0.5%ug/ul EB的4.0%的琼脂糖凝胶电泳,紫外灯下观察并照相记录结果。
(2)、Indel标记SBE1-m的序列区间在不同稻米胶稠度品种日本晴和特青间的基因组序列差异:
根据获得的Indel分子标记SBE1-m,用于PCR扩增高胶稠度品种特青和低胶稠度品种日本晴的基因组序列,PCR扩增产物委托上海英骏生物技术有限公司进行测序分析。PCR扩增参照上述(1)进行,PCR产物的回收选用北京百泰克生物技术有限公司开发的PCR产物回收试剂盒(离心柱型,目录号:DP1403)。
(3)、利用Indel标记SBE1-m开展高胶稠度的辅助选择育种
高胶稠度的基因供体亲本籼稻品种特青,与低胶稠度的粳稻品种日本晴进行杂交,通过回交、自交结合标记辅助选择,将特青的高胶稠度基因SBE1导入到低胶稠度的日本晴中,选择分离群体中带型与特青带型一致的单株用于育种改良,获得了若干份日本晴背景的带特青SBE1基因的材料;收获这些植株上所结的种子,检测其胶稠度,发现其胶稠度显著提高。
低胶稠度的米饭干燥蓬松,冷却后硬而粗糙,食味不佳;高胶稠度的米饭湿润光滑而有弹性,冷却后仍保持柔软而深受欢迎。本发明采用分子生物学方法以高胶稠度的特青为材料,发展和筛选新的、而且稳定的能进一步提高稻米胶稠度的分子标记及其方法,用于优质稻米的辅助选择育种;由于所用的材料能有效提高一般稻米的胶稠度,其对我国稻米品质的改善具有普遍性。
本发明创造了稻米胶稠度控制相关基因SBE1的Indel标记SBE1-m。利用这种方法,不仅克服了常规育种方法所需时间周期长等缺点,可以有目标地将特青的高胶稠度基因SBE1在实验室内选择获得并有目的地进行多个优质的聚合,从而培育出具有优质的水稻新品种。在本发明中,当所得植株经检测出现特青的条带时,我们判定其属于高胶稠度的水稻;当所得植株经检测出现日本晴的条带或同时出现特青+日本晴的条带时,我们判定其属于低胶稠度的水稻。
本发明可适用大部分的籼稻(如特青)和粳稻(如日本晴)之间的标记选择。
因此,本发明结果在水稻优质育种实践中具有重要意义。其优点具体归纳如下:
(1)本发明的能调控稻米胶稠度的分子标记,是在通过高胶稠度的籼稻特青与低胶稠度的粳稻日本晴的杂交、回交、自交中筛选获得的,能显著提高稻米的胶稠度,而且稳定存在,可用于优质稻米的辅助选择育种。
(2)本发明依据的是稻米胶稠度控制基因SBE1的核苷酸序列发展而获得的Indel分子标记,极大提高了辅助选择的效率。
(3)、本发明的标记是根据日本晴和特青两个品种特异性的开发,这两个品种在水稻育种是骨干亲本,许多品种或多或少与它们有联系,即,本发明具有针对性强的优点,同时可以和WxM1、WxM2等标记形成互补;因此迫切需要开发本发明所述的分子标记。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是Indel标记SBE1-m在高胶稠度的籼稻特青和低胶稠度的粳稻日本晴的电泳谱带图;
图2是引物SBE1-m的PCR扩增产物在日本晴和特青间的序列差异;
图3是Indel标记SBE1-m鉴定获得的12份高胶稠度日本晴的电泳谱带图;
图4是标记SBE1-m辅助选育的12份材料的稻米胶稠度;
对上述图1、图3~4中符号分别作如下说明:
1代表:高胶稠度的籼稻特青;
2代表:低胶稠度的粳稻日本晴;
3代表:日本晴/特青的F1植株;
4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15均代表:日本晴和特青的后代,经Indel标记SBE1-m的筛选后获得。
具体实施方式
实施例1、用Indel标记SBE1-m鉴定高胶稠度的籼稻特青和低胶稠度的粳稻日本晴的多态性;
具体做法是:选取水稻材料日本晴和特青,用日本晴和特青杂交获得其F1,利用引物SBE1-m鉴定其多态性(图1)。
一、提取DNA
1)、配制DNA提取缓冲液:
按顺序依次加1体积的DNA提取溶液(0.35M sorbitol;0.1M Tris,pH8.2;0.005MEDTA;其余为水),1体积的核裂解液(0.2M Tris,pH7.5;0.05M EDTA;2M NaCl;0.055MCTAB;其余为水)和0.4体积的5%(质量浓度)sarkosyl溶液(即十二酰-N-甲基甘氨酸钠的水溶液);最后加入亚硫酸氢钠,配制成DNA提取缓冲液;亚硫酸氢钠在DNA提取缓冲液中的终浓度为0.02M。
上述DNA提取溶液的制备方法为:在0.35mol的sorbitol(山梨糖醇)、0.1mol的Tris(三羟甲基氨基甲烷,pH8.2)、0.005mol的EDTA(乙二胺四乙酸)加水定容至1L。
上述核裂解液的制备方法为:在0.2mol的Tris(三羟甲基氨基甲烷,pH7.5)、0.05mol的EDTA(乙二胺四乙酸)、2mol的NaCl(氯化钠)、0.055mol的CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)加水定容至1L。
2)、对上述日本晴、特青、F1的水稻叶片分别进行如下处理:
①、称取0.1g的水稻叶片用液氮研磨成粉状,然后加入700μl的上述步骤1)配制的DNA提取缓冲液,65℃水浴40分钟。再加700μl的氯仿:异戊醇(24:1的体积比),并混匀。10,000rpm离心5分钟,将上清液转移到新的离心管中。
②、在上述步骤①离心后所得的上清液中加2/3~1倍体积预冷(至4℃)的异丙醇,轻轻混匀至DNA沉淀。13,000rpm离心8分钟,倒出上清液。
③、再用70%(体积浓度)的已醇200μl洗涤上述步骤②所得的DNA沉淀物。
④、将上述洗涤后的DNA晾干并溶于100μl TE缓冲液或纯水中。
⑤、紫外分光光度法检测上述步骤④所得的DNA样品的浓度,0.7%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的完整性。完整合适的DNA用于PCR扩增,不完整的DNA则重新提取,直至获得完整的DNA。
二、PCR扩增
1)、反应体系:
水稻基因组DNA 20ng/ul 1ul,10×PCR Buffer 2.0ul,25mM MgCl2 2.0ul,2mMdNTP 2.0ul,10uM引物各1.0ul,5U/ul Taq DNA聚合酶0.2ul,ddH2O 10.8ul,总体系20ul。
所述引物为:SBE1-m 正向:CAAAGTGCTGACGTGGACAC
反向:AAGAAAAGGAAGGAGAGACACG
2)、反应程序:
95℃变性5分钟;94℃变性1分钟,55℃退火1分钟,72℃延伸1分钟,40个循环;72℃补齐10分钟。
三、电泳检测
取扩增产物20ul,用4.0%的琼脂糖凝胶(含有0.5%ug/ul EB)电泳,紫外灯下观察并照相记录结果。如图1所示。
在图1中,日本晴为104bp的条带,特青为111bp的条带,“F1”为104bp+111bp的条带。
根据图1,我们能得出下述结论:Indel分子标记SBE1-m能够检测日本晴和特青之间的多态性,且特青的PCR扩增产物片段要大于日本晴,由此表明SBE1-m能用于日本晴和特青之间的分子检测及其后代的标记辅助选择。
实施例2、用Indel分子标记SBE1-m鉴定高胶稠度的籼稻特青和低胶稠度的粳稻日本晴的序列差异
具体做法是:应用Indel分子标记SBE1-m对日本晴和特青的基因组DNA进行PCR扩增,扩增产物委托上海英骏生物技术有限公司进行测序,比较其序列的差异(图2)。
一、提取DNA
1)、配制DNA提取缓冲液:
同实施例1。
2)、对上述日本晴和特青的水稻叶片分别进行如下处理:
同实施例1。
3)PCR扩增
同实施例1。
4)PCR产物的回收
PCR产物的回收选用北京百泰克生物技术有限公司开发的PCR产物回收试剂盒(离心柱型,目录号:DP1403),参照产品说明要求进行,回收的PCR产物委托上海英骏生物技术有限公司进行测序。
根据图2,我们能得出以下结论:日本晴和特青的SBE1-m扩增产物存在7bp的碱基差异(如图2中的下划线所示),这是我们能够使用Indel分子标记SBE1-m检测出其多态性的原因所在,也是我们能用于其后代标记辅助选择的遗传基础。
实施例3、利用Indel标记SBE1-m开展高胶稠度的辅助选择育种
具体做法是:高胶稠度的基因供体亲本特青,与低胶稠度的粳稻品种日本晴依次进行杂交、回交和自交,对所得后代结合分子标记SBE1-m的辅助选择,选择分离群体中带型与特青带型一致的单株用于育种改良。
一、提取DNA
1)、配制DNA提取缓冲液:
同实施例1。
2)、对上述日本晴、特青、所得后代的水稻叶片分别进行如下处理:
同实施例1。
二、Indel标记检测
1)、PCR扩增
同实施例1。
2)、电泳检测
同实施例1。
三、Indel分子标记SBE1-m开展高胶稠度的辅助选择育种
高胶稠度的基因供体籼稻品种特青与低胶稠度的普通粳稻品种日本晴进行杂交、回交和自交,结合分子标记SBE1-m的辅助选择,选择分离群体中带型与特青带型一致的单株进一步用于育种改良(图3),淘汰带型与低胶稠度日本晴的带型一致和杂合带型(同时具有日本晴和特青带型)的个体,育种材料的稻米胶稠度采用国家标准(GB/T 22294-2008)进行测定。分析表明,所选择的带特青带型的12个单株均比轮回亲本日本晴明显提高(图4)。该实验结果表明:Indel标记SBE1-m可以用于水稻不同稻米胶稠度的辅助选择育种。
备注说明:
图3和图4中的“4~15”均为日本晴和特青依次进行杂交、回交和自交获得的,且是选择了“带型与特青带型一致”的单株。
备注说明:本发明重复了上述实验若干次,均能确保100%的正确性,即,采用本发明的分子标记SBE1-m能使带特青带型的单株的胶稠度均比轮回亲本日本晴明显提高。
而当采用WxM1、WxM2等标记进行类似的相应检测时,经过若干次的重复证明正确性仅为95%左右。
即,当为日本晴和特青的后代时,本发明具有更强的针对性。
实验1、利用Indel标记SBE1-m判别稻米胶稠度的高低
具体做法是:将实施例3的步骤三中被淘汰的带型与低胶稠度日本晴的带型一致和杂合带型(同时具有日本晴和特青带型)的个体继续进行种植,通过对其后代稻米胶稠度的测定,进一步分析分子标记SBE1-m辅助选择的可靠性。
一、提取DNA
1)、配制DNA提取缓冲液:
同实施例1。
2)、对上述水稻叶片分别进行如下处理:
同实施例1。
二、Indel标记检测
1)、PCR扩增
同实施例1。
2)、电泳检测
同实施例1。
三、Indel标记SBE1-m判别稻米胶稠度的高低
随机选择了在实施例3的步骤三中被淘汰4个带型与日本晴一致的单株继续种植,经Indel分子标记SBE1-m检测,其后代均表现与日本晴一致的带型,分别收获这些单株籽粒并测定其稻米胶稠度。另外,随机选择其中1个杂合带型(同时具有日本晴和特青带型)的个体用于继续种植,在其后代中随机选取16个单株,Indel分子标记PUL-m检测表明,该16个单株中有4个单株表现特青带型,8个单株表现杂合带型,4个表现日本晴带型,符合1:2:1的分离关系;待植株成熟后,分别收获这些单株并测定其稻米胶稠度。表1是这20个单株(株系)的稻米胶稠度,4个与日本晴带型一致的单株均表现与日本晴类似的低胶稠度;而在带型杂合的16个后代单株中,有12个单株表现类似与日本晴的低胶稠度(其中,4个单株的带型表现日本晴带型,8个单株的带型表现杂合带型);4个呈特青带型的单株,其稻米胶稠度显著高于日本晴。该实验结果表明:Indel分子标记SBE1-m可以用于判别稻米胶稠度的高低。
表1.稻米胶稠度及其对应的基因型
选择的植株及其基因型 | 后代单株及其基因型 | 胶稠度(mm) |
XN-1(N) | XN-1-4(N) | 60.5±3.10 |
XN-2(N) | XN-2-2(N) | 58.9±2.30 |
XN-3(N) | XN-3-3(N) | 60.0±2.21 |
XN-4(N) | XN-4-5(N) | 60.5±3.20 |
XH-2(H) | XH-2-3(N) | 58.0±2.21 |
XH-2-1(N) | 59.6±2.13 | |
XH-2-5(N) | 58.3±2.01 | |
XH-2-8(N) | 60.5±1.59 | |
XH-2-11(H) | 59.9±2.20 | |
XH-2-4(H) | 58.1±2.32 | |
XH-2-6(H) | 60.3±2.35 | |
XH-2-12(H) | 61.0±2.23 | |
XH-2-7(H) | 60.3±2.02 | |
XH-2-16(H) | 61.2±2.21 | |
XH-2-10(H) | 60.3±2.02 | |
XH-2-2(H) | 60.9±2.95 | |
XH-2-14(T) | 75.5±2.31 | |
XH-2-9(T) | 75.9±1.98 | |
XH-2-13(T) | 74.9±2.06 | |
XH-2-15(T) | 76.5±2.86 |
注:括号中字母代表该单株的基因型,T为特青带型,H为杂合带型,N为日本晴带型。
对比例1、与SBE1-m正、反向引物同源性很高的标记SBE1-m-1和SBE1-m-2(如表2,其中的核苷酸序列为5′→3′);按照本发明的上述方法进行检测,发现这两个标记扩增效果非常不好,没有条带出现或者非特性条带很多,不能用于判别稻米胶稠度,即,不能成为稻米胶稠度控制基因分子标记。
表2
最后,还需要注意的是,以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.稻米胶稠度控制基因SBE1的分子标记SBE1-m,以水稻作为物种,其特征是:所述分子标记引物选自下列引物对,其中的核苷酸序列为5′→3′,
SBE1-m正向:CAAAGTGCTGACGTGGACAC
反向:AAGAAAAGGAAGGAGAGACACG。
2.如权利要求1所述的分子标记SBE1-m的用途,其特征是:用于水稻不同稻米胶稠度的鉴定和/或其后代辅助选择育种。
3.根据权利要求2所述的分子标记SBE1-m的用途,其特征是:当为日本晴和特青的后代时,选择后代中带型与特青带型一致的单株用于育种。
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