CN109929856B - 水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的应用 - Google Patents

水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的新用途,特别是降低多不饱和脂肪酸含量,增强种子耐贮藏性方面的用途。本发明利用水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2基因标记进行分子标记选择,构建了该基因NIP与9311近等基因系。证实OsFAH2负调控种子多不饱和脂肪酸含量,增强水稻种子的耐贮藏性。另外,超量表达OsFAH2降低种子多不饱和脂肪酸含量,增强种子耐贮藏性。利用上述方法可以快速改良种子耐贮藏性,对稳定水稻产量和粮食品质具有重要意义。

Description

水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的应用
技术领域
本发明属于植物基因工程技术领域,具体地说,涉及水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的应用。
背景技术
水稻是重要的粮食作物,为全球近一半人口提供主要食物来源。种子是水稻主要产出形式,贮藏过程中种子陈化变质严重影响粮食生产,同时降低稻谷食用品质。强耐贮藏性种子贮藏后种子活力较高,并能够保留粮食原有食用品质和营养价值,因此,改良水稻种子耐贮藏性具有重要的现实需求和应用价值。种子耐贮藏性是指种子在一定的贮藏条件下保存生活力的时间。通常利用高温高湿条件下的人工老化后种子发芽率作为种子耐贮藏性指标,人工老化后种子发芽率越高,其耐贮藏性也就越强。
脂肪酸是植物重要的结构物质,其中多不饱和脂肪酸是细胞膜的重要组分,决定细胞膜功能与透性。种子贮藏过程中多不饱和脂肪酸容易受到活性氧攻击或脂氧合酶(Lipoxygenase)催化发生过氧化,导致细胞膜损伤,细胞功能弱化,种子生活力降低。脂氧合酶是含有非血红素铁的双加氧酶,催化含有顺,顺-1,4-戊二烯的多不饱和脂肪酸加入分子氧,转化成氢过氧化物脂肪酸。脂氧合酶是植物游离多不饱和脂肪酸降解限速酶,抑制其活性显著地增强水稻种子的耐贮藏性。若能够通过降低种子中多不饱和脂肪酸的含量来增强种子的耐贮藏性,则为作物贮藏提供新思路。脂肪酸羟基化酶能够催化脂肪酸加氧反应,如催化油酸12位碳加氧,形成含有12羟基蓖麻油酸,促使多不饱和脂肪酸降解。该加氧反应并不诱导产生氢过氧化物脂肪酸,从而避免对其他生物大分子造成氧化损伤。因此,通过超表达脂肪酸羟基化酶(Fatty acid hydroxylase)基因适当降低多不饱和脂肪酸含量,增强种子耐贮藏性具有重要技术创新价值与应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的新用途,特别是降低多不饱和脂肪酸含量,增强种子耐贮藏性方面的用途。
为了实现本发明目的,第一方面,本发明提供水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的以下任一应用:
1)用于降低植物种子内多不饱和脂肪酸含量;
2)用于增强植物种子耐贮藏性;
3)用于培育低多不饱和脂肪酸含量且种子耐贮藏性提高的植物品种。
本发明中,所述水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2为编码如下蛋白质(a)或(b)的基因:
(a)由SEQ ID NO:3所示的氨基酸序列组成的蛋白质;
(b)SEQ ID NO:3所示序列经取代、缺失或添加一个或几个氨基酸且具有同等功能的由(a)衍生的蛋白质。
水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示,该基因全长1564bp,具有3个内含子和4个外显子,其CDS区段分别为1-650、973-1120、1239-1271和1493-1564,cDNA全长903bp,核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示。
本发明中,所述植物包括但不限于水稻。
第二方面,本发明提供一种培育低多不饱和脂肪酸含量且种子耐贮藏性提高的水稻品种的方法,所述方法包括:
1)使植物包含水稻基因OsFAH2;或
2)使植物过表达水稻基因OsFAH2。
前述的方法,所述方法包括但不限于转基因、杂交、回交、自交或无性繁殖。
进一步地,所述方法包括:用水稻脂肪酸羟化酶OsFAH2基因cDNA转化植物细胞,将被转化的植物细胞再生为植株,通过PCR鉴定转基因材料OsFAH2基因的表达量,获得阳性转基因植株。
其中,PCR鉴定使用的引物为OE-F和OE-R,它们的核苷酸序列如SEQ ID NO:4-5所示。
可选地,所述方法包括:利用含有水稻基因OsFAH2的重组农杆菌转染植物,获得转基因植株;或者,将含有水稻基因OsFAH2的植株与另一植株杂交,获得杂交后代。所获得的后代植株其耐冷性得到改良。
第三方面,本发明提供水稻脂肪酸羟化酶OsFAH2转基因植株的分子检测方法,利用引物OE-F和OE-R扩增待测转基因水稻基因组DNA,若扩增产物大小为900bp左右,表明待测材料为转基因阳性植株,若没有扩出此片段则说明是转基因阴性植株。
第四方面,本发明提供与水稻低多不饱和脂肪酸含量且强种子耐贮藏性相关的SNP标记,其含有位于水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2cDNA序列第91bp处的多态性为G/T的核苷酸序列(SNP位点)。其中,第91bp为碱基T,对应的水稻为低多不饱和脂肪酸含量且强种子耐贮藏性的水稻材料。
为便于OsFAH2基因育种选择,本发明还提供了该基因选择标记。利用该标记构建了OsFAH2基因不同来源的近等基因系,NIP近等基因系种子多不饱和脂肪酸含量高,而其种子耐贮藏性显著低于9311近等基因系,说明该标记能够准确进行育种选择。通过农杆菌介导的遗传转化方法将OsFAH2基因转入到粳稻品种,超量表达植株生长发育正常,种子多不饱和脂肪酸含量降低,并且种子耐贮藏性增强。本发明的OsFAH2基因能够显著地降低种子多不饱和脂肪酸含量,增加种子耐贮藏性,对于水稻种子耐贮藏性改良育种具有重要意义。
第五方面,本发明提供用于检测所述SNP标记的KASP引物,包括OsFAH2F-F、OsFAH2H-F和OsFAH2-R,它们的核苷酸序列分别如SEQ ID NO:6-8所示。
第六方面,本发明提供所述SNP标记或所述KASP引物的以下任一应用:
1)用于鉴定低多不饱和脂肪酸含量水稻品种;
2)用于鉴定强种子耐贮藏性水稻品种;
3)用于鉴定低多不饱和脂肪酸含量且种子耐贮藏性提高的水稻品种;
4)用于水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2分型;
5)用于水稻分子标记辅助育种。
第七方面,本发明提供含有所述KASP引物的检测试剂或试剂盒。
借由上述技术方案,本发明至少具有下列优点及有益效果:
本发明利用水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2基因标记进行分子标记选择,构建了该基因NIP与9311近等基因系。证实OsFAH2负调控种子多不饱和脂肪酸含量,增强水稻种子的耐贮藏性。另外,超量表达OsFAH2降低种子多不饱和脂肪酸含量,增强种子耐贮藏性。利用上述方法可以快速改良种子耐贮藏性,对稳定水稻产量和粮食品质具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中OsFAH2的KASP标记基因分型效果图。其中,Allele 1为日本晴基因型即第91位核苷酸位G(鸟嘌呤核糖核苷酸),图中包括5个粳稻品种(NIP,中花11,南京11,空育131,Dongjing);Allele 2为9311基因型即第91位核苷酸T(胸腺嘧啶脱氧核苷酸),图中包括7个籼稻品种(9311,MH63,ZS97,黄华占,特青,广西红米,233)。
图2为本发明实施例1中近等基因系NIL-OsFAH2NIP基因型的染色体结构图。其中,图中黑色横线代表NIP导入片段,灰色表示9311,黑色三角形表示着丝粒位置。
图3为本发明实施例1中OsFAH2在近等基因系中表达量。
图4为本发明实施例1中OsFAH2近等基因系种子总多不饱和脂肪酸含量。
图5为本发明实施例1中OsFAH2近等基因系老化后种子发芽率。
图6为本发明实施例2中超量表达水稻材料中OsFAH2基因表达量检测。
图7为本发明实施例2中OsFAH2超量表达水稻材料种子总多不饱和脂肪酸含量。
图8为本发明实施例2中OsFAH2基因超量表达材料老化后种子发芽率。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。若未特别指明,实施例均按照常规实验条件,如Sambrook等分子克隆实验手册(Sambrook J&Russell DW,Molecular Cloning:a Laboratory Manual,2001),或按照制造厂商说明书建议的条件。
实施例1 OsFAH2基因分子标记的开发
根据RiceVarMap(http://ricevarmap.ncpgr.cn/v2/)基因序列变异信息显示,OsFAH2第91位核苷酸G/T(SNP位点)在籼稻/粳稻分化,97%籼稻品种的核苷酸为T,而99%粳稻品种的核苷酸为G。利用基因OsFAH2第91位核苷酸G/T变异设计KASP(CompetitiveAllele Specific PCR)标记进行精准选择,构建籼稻品种9311背景的OsFAH2近等基因系。
上述SNP位点的KASP检测引物如下:
OsFAH2F-F:5'-CGGCCTGGTTCCGCTACTCGGCGG-3'(SEQ ID NO:6)
OsFAH2H-F:5'-CGGCCTGGTTCCGCTACTCGGCGT-3'(SEQ ID NO:7)
OsFAH2-R:5'-GTGGCAGTAGAGGCAGTAGTCCGG-3'(SEQ ID NO:8)
实施例2 OsFAH2的KASP标记基因分型与近等基因系的构建
该KASP引物能够准确地区分OsFAH2粳稻和籼稻品种或基因型,可以用于后续分子标记辅助选择育种过程。OsFAH2基因的KASP标记基因分型效果见图1。利用OsFAH2基因的KASP引物对NIP与9311杂交种与9311连续回交4次进行基因选择,构建OsFAH2的NIP近等基因系,遗传背景为9311。最终得到OsFAH2替换为NIP,遗传背景为9311的近等基因系,通过重测序检测基因型,发现全基因组只在OsFAH2处含有1Mb的NIP导入片段。近等基因系NIL-OsFAH2NIP基因型的染色体结构图见图2。
1、9311与NIP近等基因系OsFAH2表达量
利用TRIzol Reagent RNA提取试剂盒(英潍捷基(上海)贸易有限公司)抽提OsFAH2近等基因系NIL-OsFAH2NIP与NIL-OsFAH29311抽穗期的剑叶RNA。反转录后利用qRT-PCR检测OsFAH2的表达量,发现OsFAH2在NIL-OsFAH29311表达量显著地高于NIL-OsFAH2NIP
OsFAH2表达量检测引物序列如下:
RT-F:5'-CATCTACGGGACTGACAGAGG-3'
RT-R:5'-ATCTTGTTTCCCGTTGCCGAATC-3'
OsFAH2在近等基因系中表达量检测结果见图3。
2、9311与NIP近等基因系多不饱和脂肪酸含量
水稻种子脂肪酸提取参照Lu等(2016)。每份样品选取0.2g成熟饱满完整的糙米,置于10ml带盖玻璃管中。加入100μl C17(中国标准物质网,浓度16.2μmol/ml)脂肪酸内标试剂和1.5ml脂肪酸提取液(称取0.01g BHT溶于5ml浓硫酸(国药)和95ml色谱纯甲醇溶液),混匀盖紧盖子后88℃水浴3h。冷却至室温,加入2ml双蒸水和2ml正己烷,涡旋震荡后,3000rpm离心10min。吸取上清液,经过0.22μm过滤膜过滤,转移到1.5ml进样瓶中。
多不饱和脂肪酸测定参照Lu等(2018),采用Gas Chromatograph-MassSepectrometer-computer(GC-MS)内标法。将样品依次放入气相色谱-质谱联用仪(色谱柱:SH Stabil wax DA),分流比为1:30,柱箱初始温度设置为170℃,保持1min,以3℃/min速率升温到230℃,保持3min。测定结束后,利用GC-MS解析软件对测定的峰进行数据库相似性检索,选取所需要的目的峰进行手动积分,根据C17内标峰面积与待测峰面积比,计算种子多不饱和脂肪酸含量(表1)。发现NIL-OsFAH2NIP种子多不饱和脂肪酸含量显著地高于NIL-OsFAH29311(图4)。
表1 9311与NIP近等基因系种子脂肪酸含量
Figure BDA0002024231240000051
3、OsFAH2正调控种子耐贮藏性
将NIL-OsFAH2NIP与NIL-OsFAH29311种子放置到人工老化箱(温度43℃,湿度88%)老化8天,加速种子老化。将处理后种子每50粒分装到垫有3张滤纸的玻璃培养皿(直径9cm),加入15ml单蒸水,避光25℃恒温培养,7天后统计发芽种子发芽率,每份材料重复试验3次。以胚芽或胚根突破种皮超过2mm为种子发芽标准,依老化后种子发芽率作为耐贮藏性指标(表2)。发现NIL-OsFAH29311种子发芽率显著地高于NIL-OsFAH2NIP,其耐贮藏性也更强(图5)。
表2 9311与NIP近等基因系人工老化后种子发芽率
Figure BDA0002024231240000052
Figure BDA0002024231240000061
实施例3 OsFAH2基因超量表达载体构建与遗传转化
将OsFAH2的CDS两端各截取25bp设计引物,加上pC1301S载体KpnI酶切位点两侧同源重组接头,扩增9311的cDNA分离克隆OsFAH2编码区。
引物序列如下:
OEK-F:5'-atgatgatgataaaggtaccATGCTCCCGTACGCGACGGCGGCGG-3'
OEK-R:5'-ctagaggatccccgggtaccATCTTGTTTCCCGTTGCCGAATCCA-3'
超量表达载体pC1301S,即在pC1301载体多克隆位点区域引入CaMV35S启动子。通过同源重组将PCR扩增分离的OsFAH2编码区片段连接到KpnI酶切线性化pC1301S载体上。测序比对无误后,即得到OsFAH2基因超量表达载体。将OsFAH2基因超量表达载体通过转化转入农杆菌EHA105中,挑取单克隆扩大培养,抽提质粒使用OE-F与OE-R进行PCR扩增得到900bp产物,证实转化菌株包含超量表达载体。
筛选引物如下(SEQ ID NO:4-5):
OE-F:5'-ATGCTCCCGTACGCGACGGCGGCG-3'
OE-R:5'-ATCTTGTTTCCCGTTGCCGAATCC-3'
通过农杆菌介导的遗传转化将OsFAH2超量表达载体转入粳稻中花11。获得21株T0代转基因植株,用引物OE-F和OE-R检测转基因材料基因型,证实其中11株为阳性植株,剩余10株均为阴性。对T0代阳性植株进行定量PCR分析,挑选3个表达量显著提高单株OE-8、OE-13、OE-18进行后续分析(图6)。
1、OsFAH2基因超量表达降低种子多不饱和脂肪酸含量测定
通过GC-MS内标法测定OsFAH2超量表达转基因材料OE-8、OE-13与OE-18的T2代种子与中花11多不饱和脂肪酸含量(表3),发现超量表达OsFAH2显著地降低种子的多不饱和脂肪酸,并且种子多不饱和脂肪酸含量与其表达量负相关(图7)。
2、超量表达OsFAH2基因增强种子耐贮藏性
将OE-8、OE-13、OE-18的T2代阳性植株与野生型中花11种子放置到人工老化箱(温度43℃,湿度88%)老化8天,加速种子老化。将处理后种子每50粒分装到垫有3张滤纸的玻璃培养皿(直径9cm),加入15ml单蒸水,避光25℃恒温培养,7天后统计发芽种子发芽率,每份材料重复试验3次。以胚芽或胚根突破种皮超过2mm为种子发芽标准,依老化后种子发芽率作为耐贮藏性指标(表4)。发现超量表达OsFAH2基因显著地提高种子发芽率,增强水稻种子耐贮藏性(图8)。
脂氧合酶是目前研究较为广泛的脂肪酸代谢相关基因,其促进脂肪酸过氧化,负调控种子耐贮藏性。而本研究发现OsFAH2促进不饱和脂肪酸降解,显著地增强种子耐贮藏性,因此,OsFAH2具有较强的应用价值。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之做一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Figure BDA0002024231240000081
参考文献
[1]Lu,S.P.,Yao,S.B.,Wang,G.L.,Guo,L.,Zhou,Y.M.,Hong,Y.Y.,et al.(2016).Phospholipase Dεepsilon enhances Braasca napus growth and seedproduction in response to nitrogen availability.Plant Biotech.J.14(3),926-937.
[2]Lu,S.P.,Sturtevant,D.,Aziz,M.,Jin,C.,Li,Q.,Chapman,K.D.,et al.(2018).Spatial analysis of lipid metabolites and expressed genes revealstissue-specific heterogeneity of lipid metabolism in high-and low-oilBrassica napus L.seeds.Plant J.94(6),915-932.
序列表
<110> 华中农业大学
<120> 水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的应用
<130> KHP191111845.1
<160> 8
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1939
<212> DNA
<213> 水稻(Oryza sativa)
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275 280 285
Gly Asp Glu Asn Gly Phe Gly Asn Gly Lys Gln Asp
290 295 300
<210> 4
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 4
atgctcccgt acgcgacggc ggcg 24
<210> 5
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
atcttgtttc ccgttgccga atcc 24
<210> 6
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 6
cggcctggtt ccgctactcg gcgg 24
<210> 7
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 7
cggcctggtt ccgctactcg gcgt 24
<210> 8
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 8
gtggcagtag aggcagtagt ccgg 24

Claims (8)

1.水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2的以下任一应用:
1)用于降低植物种子内多不饱和脂肪酸含量;
2)用于增强植物种子耐贮藏性;
3)用于培育低多不饱和脂肪酸含量且种子耐贮藏性提高的植物品种;
其中,所述水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2编码的蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO:3所示;
所述植物为水稻。
2.一种培育低多不饱和脂肪酸含量且种子耐贮藏性提高的水稻品种的方法,其特征在于,所述方法包括:使植物过表达水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2
其中,水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2编码的蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO:3所示;
所述植物为水稻。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述方法包括转基因、杂交、回交、自交或无性繁殖。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述方法包括:用水稻脂肪酸羟化酶OsFAH2基因cDNA转化植物细胞,将被转化的植物细胞再生为植株,通过PCR鉴定转基因材料OsFAH2基因的表达量,获得阳性转基因植株。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,PCR鉴定使用的引物为OE-F和OE-R,它们的核苷酸序列如SEQ ID NO:4-5所示。
6.用于检测与水稻低多不饱和脂肪酸含量且强种子耐贮藏性相关的SNP位点的KASP引物,其特征在于,所述SNP位点为水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2 cDNA序列第91bp处的G/T,所述KASP引物由OsFAH2F-F、OsFAH2H-F和OsFAH2-R组成,它们的核苷酸序列分别如SEQ IDNO:6-8所示。
7.权利要求6所述KASP引物的以下任一应用:
1)用于鉴定低多不饱和脂肪酸含量水稻品种;
2)用于鉴定强种子耐贮藏性水稻品种;
3)用于鉴定低多不饱和脂肪酸含量且种子耐贮藏性提高的水稻品种;
4)用于水稻脂肪酸羟化酶基因OsFAH2分型;
5)用于水稻分子标记辅助育种。
8.含有权利要求6所述KASP引物的检测试剂或试剂盒。
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