CN110249998B - 增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2a片段错位重复结构变异染色体的培育方法及应用 - Google Patents

增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2a片段错位重复结构变异染色体的培育方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构变异染色体的培育方法及应用。该培育方法具体为：以基因组为AABB的四倍体小麦为母本，基因组为DD的节节麦为父本进行杂交，杂种F1经减数分裂形成未减数配子，雌雄未减数配子结合形成基因组组成为AABBDD组成的人工合成小麦Syn‑SAU‑2，对Syn‑SAU‑2自交后代进行分子细胞学和转录组基因表达鉴定，选出2A片段73.2‑182.3Mb发生错位重复的染色体，命名为2AS73.2‑182.3Mb‑2AS·2AL。上述的应用为上述染色体在小麦育种中的应用。本发明有利于选育穗子增长和小穗数增多的大穗型小麦新品种。

Description

增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构 变异染色体的培育方法及应用
技术领域
本发明属于农作物育种技术领域，具体地说，涉及一种增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构变异染色体的培育方法及应用。
背景技术
小麦是世界最重要的粮食作物。不断增长的世界人口和日异变化的全球气候对小麦产量的进一步提升造成了不小的挑战。小麦的产量可以分解为单位面积的穗数、每穗粒数及粒重三个构成因素。每穗小穗数目是影响穗粒数的重要因素，因而挖掘对小穗数具有正向增长效应资源十分有必要。
普通小麦是一个典型的异源六倍体，起源于四倍体小麦Triticum turgidum和二倍体节节麦Aegilops tauschii杂交和随后的自发全基因组加倍。这一过程能够在实验室被模拟重复，形成的基因组组成为AABBDD的新异源六倍体被称为人工合成小麦。从20世纪80年代开始，“国际玉米和小麦改良中心”已经创制了超过1000份的人工合成小麦。国内，四川农业大学小麦研究所利用未减数配子引发的自动染色体加倍技术，在本世纪初也创制了100多份完全自主产权的人工合成小麦。人工合成小麦含有许多普通小麦所不具有的等位变异，包括对穗长和小穗数具有正向促进效应的位点，是小麦遗传改良重要的基因源。人工合成小麦基因组组成与普通小麦一致，两者之间不存在生殖隔离，所蕴含的有益基因易于通过简单杂交导入小麦。
许多性状不仅受其控制基因的不同等位变异类型影响，往往还与基因的具体表达水平相关。控制基因的表达水平有两个基本方法。一方面是修改基因的启动子等调控因子。例如，在转基因研究中，使用不同的启动子导入相同的目的基因，可导致转入材料的目的基因表达水平不相同,进而形成表现出不同的性状。另一方面，修改基因的拷贝数。根据基因对剂量的敏感与否，基因的表达水平可能会随着拷贝数的变化而变化或者不变化。一些染色体结构变化，如染色体片段重复，会引起重复片段内基因的拷贝数增加。已知染色体数目或结构变化是伴随着异源多倍体化的一个普遍现象。因此，新合成异源多倍体为我们筛选特定具有育种价值的染色体结构变异提供了材料。截止目前，还没有报道对小麦遗传育种具有潜在利用价值的染色体结构变异类型。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构变异染色体的培育方法，该结构变异染色体可以作为培育大穗型小麦品种的供体。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构变异染色体的培育方法，包括以下步骤：
步骤1、以基因组为AABB的四倍体小麦为母本，基因组为DD的节节麦为父本进行杂交，得到杂种F1代材料；
步骤2、杂种F1发芽移栽至大田，通过减数分裂形成染色体数目没有减少的雌雄未减数配子，自交形成染色体组成和普通小麦一致的人工合成小麦Syn-SAU-2；
步骤3、对Syn-SAU-2自交后代进行分子细胞学和转录组基因表达鉴定，以IWGSC小麦参考基因组1.0版本为标准，选出2A片段73.2-182.3Mb发生错位重复的染色体，命名为2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL。
可选地，所述的四倍体小麦为小麦AS313，染色体数2n＝28；基因组为DD的节节麦为节节麦AS60，染色体数2n＝14。
可选地，所述的小麦Syn-SAU-2的基因组组成为AABBDD，染色体数为2n＝42。
可选地，所述的对Syn-SAU-2自交后代进行分子细胞学和转录组基因表达鉴定具体为：结合小麦Oligo-pSc119.2、Oligo-pSc535和基因组荧光原位杂交识别出染色体短臂片段重复的2A染色体；利用转录组测序，比对正常的Syn-SAU-2，发现2A染色体短臂片段重复选系在73.2Mb到182.3Mb区段的大量基因表达水平平均上调2倍；判定2A染色体额外附加的一段染色体片段来源于为2AS染色体73.2-182.3Mb，对应染色体命名为2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL。
本发明还公开了一种上述的培育方法培育成的增加小麦叶长和穗长的错位片段重复2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL染色体。
本发明还公开了一种上述的增加小麦叶长和穗长的错位片段重复2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL染色体在小麦育种中的应用。
本发明还公开了一种上述的增加小麦叶长和穗长的错位片段重复2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL染色体在鉴定穗长和小穗数中的应用。
可选地，包括以下步骤：随机选取含纯合2A正常染色体的Syn-SAU-2种子12粒，含纯合2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL片段错位重复染色体的SegT2A种子11粒，发芽后移栽到温室，温室设置为22℃光照16小时，16℃黑暗处理8小时；在成熟期测定所有材料的穗长和小穗数。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明在世界上首次合成了2A染色体73.2-182.3Mb片段(IWGSC小麦参考基因组1.0版本)发生一次错位复制的结构变异染色体(2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL)，该染色体错位重复由丢失了2A短臂末端Oligo-pSc119.2信号，保留Oligo-pSc535全部信号的2A和其本身从73.2-182.3Mb的一个重复染色体片段构成，即该重复片段结合到Oligo-pSc119.2信号丢失的2A染色体短臂末端，形成了一对全新的错位重复2A染色体。通过荧光原位杂交技术和转录组测序技术，证明了该结构变异染色体的准确结构。
2)遗传分析表明该结构变异2A染色体2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL减数分裂稳定，后代分离比符合孟德尔遗传。
3)对该材料进行农艺性状考察，结果表明相比较于含有正常2A染色体的Syn-SAU-2，2A染色体片段错位重复系SegT2A生长更加旺盛，穗子和小穗数显著增加。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明SegT2A和对照Syn-SAU-2的荧光原位杂交图；其中，A代表对照Syn-SAU-2用pSc119.2和pTa-535鉴定的荧光原位杂交核型,其中箭头指示正常的2A染色体，B代表SegT2A的pSc119.2和pTa-535荧光原位杂交核型,其中箭头指示染色体结构变异的2A染色体(即2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL)，C代表SegT2A的基因组原位杂交鉴定，表明其染色体结构变异的2A染色体重复片段来自于A基因组；
图2是本发明SegT2A和对照人工合成小麦Syn-SAU-2抽穗一半穗子中基因表达水平差异倍数分布，其中，横坐标表示基因在小麦参考基因组(IWGSC_RefSeq_V1)上的物理位置，纵坐标表示基因在SegT2A和Syn-SAU-2间表达水平差异倍数(Fold change)加上1的log2值。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
一种增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构变异染色体的培育方法，包括以下步骤：
步骤1、以四倍体小麦AS313(基因组AABB)为母本，节节麦AS60(基因组DD)为父本进行杂交，得到杂种F1代材料；
步骤2、杂种F1发芽移栽至大田，通过减数分裂形成染色体数目没有减少的雌雄未减数配子，自交形成染色体组成和普通小麦一致的人工合成小麦Syn-SAU-2，基因组组成为AABBDD，染色体数为2n＝42；
步骤3、利用Oligo-pSc119.2和Oligo-pSc535探针对Syn-SAU-2自交后代进行进行荧光原位杂交鉴定，选出2A染色体短臂末端Oligo-pSc119.2信号消失，保留全部Oligo-pSc535信号且附加了一段染色体片段的材料(图1B,图1A为正常对照)；同一片子，洗脱掉Oligo-pSc119.2和Oligo-pSc535探针信号，进行第二轮基因组荧光原位杂交；以地高辛标记的二倍体乌拉尔图小麦基因组DNA(特异杂交小麦的A基因组，图1C)和生物素标记的二倍体节节麦基因组DNA(特异杂交小麦D基因组，图1C)作为探针，没有标记的拟斯卑尔脱山羊草基因组DNA作为封组，确认2A染色体额外附加的一段染色体片段来源于A基因组(图1C)；
步骤4、取2A发生结构变异材料和Syn-SAU-2抽出一半的穗子提取总RNA，建库后进行Illumina平台二代转录组测序；利用TopHat软件将测序获得的reads比对到从公共数据库International Wheat Genome Sequencing Consortium(IWGSC)下载的小麦基因组参考序列(IWGSC_RefSeq_V1)；将注释基因的表达水平转化成Fragments per kilobase permillion fragments(FPKM)值，代表各个基因的表达水平；
步骤5、用2A发生结构变异材料的各个基因的FPKM值除以对应Syn-SAU-2各个基因的FPKM值，得到所有基因的表达差异倍数；结合各个基因在参考基因组上的物理位置，得出每个基因在两个材料间的表达水平差异倍数在染色体上的分布，如图2所示；根据重复片段内基因的剂量由原来的两份变为4份，对剂量变化敏感的基因表达水平也会相应地增加约两倍，确认2A染色体短臂73.2-182.3Mb区段符合这一变化，判定2A染色体额外附加的一段染色体片段来源于为2AS染色体73.2-182.3Mb，对应染色体命名为2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL，利用上述方法培育出的小麦材料命名为SegT2A。
实施例2
人工合成小麦2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL片段错位重复染色体的遗传分离比鉴定，包括以下步骤：
步骤1、分子细胞学鉴定获得含有一条正常2A和2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL的杂合单株，自交获得后代种子；
步骤2、随机选择24粒种子，利用Oligo-pSc119.2和Oligo-pSc535作为探针进行原位杂交鉴定，得出纯合正常2A：杂合2A和纯合2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL的植株数分别为6:13:5(表1)，符合孟德尔遗传分离比1:2:1。
表1 2A/2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL杂合单株自交后代基因型
Figure BDA0002132412450000061
Figure BDA0002132412450000071
实施例3
人工合成小麦2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL片段错位重复染色体对穗长和小穗数影响鉴定，包括以下步骤：
步骤1、随机选取Syn-SAU-2(含纯合2A正常染色体)种子12粒，SegT2A(含纯合2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL片段错位重复染色体)种子11粒，发芽后移栽到温室，温室设置为22摄氏度16小时(光照)，16摄氏度8小时(黑暗)；
步骤2、在成熟期测定所有材料的穗长和小穗数(表2)。由表1可知，SegT2A的平均穗长14.9cm显著长于Syn-SAU-2的平均穗长11.9cm(p＝4.04e-10，双尾t检验)；SegT2A的平均小穗数15.8显著多于Syn-SAU-2的平均小穗数12.8(p＝1.37e-05，双尾t检验)。表明2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL片段错位重复染色体对穗长和小穗数具有正向增长效应。
表2小麦的穗长和小穗数
Figure BDA0002132412450000072
Figure BDA0002132412450000081
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种增加小麦穗长和小穗数的人工合成小麦2A片段错位重复结构变异染色体的培育方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、以基因组为AABB的四倍体小麦为母本，基因组为DD的节节麦为父本进行杂交，得到杂种F1代材料；
步骤2、杂种F1发芽移栽至大田，通过减数分裂形成染色体数目没有减少的雌雄未减数配子，自交形成染色体组成和普通小麦一致的人工合成小麦Syn-SAU-2；
步骤3、对Syn-SAU-2自交后代进行分子细胞学和转录组基因表达鉴定，以IWGSC小麦参考基因组1.0版本为标准，选出2A片段73.2-182.3Mb发生错位重复的染色体，命名为2AS73.2 -182.3Mb-2AS·2AL；
所述的对Syn-SAU-2自交后代进行分子细胞学和转录组基因表达鉴定具体为：结合小麦Oligo-pSc119.2、Oligo-pSc535和基因组荧光原位杂交识别出染色体短臂片段重复的2A染色体；利用转录组测序，比对正常的Syn-SAU-2，发现2A染色体短臂片段重复选系在73.2Mb到182.3Mb区段的大量基因表达水平平均上调2倍；判定2A染色体额外附加的一段染色体片段来源于为2AS染色体73.2-182.3Mb，对应染色体命名为2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL。
2.根据权利要求1所述的培育方法，其特征在于，所述的四倍体小麦为小麦AS313，染色体数2n＝28；基因组为DD的节节麦为节节麦AS60，染色体数2n＝14。
3.根据权利要求1所述的培育方法，其特征在于，所述的小麦Syn-SAU-2的基因组组成为AABBDD，染色体数为2n＝42。
4.权利要求1所述的培育方法培育成的增加小麦叶长和穗长的错位片段重复2AS73.2 -182.3Mb-2AS·2AL染色体。
5.权利要求4所述的增加小麦叶长和穗长的错位片段重复2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL染色体在小麦育种中的应用。
6.权利要求4所述的增加小麦叶长和穗长的错位片段重复2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL染色体在鉴定穗长和小穗数中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：随机选取含纯合2A正常染色体的Syn-SAU-2种子12粒，含纯合2AS73.2-182.3Mb-2AS·2AL片段错位重复染色体的SegT2A种子11粒，发芽后移栽到温室，温室设置为22℃光照16小时，16℃黑暗处理8小时；在成熟期测定所有材料的穗长和小穗数。
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