CN111303259A - 水稻转录因子基因OsBEAR1在培育胚芽鞘增长或适于田间直播的水稻品种中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一个调控水稻胚芽鞘生长发育基因OsBEAR1及其应用,该基因的MSU ID为“LOC_Os11g15210”,编码如SEQ ID NO:3所示的氨基酸序列。通过基因编辑方法在日本晴中将该基因突变敲除,敲除OsBEAR1后的水稻幼苗胚芽鞘的生长发育加快并显著长于受体水稻幼苗胚芽鞘。胚芽鞘的增长有利于水稻出芽以及田间直播,本发明为适合田间直播水稻品种的改造与培育提供了基础。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及水稻胚芽鞘生长发育基因OsBEAR1及其应用。
背景技术
水稻是人类重要的粮食作物,人们一直致力于追求简便、经济、高效的生产方式,水稻直播技术便是这高效栽培的重要一环。水淹是水稻直播的最重要的限制性因素,水淹会造成缺氧,而缺氧时细胞会产生和积累有毒物质,不利于水稻的萌发。很多水稻品种在淹水条件下成苗率会严重下降,从而限制了其在直播中的应用。
胚芽鞘是植物的保护组织,保护胚芽在出土时不受伤害。同时,水稻胚芽鞘能够在缺氧环境中生长,对于水稻幼苗出水具有重要作用。生长发育快,更长的胚芽鞘对于淹水条件下的出苗率有着重要的意义,胚芽鞘快速生长可以使其尽快出水通气并向下供给氧气,减少细胞有毒物质的积累,提高水稻的出苗率。
培育耐淹水、适合直播生产的水稻品种具有重要的经济与应用价值,而胚芽鞘生长快,具有更长胚芽鞘的品种往往更适合直播。近年来胚芽鞘方面国内外报道较少。因此,改造或培育长芽鞘的水稻品种,对于水稻生产具有重要意义。
发明内容
OsBEAR1,一个bHLH家族的转录因子,其编码的蛋白GenBank: ABA92524.1,通过基因编辑的方法在日本晴水稻中将该基因敲除,我们发现其胚芽鞘的生长发育加快并长于受体水稻。这对于改造或培育耐淹水、适合直播的品种提供了基础。
本发明的目的是提供一个来源于水稻的转录因子基因OsBEAR1,在日本晴中将水稻OsBEAR1敲除后能够提高胚芽鞘的长度。
本发明提供水稻转录因子基因OsBEAR1在培育胚芽鞘增长和/或适于田间直播的水稻品种中的应用,所述水稻转录因子基因OsBEAR1编码如SEQ ID NO:3所示的氨基酸序列。
本发明提供的水稻转录因子基因OsBEAR1(MSU ID为LOC_Os11g15210),来源于水稻(Oryza sativa),其基因全长序列如SEQ ID NO:1所示,由2346个核苷酸组成;其基因编码区序列如SEQ ID NO:2所示(LOC_Os11g15210.1),由1377个核苷酸组成;其编码蛋白质氨基酸序列如SEQ ID NO:3所示,由458个氨基酸残基组成。
所述的应用,其是下调或敲除水稻中所述水稻转录因子基因OsBEAR1的表达。
所述的应用,所述敲除水稻中所述水稻转录因子基因OsBEAR1的表达,其中敲除针对的靶序列为:“5′-GGCTCTCGTCGACCGTATCA-3′(SEQ ID NO:4)。
同时本发明还提供一种培育胚芽鞘增长和/或适合田间直播的水稻品种的方法,该方法将水稻中的OsBEAR1基因进行敲除,经过筛选获得稳定可遗传的胚芽鞘增长的水稻植株。
所述的方法,其是通过CRISPR方法编辑敲除所述基因;所述敲除针对的靶序列为:“5′-GGCTCTCGTCGACCGTATCA- 3′(SEQ ID NO:4)。
进一步地,所述的方法,还包括收集遗传转化获得的T0代植株的种子播种获得T1代种子,通过测序验证获得纯合突变的敲除植株或种子。
所述测序验证的方法是,提取T1代植株的基因组DNA,并用下述特异性引物进行PCR扩增并测序:
F:CGTCGGGACTAGCTGAAA,
R:ATTGCTCTGCCTAAACATACA。
本发明还提供一种培育的水稻品种的方法,该方法将水稻中的OsBEAR1基因进行敲除,经过筛选获得稳定可遗传的胚芽鞘增长的水稻植株。
本发明提供所述基因的CRISPR基因编辑重组载体。
本发明提供所述基因(OsBEAR1)在培育胚芽鞘增长及适用于田间直播水稻品种中的应用。上述应用是利用CRISPR技术编辑敲除日本晴基因组中的目的基因OsBEAR1,获得所述基因功能缺失的胚芽鞘长于受体的水稻。
实验表明,通过CRISPR技术将本发明所述的基因OsBEAR1敲除后,能够使敲除植物胚芽鞘的生长发育速率加快并长于受体植物,这有利于提高水淹条件下种子的萌发和出苗率。本发明为改造或培育其他耐水淹、合适直播的水稻品种提供了基础。
附图说明
图1. 基因编辑植株PCR鉴定电泳图。
图2. 敲除植株靶位点的测序峰图。
图3. 敲除前后靶位点的序列比对图,图中sbjct表示原受体植物的参考序列,Query表示敲除植物的测序序列,如图所示,OsBEAR1基因敲除植物的基因组序列,在原参考序列的第821个碱基T后插入了一个A,这个碱基A的插入达到了该基因敲除的效果。
图4. 胚芽鞘表型图,图中WT表示未敲除的受体水稻,CRI-BEAR表示敲除后的水稻,图中每种材料各取了8棵,图中标尺为1cm。
图5. 胚芽鞘长度统计图,图中WT表示受体水稻,CRI-BEAR表示敲除水稻,该胚芽鞘的长度值为图4中8棵的平均值。
具体实施方式
下面通过具体实施方式的详细描述来进一步阐明本发明,但不是对本发明的限制,仅仅作示例说明。
下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,所用的试验材料,如无特殊说明,均为常规生化试剂与药品,实验均设置三次重复以上,结果取平均值。
实施例1:水稻OsBEAR1的敲除
一、OsBEAR1敲除载体的构建
利用在线工具(http://skl.scau.edu.cn/)从OsBEAR1基因序列的特异性区段中选择待敲除的靶序列:“5′-GGCTCTCGTCGACCGTATCA-3′”(SEQ ID NO:4)。
选用带启动子OsU6a的sgRNA表达载体“pYLsgRNA-OsU6a”,合成靶序列相应的接头引物:
上游引物:5′-GCCGGGCTCTCGTCGACCGTATCA -3′
下游引物:5′-AAACTGATACGGTCGACGAGAGCC -3′
将两引物退火结合形成小DNA片段。
用引物UF: 5′-CTCCGTTTTACCTGTGGAATCG -3′和gR-R: 5′-CGGAGGAAAATTCCATCCAC-3′以pYLsgRNA-OsU6a载体为模板进行反向PCR,使其线性化。用限制性内切酶Bsa I酶切线性化的pYLsgRNA-OsU6a然后加入退火后的带接头的靶序列DNA片段,然后用T4连接酶连接,获得插入靶序列的sgRNA表达载体线性化DNA片段。接着,利用巢试引物
Pps: TTCAGAGGTCTCTACCGACTAGTATGGAATCGGCAGCAAAGG
Pgs:AGCGTGGGTCTCGCTCGACGCGTATCCATCCACTCCAAGCTC
以插入靶序列的线性化DNA片段为模板进行PCR,电泳回收目的片段并用Bsa I酶切备用。
选用带Cas9的双元载体“pYLCRISPR/Cas9P35S”,将该载体用Bsa I双酶切并与上述Bsa I酶切过的目的片段连接,转化大肠杆菌后于Kan培养基上培养,用测序引物
SP-R: 5′-CGACATAGATGCAATAACTTCG-3′进行测序筛选正确的重组克隆。提取重组CRISPR质粒备用。至此,包含有2X35S-Cas9和OsU6a-靶序列sgRNA的重组CRISPR载体构建完成。
通过液氮冻融法将重组质粒转化到农杆菌EHA105中以用于后续水稻的遗传转化。
二、CRISPR重组载体的遗传转化
本发明所使用的遗传转化流程如下:
1、水稻种子愈伤组织在N6D培养基上,32℃全光照诱导培养15天。
2、愈伤组织在N6D培养基上,32℃全光照继代培养5天。
3、将活化扩大培养的转化有CRISPR重组质粒的农杆菌与愈伤组织共培养,在2N6-AS培养基中25℃暗培养3天。
4、将共培养后的愈伤组织于筛选培养基上32℃暗培养并筛选60天。
5、将筛选到的优良的愈伤组织于分化培养基上25℃光照培养及分化30天。
6、将分化培养得到的幼苗转移到生根培养基25℃光照培养7天。至此,遗传转化完成。
7、将转化得到的幼苗炼苗并转移到土壤环境中培养。
三、成功敲除植株的鉴定
通过CTAB法提取植株叶片的基因组DNA,以OsBEAR1的特异性区段引物进行PCR扩增,扩增程序如下:94 ºC预变性4分钟,94 ºC变性40秒,58 ºC退火30秒,72 ºC延伸1分钟,扩增30个循环,最后再72 ºC延伸5分钟。然后将PCR产物测序并与OsBEAR1的原序列进行比对,利用解双峰软件辅助分析,靶序列发生核苷酸的增删等突变的即为敲除成功的植株。
特异性区段引物核苷酸序列( 5′-3′)如下:
F:CGTCGGGACTAGCTGAAA
R:ATTGCTCTGCCTAAACATACA
四、纯合敲除植株的获得
遗传转化获得的幼苗基因型通常是杂合子,将T0代植株收获的种子在大田里种下,提取T1代植株叶片的基因组DNA并用上述OsBEAR1的特异性区段引物进行PCR扩增并测序,获得纯合突变的敲除植株及种子。数据结果如图1、图2、图3所示。OsBEAR1基因敲除植物的基因组序列,在原参考序列的第821个碱基T后插入了一个A(SEQ ID NO:5),这个碱基A的插入达到了该基因敲除的效果。
CRISPR敲除结果表明,基因OsBEAR1序列在靶位点处确实发生增删碱基之类的突变,这类突变导致了其蛋白编码提前终止等效果,造成基因原功能的缺失,达到了基因敲除的目的。
实施例2:OsBEAR1敲除植株胚芽鞘生长实验
本发明所用生长实验的流程为:以受体水稻(WT)和OsBEAR1的CRISPR敲除水稻(CRI-BEAR)为实验材料,取饱满优良的种子,首先42℃烘24h,接着用蒸馏水在37℃浸种吸胀12h,然后将种子于半暴露的浅水层催芽2天。将萌发的种子转移至24度,13h光照11h黑暗的光周期培养间环境中用蒸馏水培养,观察并于光周期培养的第三天拍照,每种材料随机各取8棵,记录胚芽鞘表型(图4),其相应胚芽鞘长度统计如图5,受体水稻(WT)胚芽鞘的长度平均值为0.61cm,敲除水稻(CRI-BEAR)胚芽鞘的长度平均值为0.81cm,明显高于受体水稻。
实验表明,在出芽阶段,基因OsBEAR1敲除后的材料的胚芽鞘明显长于原受体水稻,其生长速率也高于原受体水稻。这有利于提高水淹条件下种子的萌发和出苗率。
<110> 中国农业科学院生物技术研究所
<120> 水稻转录因子基因OsBEAR1在培育胚芽鞘增长或适于田间直播的水稻品种中的应用
<160> 5
<210> 1
<211>2346
<212> DNA
<213>水稻OsBEAR1基因
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<211> 1377
<212> DNA
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Claims (10)
1.水稻转录因子基因OsBEAR1在培育胚芽鞘增长和/或适于田间直播的水稻品种中的应用,其特征在于,所述水稻转录因子基因OsBEAR1编码如SEQ ID NO:3所示的氨基酸序列。
2.如权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的水稻转录因子基因OsBEAR1具有SEQID NO:2所示编码区的核苷酸序列。
3.如权利要求1或2所述的应用,其特征在于,其是下调或敲除水稻中所述水稻转录因子基因OsBEAR1的表达。
4.如权利要求3所述的应用,其特征在于,所述敲除水稻中所述水稻转录因子基因OsBEAR1的表达,其中敲除针对的靶序列为:“5′-GGCTCTCGTCGACCGTATCA- 3′”。
5.一种培育胚芽鞘增长和/或适合田间直播的水稻品种的方法,其特征在于,将水稻中的OsBEAR1基因进行敲除,经过筛选获得稳定可遗传的胚芽鞘增长的水稻植株。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于:其是通过CRISPR方法编辑敲除所述基因。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于:所述敲除针对的靶序列为:“5′-GGCTCTCGTCGACCGTATCA-3′”。
8.如权利要求5所述的方法,其特征在于:还包括收集遗传转化获得的T0代植株的种子播种获得T1代种子,通过测序验证获得纯合敲除突变的植株或种子。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于:所述测序验证的方法是,提取T1代植株的基因组DNA,并用下述特异性引物进行PCR扩增并测序:
F:CGTCGGGACTAGCTGAAA,
R:ATTGCTCTGCCTAAACATACA。
10.一种培育的水稻品种的方法,其特征在于,将水稻中的OsBEAR1基因进行敲除,经过筛选获得稳定可遗传的胚芽鞘增长的水稻植株。
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