CN112680471B - ZmSPL基因在调控玉米柱头乳突细胞发育中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了ZmSPL基因在调控玉米柱头乳突细胞发育中的应用。本发明利用CRISPR/Cas9转基因技术敲除玉米ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因,通过基因型鉴定,分别获得了Zmsbp14单突变体和Zmsbp14/10/26三突变体,其中,在玉米Zmsbp14单突植株中观察到雌穗花丝的乳突细胞减少,而三突变体植株的花丝则完全缺少乳突细胞。本发明确定ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因能对玉米柱头乳突细胞的发育或数量进行调控,为玉米乳突细胞的发育遗传改良提供了理论依据,在培育玉米新品种或玉米的遗传改良上具有重要的应用前景。

Description

ZmSPL基因在调控玉米柱头乳突细胞发育中的应用
技术领域
本发明涉及ZmSPL基因在调控玉米生长发育中的应用,尤其涉及三个同源基因ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因在调控玉米柱头乳突细胞发育中的应用,属于ZmSPL基因的新用途领域。
背景技术
玉米(Zea mays L.)雌穗的小花包括柱头、花柱和子房三部分。通常所讲的花丝即为柱头,它对于粘着花粉以及子房的受精结实具有重要的作用。玉米花丝在纵轴方向各个部位都着生有乳突细胞,即茸毛。花丝乳突细胞的作用是接受并粘着花粉以利于受精结实。成熟玉米花丝的各个部位都分布着茸毛,但茸毛并不是同时出现在花丝的各个部位,它的出现伴随着花丝内部导管的发育。根据茸毛发生与否,将花丝的发育过程分为3个阶段:
(1)花丝发育初期(长度为0.1~0.2cm):此时果穗中下部花丝刚刚形成,此时茸毛没有出现;
(2)花丝发育中期(长度为0.3~16cm):花丝长度为0.3~0.6cm时,维管组织开始分化。首先分化出第1条木质部导管,此时在花丝的顶部出现茸毛。当花丝长度在1~2cm时,花丝维管组织内分化出第2条木质部导管,茸毛在花丝的中部出现。果穗上花丝继续发育,并继续伸长。当花丝达到2~3cm时,维管组织分化出第3条木质部导管,此时茸毛在花丝的基部出现,并且茸毛数量少于中部和顶部。此后花丝继续生长(3~16cm),内部结构进一步分化。导管继续分化形成一列(6~7条),茸毛也不断伸长,并且顶部的茸毛发育最好,生长速率最快,数量最多。茸毛发生与导管分化是相伴出现的;
(3)花丝发育后期(16~42cm):此期开始时花丝刚刚抽出苞叶,生长速率达到最大,木质部导管的管腔增大、对花丝的支持作用以及输送营养物质的功能进一步增强。茸毛的长度和数量继续增加,这更有利于粘着花粉,使吐丝小花受精结实。之后花丝生长速率逐渐减慢,茸毛开始皱缩,导管的管壁逐渐增厚、管腔缩小,输送营养的能力也开始变小。最后茸毛和导管以及整个维管组织皱缩成一团,花丝功能丧失(李金才等,2002)。授粉过程是植物有性生殖的关键环节,授粉效率的高低,直接影响了粮食产量。
SPL(SQUAMOSA promoter binding protein-like)是植物特有的一类转录因子,含有结合DNA的SBP-box结构域,因此又被称为SBP转录因子,SPL(或SBP)广泛存在于绿色植物中。SPL在植物形态建成、发育阶段转变、孢子发生、花和果实发育、花青素积累、逆境胁迫应答以及激素信号转导等多个生理生化过程中发挥重要调控作用(Wang andWang,.2015)。SPL在拟南芥中有17个基因家族成员,在水稻中有19个,在玉米中有30个基因家族成员(Weiet al.,2018)。前人的研究报道了5个ZmSPL基因对玉米植株株型和籽粒特征的调控作用,分别为LIGULELESS(LG1)调控叶夹角,UNBRANCHED2(UB2)和UB3调控雄穗分枝数,TASSELSHEATH(TSH4)调控苞叶发育、雄穗分枝数和植株分蘖,TEOSINTE GLUMEARCHITECTURE1(TGA1)调控籽粒颖壳发育;迄今为止,尚没有关于ZmSPL基因调控玉米柱头乳突细胞发育的报道。
发明内容
本发明的主要目的是提供ZmSPL基因在调控玉米柱头乳突细胞发育中的应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明利用CRISPR/Cas9转基因技术敲除玉米中ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因,通过基因型鉴定,分别获得了Zmsbp14单突变体和Zmsbp14/10/26三突变体,在玉米Zmsbp14单突植株中观察到雌穗花丝的乳突细胞减少,而Zmsbp14/10/26三突植株的花丝则完全缺少乳突细胞;由此,本发明确定ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的任何一种基因具有调控玉米雌穗花丝的乳突细胞发育或调控玉米雌穗花丝的乳突细胞数量的功能。
其中,所述ZmSBP14基因的核苷酸序列为SEQ ID No.1所示,所述ZmSBP10基因的核苷酸序列为SEQ ID No.2所示,所述ZmSBP26基因的核苷酸序列为SEQ ID No.3所示。
由此,本发明提供了一种促进玉米雌穗花丝的乳突细胞发育或增加玉米雌穗花丝的乳突细胞数量的方法,包括:
(1)构建含有ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的任何一种基因的植物表达载体;将所述植物表达载体转化到玉米中,将ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因在玉米中进行过表达;
或者(2):构建含有ZmSBP14基因和ZmSBP10基因的植物表达载体;将所述植物表达载体转化到玉米中,将ZmSBP14基因和ZmSBP10基因同时在玉米中进行过表达;
或者(3):构建含有ZmSBP10基因和ZmSBP26基因的植物表达载体;将所述植物表达载体转化到玉米中,将ZmSBP10基因和ZmSBP26基因同时在玉米中进行过表达;
或者(4):构建含有ZmSBP14基因和ZmSBP26基因的植物表达载体;将所述植物表达载体转化到玉米中,将ZmSBP14基因和ZmSBP26基因同时在玉米中进行过表达;
或者(5):构建含有ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因的植物表达载体;将所述植物表达载体转化到玉米中,将ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因同时在玉米中进行过表达。
本发明还提供了一种延缓或阻滞玉米雌穗花丝的乳突细胞发育、或减少玉米雌穗花丝的乳突细胞数量的方法,包括:
(1)构建ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的任何一种基因的敲除载体;将所构建的基因敲除载体转化到玉米植物中,将玉米中的ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的任何一种基因敲除或进行突变,或者将ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的一种以上的基因同时进行敲除或突变。
花丝乳突细胞的作用是接受并粘着花粉以利于受精结实,Zmsbp14单突和Zmsbp14/10/26三突植株由于乳突细胞发育缺陷,导致雌穗的结实率降低。因此,应用本发明的方法可以促进或提高玉米的雌穗的结实率或者培育雌穗高结实率的玉米新品种;相反,通过构建ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的任何一种基因的编辑或敲除载体,将玉米中ZmSBP14基因,ZmSBP10基因或ZmSBP26基因中的任何一种基因进行敲除或进行突变,能够显著降低玉米的雌穗的结实率,或者培育雌穗结实率降低的玉米新品种。
本发明利用ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因对玉米柱头乳突细胞的发育进行调控,不仅对玉米柱头乳突细胞的发育遗传改良提供了理论依据,也在培育玉米新品种或遗传改良上具有重要的应用前景。
本发明所涉及到的术语定义
除非另外定义,否则本文所用的所有技术及科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所了解相同的含义。
术语“多核苷酸”或“核苷酸”意指单股或双股形式的脱氧核糖核苷酸、脱氧核糖核苷、核糖核苷或核糖核苷酸及其聚合物。除非特定限制,否则所述术语涵盖含有天然核苷酸的已知类似物的核酸,所述类似物具有类似于参考核酸的结合特性并以类似于天然产生的核苷酸的方式进行代谢。除非另外特定限制,否则所述术语也意指寡核苷酸类似物,其包括PNA(肽核酸)、在反义技术中所用的DNA类似物(硫代磷酸酯、磷酰胺酸酯等)。除非另外指定,否则特定核酸序列也隐含地涵盖其保守修饰的变异体(包括(但不限于)简并密码子取代)和互补序列以及明确指定的序列。特定而言,可通过产生其中一个或一个以上所选(或所有)密码子的第3位经混合碱基和/或脱氧肌苷残基取代的序列来实现简并密码子取代(Batzer等人,Nucleic Acid Res.19:5081(1991);Ohtsuka等人,J.Biol.Chem.260:2605-2608(1985);和Cassol等人,(1992);Rossolini等人,Mol Cell.Probes 8:91-98(1994))。
术语“多肽”、“肽”和“蛋白”在本文中互换使用以意指氨基酸残基的聚合物。即,针对多肽的描述同样适用于描述肽和描述蛋白,且反之亦然。所述术语适用于天然产生氨基酸聚合物以及其中一个或一个以上氨基酸残基为非天然编码氨基酸的氨基酸聚合物。如本文中所使用,所述术语涵盖任何长度的氨基酸链,其包括全长蛋白(即抗原),其中氨基酸残基经由共价肽键连接。
术语“重组宿主细胞株”或“宿主细胞”意指包含本发明多核苷酸的细胞,而不管使用何种方法进行插入以产生重组宿主细胞,例如直接摄取、转导、f配对或所属领域中已知的其它方法。外源性多核苷酸可保持为例如质粒的非整合载体或者可整合入宿主基因组中。宿主细胞可为原核细胞或真核细胞,宿主细胞还可为单子叶或双子叶植物细胞。
术语“可操作的连接”指两个或更多个元件之间功能性的连接,可操作的连接的元件可为邻接或非邻接的。
术语“植物表达载体”意指一种或多种用于实现植物转化的DNA载体;本领域中这些载体常被称为二元载体。二元载体连同具有辅助质粒的载体是大多常用于土壤杆菌介导转化的。二元载体通常包括:T-DNA转移所需要的顺式作用序列、经工程化处理以便能够在植物细胞中表达的选择标记物,待转录的异源性DNA序列等。
术语“转化”指将异源性DNA序列引入到宿主细胞或有机体的方法。
术语“表达”指内源性基因或转基因在植物细胞中的转录和/或翻译。
附图说明
图1为同源基因ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因的编码区序列比对。
图2为ZmSBP14基因的CRISPR/Cas9基因编辑后测序结果;ZmSBP14基因具有大片段的删除(595bp),而ZmSBP10基因和ZmSBP26基因未受编辑,证明是Zmsbp14单突变体。
图3为ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因的CRISPR/Cas9基因编辑后测序结果;ZmSBP14基因具有大片段的删除,而ZmSBP10有移码突变,ZmSBP26基因有大片段删除,证明是三突变体。
图4为玉米柱头乳突细胞的体视显微镜观察;与野生型WT相比,Zmsbp14单突变体花丝乳突细胞显著减少,Zmsbp14/10/26三突变体花丝完全缺乏乳突细胞。
图5为玉米柱头乳突细胞的扫描电镜观察;与野生型WT相比,Zmsbp14单突变体花丝乳突细胞显著减少,Zmsbp14/10/26三突变体花丝完全缺乏乳突细胞。
图6为玉米野生型和突变体雌穗的结实比较;与野生型WT相比,Zmsbp14单突变体和Zmsbp14/10/26三突变体的结实率逐渐降低。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1 ZmSBP14基因、ZmSBP10基因和ZmSBP26基因的CRISPR/Cas9敲除载体的构建
利用CRISPR/Cas9转基因技术对玉米中的ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因分别设计两个靶点进行了基因编辑,基因的序列和靶位点如图1所示。
利用SnapGene Viewer软件及同源序列比对设计和筛选各个ZmSPL基因特异的靶标序列(设计sgRNA),为了保证基因编辑效率,每个基因选取两个最优的靶标序列:
ZmSBP10(GRMZM2G111136,Zm00001d015451)的CRISPR/Cas9靶标序列为:
GCAGCCACAACAACAACCTA,GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP14(GRMZM2G101499,Zm00001d036692)的CRISPR/Cas9靶标序列为:
GTTCATGCCCATGCAGCAGC,GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP26(GRMZM2G168229,Zm00001d053756)的CRISPR/Cas9靶标序列为:
TGCATCAGCCGTACGTCGTC,GGTCTGCGAGTTCCACACCA;
将这些靶标序列引入到sgRNA表达盒中,同时,将人类中的hSpCas9序列用商业化的 PCR Cloning Kit试剂盒克隆到pCPB载体中,构建成为pCPB-ZmUbi:hSpCas9载体。接着,将两个sgRNA表达盒通过/> HD Cloning Kit试剂盒插入到pCPB-ZmUbi:hSpCas9的HindIII酶切位点间,最终构建成的CRISPR/Cas9基因编辑载体经过PCR测序验证无误后用于后续的遗传转化。
实施例2所构建的CRISPR/Cas9载体通过农杆菌介导的方法转化玉米自交系C01及转基因植株的表型分析
将实施例1所构建的Zmsbp14的CRISPR/Cas9基因编辑载体以及Zmsbp14/10/26的CRISPR/Cas9基因编辑载体通过农杆菌介导的方法转化玉米自交系C01;玉米的遗传转化委托中国种子遗传转化平台(中种遗传转化平台)完成。
通过对目标基因的测序分析,获得了Zmsbp14的单突变体(ZmSBP14基因具有大片段的删除(595bp),而ZmSBP10和ZmSBP26未受编辑)(图2);另外,还获得了Zmsbp14/10/26的三突变体植株,其中,ZmSBP14基因有大片段的删除,ZmSBP10基因的两个靶点处各有1个碱基的缺失,导致移码突变,ZmSBP26基因有大片段的删除(图3)。转化玉米自交系C01及转基因植株的表型分析结果见图4-图5。图4为玉米柱头乳突细胞的体视显微镜观察,图5为为玉米柱头乳突细胞的扫描电镜观察;根据图4和图5可见,与野生型相比,Zmsbp14单突植株花丝的乳突细胞减少,并且Zmsbp14/10/26三突变体植株的花丝完全缺乏乳突细胞。
花丝乳突细胞的作用是接受并粘着花粉以利于受精结实,Zmsbp14单突和Zmsbp14/10/26三突植株由于乳突细胞发育缺陷,导致雌穗的结实率降低(图6)。
序列表
<110> 华南农业大学
<120> ZmSPL基因在调控玉米柱头乳突细胞发育中的应用
<130> GD-2001-190727A
<160> 3
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1305
<212> DNA
<213> Zea mays L
<400> 1
atgatgaccg ggaggctgaa cgtggccacg tcgtcctcgc caggaggaga cgacttcctg 60
ttcatgccca tgcagcagca tcagccgccg ccgcctcctc ctccgcccta cgtcgggttc 120
gagcacggcc acggcgtggc gggaggcggc agccagcgcg ttgccggagg ggtgcagcac 180
cacctctacg acggcctcga cttcgccgcc tcggcgctgc agttccagca ggcggaggcg 240
ccgcacctgc accagcagca gctgctcacg ctgccgtcca gtctcggccc catggcgccg 300
cctccgccgc cgccgccgct gcccatgcct atgcccgtgc ccgggatgcc cggcgaccac 360
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ctcaacctcg gccgccgcac ctacttctcc ccaggggaca tgatggccgt ggaccgcctc 480
ctgatgcggt cccgcctcgg cggcggcggc ggcgccttcg ggctcggctt cggcttcggc 540
ttcggcggcg cgcaccacct gcaggctccc ccgcgctgcc aggccgaggg ctgcaaggcc 600
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aacgctggtg gtatgcataa cctgttcgag gtggacttca tgtag 1305
<210> 2
<211> 1326
<212> DNA
<213> Zea mays L
<400> 2
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gtttcatcac ctcgctggtg a 1221

Claims (3)

1.敲除ZmSPL基因在延缓或阻滞玉米柱头的乳突细胞发育或减少玉米柱头的乳突细胞数量中的应用;所述的ZmSPL基因选自ZmSBP14基因或者是ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因的组合;所述ZmSBP14基因的核苷酸序列为SEQ ID No.1所示,所述ZmSBP10基因的核苷酸序列为SEQ ID No.2所示,所述ZmSBP26基因的核苷酸序列为SEQ ID No.3所示;
ZmSBP10基因的靶标序列为:
GCAGCCACAACAACAACCTA和GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP14基因的靶标序列为:
GTTCATGCCCATGCAGCAGC和 GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP26基因的靶标序列为:
TGCATCAGCCGTACGTCGTC和GGTCTGCGAGTTCCACACCA。
2.一种延缓或阻滞玉米柱头的乳突细胞发育或减少玉米柱头的乳突细胞数量的方法,其特征在于,包括:构建ZmSBP14基因的敲除载体,将所构建的敲除载体转化到玉米植物中,将玉米中的ZmSBP14基因进行敲除;或者构建将ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因同时进行突变的敲除载体;将所构建的敲除载体转化到玉米植物中,将玉米中的ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因同时进行敲除;所述ZmSBP14基因的核苷酸序列为SEQ IDNo.1所示,所述ZmSBP10基因的核苷酸序列为SEQ ID No.2所示,所述ZmSBP26基因的核苷酸序列为SEQ ID No.3所示;
ZmSBP10基因的靶标序列为:
GCAGCCACAACAACAACCTA和GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP14基因的靶标序列为:
GTTCATGCCCATGCAGCAGC和 GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP26基因的靶标序列为:
TGCATCAGCCGTACGTCGTC和GGTCTGCGAGTTCCACACCA。
3.一种降低玉米雌穗的结实率或者培育雌穗低结实率的玉米新品种的方法,其特征在于,包括:构建ZmSBP14基因的敲除载体,将玉米中ZmSBP14基因进行敲除;或者构建将ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因同时进行突变的敲除载体,将玉米中ZmSBP14基因,ZmSBP10基因和ZmSBP26基因同时进行敲除;所述ZmSBP14基因的核苷酸序列为SEQ IDNo.1所示,所述ZmSBP10基因的核苷酸序列为SEQ ID No.2所示,所述ZmSBP26基因的核苷酸序列为SEQ ID No.3所示;
ZmSBP10基因的靶标序列为:
GCAGCCACAACAACAACCTA和GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP14基因的靶标序列为:
GTTCATGCCCATGCAGCAGC和 GGTCTGCGAGTACCACGCCA;
ZmSBP26基因的靶标序列为:
TGCATCAGCCGTACGTCGTC和GGTCTGCGAGTTCCACACCA。
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