CN116063433B - 一种调控油菜种子含油量的基因及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基因工程技术领域,具体涉及一种调控油菜种子含油量的基因及应用。本发明所述调控植物种子含油量变化的基因为BnPGLCT及其油菜同源基因,所述基因与SEQ ID NO.1所示的基因存在至少86%的同源性,在油菜中过量表达所述基因后,转基因油菜株系内种子含油量与对照相比均有所增高,转基因油菜种子的含油量的最高增幅为27.21%。可见,本发明所述基因为油菜高油育种提供了新的基因资源,可应用于油菜产油量的提升。
Description
技术领域
本发明属于基因工程技术领域,具体涉及一种调控油菜种子含油量的基因及应用。
背景技术
植物油脂是人类饮食结构中不可或缺的组成成分、重要的工业原料和生物能源,在国民经济和社会发展中发挥着重要的作用。近年来,随着人们对饮食健康的追求,植物油脂逐渐代替动物油脂,成为了我国食用油市场主要的消费用油。
油菜是我国重要的油料经济作物,菜籽油在我国食用油中占比达40%;且油菜作为一种冬性作物,不与水稻等粮食作物争时争地,同时油菜可集食用菜薹、观光、旅游、养蜂、绿肥于一体,是一种极具发展潜力的油料经济作物。然而,我国油菜品种的含油量低、产量低、且品质不稳定。因此,提高油菜的产油量是保障我国食用油供给的重要举措。单位面积内油菜产油量的提升可以通过增加产量和含油量实现。但目前研究表明,含油量在油菜产油量中的贡献率更大,油菜种子的含油量每提高1%,相当于增产2.5%。因此,提高油菜种子的含油量对于提升我国油菜的产油量,维护国家粮油安全具有重要的作用。
目前的研究预测,油菜种子含油量最高可达到75%,但目前我国现有油菜品种的平均含油量较低,仍有较大的提升空间。油菜含油量是由多个微效基因控制并受环境条件影响较大的数量性状,这使得利用传统育种技术大幅度地提高油菜种子的含油量具有很大的难度。目前,随着分子生物学和测序技术的不断发展与成熟,油菜种子含油量调控基因的挖掘、分离克隆和功能研究日渐深入;利用基因工程技术和基因编辑技术创制高含油量的新油菜品种成为油菜育种新方向,具有广阔的发展前景和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控油菜种子含油量的基因及应用,通过提高所述基因在油菜中的表达量来提高种子的含油量,达到增加油菜产油量的目的。
本发明提供了一种调控油菜种子含油量的基因,所述基因包括BnPGLCT和BnPGLCT的油菜同源基因;
所述BnPGLCT的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;
所述油菜同源基因的核苷酸序列与BnPGLCT具有至少86%的同源性。
本发明还提供了上述基因编码的蛋白质。
优选的,所述基因BnPGLCT编码的蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
本发明还提供了上述基因的扩增引物对,所述扩增引物对包括BnPGLCT-F和BnPGLCT-R,所述BnPGLCT-F的核苷酸序列如SEQ ID NO.3所示,所述BnPGLCT-R的核苷酸序列如SEQ ID NO.4所示。
本发明还提供了一种过表达上述基因的植物过表达载体。
优选的,所述植物过表达载体的基础载体包括pCAMBIA1305。
优选的,将所述基因插入pCAMBIA1305的SpeI和BamHI之间。
本发明还提供了上述基因或上述植物过表达载体在油菜种质资源创新中的应用。
本发明还提供了上述基因或上述植物过表达载体在提高油菜种子含油量中的应用。
本发明还提供了一种提高油菜种子含油量的方法,使目标油菜的基因组中过表达上述基因。
有益效果:本发明通过比较高油油菜和低油油菜品种间的转录组数据,筛选到新的油菜含油量调控候选基因。通过基因的分离克隆、表达载体的构建和油菜转化,最终获得可调控植物种子含油量变化的基因,所述基因与BnPGLCT具有至少86%的同源性。将所述基因BnPGLCT应用到作物育种中,经实施例验证,在油菜中过量表达BnPGLCT基因后,不同转基因油菜株系内种子含油量与对照(非转基因植株)相比均有所增高,转基因油菜种子的含油量的最高增幅为27.21%。可见,本发明所述基因为油菜高油育种提供了新的基因资源,可应用于油菜产油量的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为BnPGLCT及其同源基因在高油和低油油菜品种间的表达量差异图;
图2为载体构建示意图;
图3为转基因油菜种子含油量测定结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种调控油菜种子含油量的基因,所述基因包括BnPGLCT和BnPGLCT的油菜同源基因;
所述BnPGLCT的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示;
所述油菜同源基因的核苷酸序列与BnPGLCT具有至少86%的同源性。
本发明实施例中,通过特有的含油量差异较大两组油菜资源,在高油油菜品种(ZY036和YN171)和低油油菜品种(51010和93275)间进行比较转录组学分析,上述油菜品种均已在文献中进行公开,(Liu,J.,et al.,The BnGRF2 gene (GRF2-like gene fromBrassica napus)enhances seed oil production through regulating cell numberand plant photosynthesis.Journal of Experimental Botany,2012.63(10):p.3727-40.;Liu,J.,et al.,Genome-wide screening and analysis of imprinted genes inrapeseed(Brassica napusL.)endosperm.DNA Research,2018.25(6):p.629-640),并承诺自申请日起20年内,向公众发放该材料。结果发现:在发育35天的油菜胚胎内,BnaC09G0501900ZS、BnaA03G0066800ZS、BnaA10G0203300ZS和BnaC03G0077600ZS基因在高油油菜种子内的表达量均显著高于低油油菜,这四个基因为核苷酸序列同源性超过86%、蛋白序列同源性超过89%的同源基因,且经拟南芥数据库比对后发现,上述四条基因在拟南芥中的同源基因为一个编码葡萄糖转运蛋白的PGLCT基因,因此将油菜中所述基因命名为BnPGLCT-like,同时实施例中以BnaC09G0501900ZS(简称BnPGLCT)为例进行说明,但不能仅将其认定为本发明的全部保护范围。
本发明还提供了上述基因编码的蛋白质。
本发明所述BnPGLCT编码的蛋白质的氨基酸序列优选如SEQ ID NO.2所示。
本发明还提供了上述基因的扩增引物对,所述扩增引物对包括BnPGLCT-F和BnPGLCT-R,所述BnPGLCT-F的核苷酸序列如SEQ ID NO.3所示,所述BnPGLCT-R的核苷酸序列如SEQ ID NO.4所示。
在本发明实施例中,优选以油菜测序品种ZS11的cDNA为模板,利用引物BnPGLCT-F:5'-atgcaatcgtcaacgtacgc-3'和BnPGLCT-R:5'-tcaagctccagaggtaagtg-3'进行PCR扩增,扩增片段经测序和序列比对验证,确定为油菜BnPGLCT基因的CDS全长序列,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,其编码的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。本发明所述PCR扩增的体系以50μL计,优选包括:2×Mix buffer 25μL,BnPGLCT-F2μL,BnPGLCT-R 2μL,cDNA1 μL和ddH2O 20μL。本发明所述PCR扩增的程序,优选包括:94℃预变性5min;94℃变性30s,56℃退火30s,72℃延伸2min,循环35次;72℃延伸10min;最终4℃保存。
本发明还提供了一种过表达上述基因的植物过表达载体。
本发明所述植物过表达载体的基础载体,优选包括pCAMBIA1305,并将上述基因插入pCAMBIA1305的SpeI和BamHI之间。
本发明还提供了上述基因或上述植物过表达载体在油菜种质资源创新中的应用。
利用所述基因或植物过表达载体,可用于调控油菜现有种质或新种质的含油量,因此可将其应用于油菜的种质资源创新。
本发明还提供了上述基因或上述植物过表达载体在提高油菜种子含油量中的应用。
本发明还提供了一种提高油菜种子含油量的方法,使目标油菜的基因组中过表达上述基因。
本发明所述过表达优选包括将包含所述基因的植物过表达载体转化入目标油菜的基因组中,本发明对所述转化的方法并没有特殊限定,实施例中优选利用子叶柄侵染法进行油菜转化。经实施例验证,相比于对照植株(未受转化的植株),过量表达BnPGLCT基因后,三个油菜BnPCLCT转基因株系种子的含油量分别提高了27.21%,20.21%和24.35%;油菜种子含油量平均提高了23.9%左右。
为了进一步说明本发明,下面结合附图和实施例对本发明提供的一种调控油菜种子含油量的基因BnPGLCT及应用进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
油菜含油量调控基因BnPGLCT基因的获取
在高油油菜品种(ZY036和YN171)和低油油菜品种(51010和93275)间进行比较转录组学分析,发现在发育35天的油菜胚胎内,BnaC09G0501900ZS、BnaA03G0066800ZS、BnaA10G0203300ZS和BnaC03G0077600ZS基因在高油油菜种子内的表达量均显著高于低油油菜(如图1所示)。经基因序列的同源性比对后发现,这四个基因的核苷酸序列的同源性超过86%、所编码的蛋白质序列的同源性超过89%,且它们在拟南芥内的同源基因编码一个葡萄糖转运蛋白PGLCT,因此将油菜内这类基因命名为BnPGLCT-like基因。后续选取BnPGLCT基因(BnaC09G0501900ZS)在油菜中进行过量表达,并对其功能进行验证。
以油菜测序品种ZS11的cDNA为模板,设计BnPGLCT基因的特异引物BnPGLCT-F:5'-atgcaatcgtcaacgtacgc-3'和BnPGLCT-R:5'-tcaagctccagaggtaagtg-3'进行PCR扩增。PCR扩增体系为:2×Mix buffer 25μL,BnPGLCT-F2μL,BnPGLCT-R 2μL,cDNA1μL,ddH2O 20μL。PCR扩增程序为:94℃预变性5min;94℃30s,56℃30s,72℃2min,以此循环35次;72℃延伸10min;最终4℃保存。PCR产物经测序和序列比对验证,获得BnPGLCT基因的CDS全长产物。其核苷酸序列为SEQ ID NO.1,其编码的氨基酸序列如SEQ ID NO.2。
实施例2
油菜含油量调控基因BnPGLCT的克隆和植物过表达载体构建
匹配骨架载体,在酶切位点两端重组位点处设计重组引物35S::BnPGLCT-F(SEQID NO.5:5'-ggacagcccagatcaactagtatgcaatcgtcaacgtacgc-3')和35S::BnPGLCT-R(SEQID NO.6:5'-gcccttgctcaccatggatcctcaagctccagaggtaagtg-3')进行PCR,PCR反应体系和PCR扩增程序与实施例1一致,扩增得到的PCR产物利用PCR产物纯化试剂盒进行纯化后保存备用。利用SpeI和BamHI限制性内切酶对植物过表达载体pCAMBIA1305进行双酶切,经1%琼脂糖凝胶电泳检测后,利用胶回收试剂盒进行回收保存。
将BnPGLCT基因的PCR纯化产物与回收的酶切质粒利用非连接酶依赖型单片段快速克隆试剂盒进行质粒重组,反应体系为:5×CE II Buffer 4μL,Exnase II2μL,线性化载体50~200ng,插入片段10~200ng,最后补充ddH2O至20μL。将重组产物转化大肠杆菌DH5α感受态,37℃培养箱中倒置培养12~16h后,对长出的单克隆以载体上游引物35S(SEQ IDNO.7:5'-gacgcacaatcccactatcc-3')和下游引物NOS(SEQ ID NO.8:5'-gataatcatcgcaagaccgg-3')进行PCR检测,经PCR验证为阳性的单克隆送至武汉擎科生物科技有限公司进行测序。
分析结果显示,获得了BnPGLCT基因的CDS全长,其核苷酸序列为SEQ ID NO.1,其编码的氨基酸序列如SEQ ID NO.2。提取测序正确的阳性单菌落的表达载体质粒,该质粒即为重组质粒pCAMBIA1305-BnPGLCT(载体构建示意图如图2所示)。
实施例3
pCAMBIA1305-BnPGLCT重组载体的农杆菌转化
1.农杆菌转化
(1)将保存于-80℃的农杆菌GV3101感受态细胞置于室温融化至冰水混合物状态后插入冰上;
(2)用移液枪吸取约100ng的pCAMBIA1305-BnPGLCT重组质粒,加入到GV3101感受态细胞中,依次置于冰上5min,液氮5min,37℃5min,冰上5min;
(3)随后加入约700mL的LB液体培养基(胰蛋白胨10g;酵母提取物5g;NaCl10g),置于28℃摇床,200rpm振荡培养2~3h;
(4)将菌液涂布于添加了50mg/L卡那霉素(Kan)、50mg/L庆大霉素(Gent)和50mg/L利福平(Rif)的LB固体培养基上,28℃培养箱倒置培养36~48h;
(5)对长出的农杆菌单克隆以植物表达载体上游引物35S和下游引物NOS为引物进行PCR检测,阳性单克隆摇菌至OD600=1.8~2.0后,利用50%甘油保菌于-80℃超低温冰箱备用。
2.带BnPGLCT目的基因的农杆菌悬浮液制备:
(1)向200mL的LB液体培养基(含有50mg/LKan、50mg/LGent和50mg/LRif)中,按1:100比例接种上述携带目的基因的农杆菌菌液,置于28℃摇床,200rpm振荡培养至OD600值约为0.6左右;
(2)将菌液置于高速离心机,8000rpm,离心15min,弃上清,收集菌体;
(4)用重悬液(5%蔗糖和0.02%表面活性剂)重悬农杆菌菌体至OD600约为1.0左右,制备成农杆菌悬浮液,用于后续的油菜转化。
实施例4
过量表达BnPGLCT油菜的转化及鉴定筛选
1.利用子叶柄侵染法进行油菜转化,具体操作步骤如下:
(1)将862油菜(已在文章中公开,并自申请日期承诺20年内向公众发放,Fan,S.H.,et al.,CRISPR/Cas9-targeted mutagenesis of the BnaA03.BP gene conferssemi-dwarf and compact architecture to rapeseed (Brassica napusL.).PlantBiotechnology Journal,2021.)种子利用70%的乙醇溶液浸泡消毒1min后,加入氯化汞(HgCl2)溶液浸泡消毒13~15min,无菌水洗5次后,平铺于MS培养基上,置于人工气候培养间生长,获得油菜无菌苗备用;
(2)取4~5天无菌苗的子叶柄,置于上述携带pCAMBIA1305-BnPGLCT载体的农杆菌悬液中浸泡5~8min,其间轻摇,随后倒去菌液,并吸去外植体上残留的菌液。将转化后的子叶柄置于共培养基(含0.2mg/L6-苄基腺嘌呤(6-BA),1mg/L2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)和200μM乙酰丁香酮)上,培养2~3天;
(3)将共培养后的外植体转入含青霉素(Car)的分化培养基中,黑暗条件的温室中进行脱菌与分化培养5~7天。随后转移到添加Kan的选择培养基(含3mg/L6-BA,0.1mg/Lα-萘乙酸(NAA),5mg/L硝酸银(AgNO3),400mg/LCar和15mg/LKan)上进行筛选,待外植体分化出再生绿芽;
(4)再生芽长至1cm时切取小芽移至生根培养基(含0.2mg/LNAA,10mg/LKan和400mg/LCar)上进行筛选;
(5)待转化苗生根并长出叶片后,提取转化苗的DNA,并进行PCR鉴定;
(6)将PCR鉴定的阳性苗移栽到人工气候温室的营养钵内生长,待种子成熟后,单株收获,获得T1代的转基因油菜种子。
2.利用潮霉素进行纯合阳性转基因油菜植株的筛选,具体操作步骤如下:
(1)参照上述油菜无菌苗的实验操作步骤,对T1代转基因油菜种子进行消毒;
(2)将消毒后的种子平铺于含25mg/L的潮霉素的MS固体培养基上,培养箱内暗培养5天左右,转换为正常光照下培养;
(3)待长出两片真叶时,将阳性苗移栽到人工气候温室的营养钵内;
(4)待阳性转基因油菜种子成熟后,单株收种,并依次编号保存,获得T2代转基因油菜种子;
(5)将T2代转基因油菜种子按照上述实验步骤进行抗潮霉素筛选,筛选分离比例为3:1的株系,移栽到人工气候温室内,单株收获,并依次编号保存,获得T3代转基因油菜种子;
(6)将T3代转基因油菜种子按照上述实验步骤进行抗潮霉素筛选,筛选出全部正常生长的株系,得到纯合的T3代转基因油菜。
实施例5
BnPCLCT转基因油菜的含油量分析
分别选取3个纯合的T3代油菜BnPCLCT转基因株系,利用核磁共振仪测定种子含油量。结果发现,通过基因工程技术在油菜中提高BnPGLCT基因的表达量后,油菜种子的含油量显著增加,可实现油菜产油量的提升。经实验验证,相比于对照植株(未受转化的植株),过量表达BnPGLCT基因后,三个油菜BnPCLCT转基因株系种子的含油量分别提高了27.21%,20.21%和24.35%;油菜种子含油量平均提高了23.9%左右(如图3所示)。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述,但它仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例,人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例,这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (2)
1.一种调控油菜种子含油量的基因在提高油菜种子含油量中的应用,其特征在于,所述基因为BnPGLCT;所述BnPGLCT的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
2.一种提高油菜种子含油量的方法,其特征在于,使目标油菜的基因组中过表达调控油菜种子含油量的基因,所述基因为BnPGLCT;所述BnPGLCT的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
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2022
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