Genetic analysis and causal gene identification of maize viviparous mutant vp-like8
WANG Rui1, CHEN Yang-Song1, SUN Ming-Hao1,2, ZHANG Xiu-Yan3, DU Yi-Cong1, ZHENG Jun,1,*通讯作者:
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收稿日期:2018-08-15接受日期:2019-01-12网络出版日期:2019-02-22
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Received:2018-08-15Accepted:2019-01-12Online:2019-02-22
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王瑞, 陈阳松, 孙明昊, 张秀艳, 杜依聪, 郑军. 玉米穗发芽突变体vp-like8的遗传分析及突变基因鉴定[J]. 作物学报, 2019, 45(5): 656-661. doi:10.3724/SP.J.1006.2019.83058
WANG Rui, CHEN Yang-Song, SUN Ming-Hao, ZHANG Xiu-Yan, DU Yi-Cong, ZHENG Jun.
穗发芽严重影响作物的产量与品质, 给农业生产造成巨大的损失。早在20世纪20年代, 就已经有玉米穗发芽相关的研究报道[1,2,3,4,5]。截至目前已发现十多个玉米穗发芽突变体, 通过对这些突变体基因的克隆, 发现这些突变体大多是植物激素脱落酸(ABA)合成途径或信号转导途径受阻, 从而导致穗发芽的表型。根据Robertson的评定标准[6], 将已鉴定的玉米穗发芽突变体分为两种类型。一类是胚乳和幼苗的颜色不发生改变的突变体, 包括vp1/vp4、vp8、vp10/vp13、vp14和vp15[7,8,9,10,11,12]; 另一类是玉米籽粒颜色发生改变的突变体, 该突变体植株类胡萝卜素和叶绿素的生物合成受到影响, 包括vp2、vp5、vp7/ps1、vp9、y9和vp12/lw2 [13,14,15,16,17,18]。
vp1是玉米中典型的ABA不敏感突变体, Vp1基因编码一类特异的转录因子, 在玉米种子发育成熟过程中的胚和胚乳中特异表达, 调控种子对植物激素ABA的响应过程[7]。研究表明位于VP1蛋白氨基端的保守结构域对ABA信号转导至关重要, 而VP1蛋白最大的保守区域B3则在ABA含量较低时起重要作用, B3结构域与下游基因的启动子结合, 并激活其表达[21]。此外, 通过对vp1突变体中糊粉层和胚组织中的花青素合成受阻现象深入研究, 发现VP1蛋白可能通过与多个转录因子互作, 进而激活C1基因来控制花青素代谢[19], 表明VP1转录因子在种子成熟过程中参与了多个信号转导过程。
研究作物穗发芽的遗传调控, 克隆穗发芽相关基因, 将为深入解析作物穗发芽的分子遗传机制, 以及鉴定和筛选耐穗发芽的种质资源奠定基础。尽管目前已克隆多个玉米穗发芽基因, 但玉米籽粒穗发芽形成的分子遗传调控网络仍不够清晰。因此, 有必要进一步鉴定新的玉米穗发芽突变体, 克隆更多的穗发芽基因, 并深入研究其调控玉米穗发芽的遗传机制。本研究对一个新发现的玉米穗发芽突变体(命名为vp-like8)进行遗传分析和基因定位, 经等位测验和突变基因的分子鉴定发现, vp-like8是Vp1基因的一个新等位突变体。该研究为进一步探索玉米穗发芽的分子遗传机制丰富了实验材料。
1 材料与方法
1.1 实验材料
玉米突变体vp-like8是本实验室在玉米繁种过程中新发现的一个穗发芽突变体。授粉后30 d, Vp-like8杂合植株的果穗上呈现出明显的穗发芽分离的表型。利用vp-like8杂合体与自交系郑58杂交, 然后再自交得到F2群体用于基因定位。vp1基因突变体326B(vp1/+)订购自Maize Genetics Cooperation Stock Center (玉米遗传学合作库存中心, https:// maizecoop.cropsci.uiuc.edu/request)。1.2 vp-like8突变体的表型鉴定和遗传分析
由于玉米果穗成熟收获时, 穗发芽的胚芽已脱水干枯致死, 因此vp-like8突变体以杂合体形式保存。随机选取有穗发芽分离果穗上的正常籽粒种植, 自交后代中, 再选取有穗发芽表型果穗上的正常籽粒种植。以此方式连续多代自交, 观察vp-like8突变体的遗传稳定性, 并进行遗传分析。在每一世代自交授粉后30 d, 对vp-like8穗发芽的表型进行鉴定, 剥开果穗苞叶, 选取出现穗发芽表型的果穗, 脱粒并统计正常与穗发芽籽粒的分离比。1.3 目的基因的初定位
BSR-Seq方法已被证明适用于玉米突变体基因的定位与克隆[22,23], 本研究利用该方法对vp-like8突变体基因进行初定位。授粉后30 d, 随机挑选出现穗发芽表型分离的F2果穗, 分别挑选40粒正常和穗发芽籽粒, 去除种皮后分别混合成2份实验样品, 液氮速冻并迅速研磨至粉末, 使用植物总RNA提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司, Cat# DP432)提取样品总RNA。利用Illumina HiSeq2000型测序仪(北京贝瑞和康生物技术有限公司)进行转录组测序。参照BSR-Seq分析流程[22], 比对、分析测序结果, 提取样本间的SNP标记, 计算SNP标记与突变基因的连锁概率, 分析获得基因Vp-like8的初定位区间。1.4 定位区间基因检索及等位测验
根据 BSR-Seq 数据, 将基因Vp-like8定位于第3染色体160.4 Mb~165.6 Mb区间内, 利用MaizeGDB数据库网站(http://www.maizegdb.org/), 检索该定位区间内所有基因的注释信息, 发现该区间内存在已经报道的玉米穗发芽Vp1基因[7]。为检测vp1与vp-like8是否等位, 随机挑选vp1、vp-like8杂合体后代中正常籽粒(基因型应为野生型或杂合型), 各种植2行, 每行25株。开花授粉时, 任选vp1中一行单株自交, 并收集此行所有单株花粉进行混粉作为父本, 分别授予vp-like8中一行的每一单株。同理, vp-like8的另一行的每一单株自交, 同时分别收集此行每个单株的花粉, 混粉后作为父本与vp1的另一行的每一单株杂交。授粉30 d后, 剥开苞叶, 检查是否有穗发芽突变表型的果穗[23]。
1.5 基因组DNA提取、PCR扩增和序列分析
用CTAB方法分别提取突变体vp-like8和vp1授粉后30 d分离果穗上正常与穗发芽籽粒的基因组DNA[24]。依据Vp1基因组序列, 利用Primer3引物设计软件(http://primer3.ut.ee/), 设计8对引物(VP1-G- F1/R1~VP1-G-F8/R8)(表1), 扩增产物瓦片式覆盖了Vp1基因组序列。分别以突变体vp-like8与vp1基因组DNA为模板, 扩增Vp1基因片段, 将PCR产物进行测序(北京六合华大基因科技有限公司), 分析测序结果, 分别判断Vp1基因的突变情况。PCR 扩增体系为2 × KOD buffer 25 μL, 引物(10 μmol L-1) 0.75 μL, 模板DNA 2 μL, dNTPs (2.5 μmol L-1) 5 μL, KOD FX酶(1.0 U μL-1) 1 μL, 用超纯水补至50 μL。PCR扩增条件为94℃预变性5 min; 94℃变性10 s, 59℃退火30 s, 68℃延伸1 min, 循环数为35; 68℃延伸7 min。用1%琼脂糖凝胶电泳检测目的条带[23]。Table 1
表1
表1本研究所用的引物
Table 1
引物 Primer | 正向序列 Forward sequence (5°-3°) | 反向序列 Reverse sequence (5°-3°) |
---|---|---|
VP1-G-F1/R1 | GCGAGACCTGAAAACACACA | CATGGCGTTCTCTAGCATCA |
VP1-G-F2/R2 | CGCACTCCCAAGAGAACC | ATAGGGTAAGAGCCCGTGGA |
VP1-G-F3/R3 | GTGGTCGTGAACAGCCAAC | GCTCTGCTTCAGCACCTTCT |
VP1-G-F4/R4 | CATCGCTGTCGAGCAATAGA | CTGTACCGCATGTTCCACAC |
VP1-G-F5/R5 | TAAAATCGGCCATGGATAGG | TCTCTGGCCCAGTGGTTAGT |
VP1-G-F6/R6 | GCTGCTGTTTTCCTCGAATC | GCACCTAGCTGCCAAACACT |
VP1-G-F7/R7 | AGTCCTCCGGATCTCTCGTT | AAACGGTTGCGTAGATTTGG |
VP1-G-F8/R8 | CCAGTGCAATGTCAGTGCTT | AATGGCCGAGAGATCAGGTA |
VP1-CDS-F1/R1 | AGAAGGTGCTGAAGCAGAGC | AACGAACAAATTCCCCTGTG |
Zm-GAPDH-F/R | CCCTTCATCACCACGGACTAC | AACCTTCTTGGCACCACCCT |
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1.6 vp-like8和vp1再次等位测验
依据测序结果, 分别用特异引物(VP1-G-F4/ R4、VP15-G-F6/R6), 准确鉴定出vp-like8与vp1的杂合突变体。取vp-like8杂合突变体花粉, 授予vp1杂合突变体植株; 同理, 取vp1杂合突变体花粉授予vp-like8杂合突变体植株。授粉后30 d, 检测果穗上籽粒穗发芽情况, 统计分离比[23]。1.7 RNA的提取及基因表达量分析
授粉后30 d, 取穗发芽和正常的籽粒, 去除种皮, 提取籽粒RNA (同上)。利用反转录试剂盒(北京全式金生物技术有限公司, Cat# AU311-02)反转录为cDNA, 设计特异引物VP1-CDS-F1/R1, 以GAPDH作为内参引物(表1), 利用ABI 7300实时定量PCR仪进行Vp1基因的表达分析。PCR体系为dye I 0.4 μL, 10 × qMix 10 μL, 引物(10 μmol L-1) 0.5 μL, 模板cDNA 1 μL, 补灭菌超纯水至20 μL。PCR扩增 条件为95℃预变性2 min, 95℃变性10 s, 60℃退火15 s, 72℃延伸30 s, 设置40个循环, 在72℃延伸30 s阶段收集荧光, 并添加熔解曲线, 用公式2-ΔΔCt计算正常和穗发芽籽粒中Vp1基因表达量差异[23]。2 结果与分析
2.1 突变体vp-like8的表型和遗传分析
正常情况下, 玉米授粉后30~40 d, 随着籽粒胚乳的硬化, 玉米籽粒逐渐成熟。但对于突变体vp- like8杂合体的果穗, 授粉后30 d, 呈现出明显的穗发芽分离表型(图1-A)。籽粒完全成熟收获时, 穗发芽籽粒提前萌发的胚芽已干枯致死(图1-B, C), 经连续自交, 发现vp-like8穗发芽性状能够稳定遗传。如表2所示, 随机挑选有穗发芽性状分离的果穗, 统计分离比, 经卡方检验发现其分离比符合3∶1, 表明突变体vp-like8穗发芽性状由单隐性核基因调控。图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1vp-like8突变体穗发芽表型
A: 授粉30 d 后突变体vp-like8杂合果穗上的穗发芽籽粒和正常籽粒; B: 授粉后60 d后突变体vp-like8杂合果穗上穗发芽籽粒和正常籽粒; C: 成熟的正常籽粒(WT)和穗发芽籽粒(vp); 标尺=1 cm。
Fig. 1Viviparous phenotype of vp-like8 mutant
A: viviparous and normal kernels on a vp-like8 heterozygous ear at 30 days after self-pollination; B: viviparous and normal kernels on a vp-like8 heterozygous ear at 60 days after self-pollination; C: mature normal (WT) and viviparous kernels (vp-like8); Bar = 1 cm.
Table 2
表2
表2vp-like8杂合突变体自交授粉后正常籽粒和穗发芽籽粒的分离情况
Table 2
年度 Year | 地点 Location | 植株基因型 Plant genotype | 籽粒表型Kernel phenotype | |||
---|---|---|---|---|---|---|
正常籽粒 Normal | 穗发芽籽粒 Viviparous | 总数 Total | χ2 (3:1) | |||
2014 | 海南Hainan | vp-like8/+ | 150 | 45 | 195 | 0.289 |
361 | 118 | 479 | 0.017 | |||
2016 | 北京Beijing | vp-like8/+ | 132 | 46 | 178 | 0.030 |
121 | 38 | 159 | 0.052 |
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2.2 Vp-like8基因定位
BSR-Seq基因定位发现, 在玉米10条染色体中, 只有第3染色体出现一个明显的峰。以P > 0.5作为标准, 将基因Vp-like8定位在第3染色体160.4 Mb~ 165.6 Mb区间内(图2)。图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2利用BSR-Seq方法对vp-like8突变体基因的初定位
Fig. 2Gene mapping of the vp-like8 mutant by the BSR-Seq strategy
2.3 vp-like8和vp1初步等位测验
分析发现在Vp-like8初定位的区间内存在已报道的Vp1基因, 为判断二者是否为同一个基因, 通过vp1和vp-like8杂合体的正反交进行了等位测验。在vp1杂合突变体混粉杂交vp-like8的果穗中, 发现有穗发芽分离的果穗(图3-A); 同时, 在vp-like8杂合突变体混粉杂交vp1的果穗中, 也发现有穗发芽分离的果穗(图3-B)。初步证明vp-like8突变体很有可能是Vp1基因的一个等位突变体。图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图3利用杂合体对vp-like8和vp1进行等位测验
A: 以vp1/+杂合突变体混粉杂交vp-like8的果穗上出现穗发芽籽粒。B: 以vp-like8/+杂合突变体混粉杂交vp1的果穗上出现穗发芽籽粒。
Fig. 3Allelism test of vp-like8 with vp1 by heterozygous mutants
A: viviparous kernels were emerged on vp-like8 heterozygous ear crossed by the mixed pollen of vp1 heterozygous plants; B: viviparous kernels were emerged on vp1 heterozygous ear crossed by the mixed pollen of vp-like8 heterozygous plants.
2.4 vp-like8突变位点鉴定
为准确验证Vp-like8和Vp1是等位基因并鉴定vp-like8的突变位点, 参考Vp1基因组序列(Vp1基因组序列全长5085 bp, 有6个外显子, 开放阅读框共2717 bp), 共设计8 对PCR引物(表1), 分别扩增vp- like8、vp1 突变体基因组DNA, 扩增产物起始于起始密码子上游-423 bp, 到终止密码子下游1088 bp结束, 瓦片式覆盖了Vp1基因组序列。测序发现, vp- like8突变体中Vp1基因在第2内含子处缺失343 bp碱基, 且在第3内含子插入222 bp的重复序列; 而vp1突变体只在第2内含子处缺失343 bp碱基 (图4)。由此证明, 这2个突变体的Vp1基因突变方式不同, 即Vp-like8是Vp1一个新的等位突变基因。图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4Vp1基因结构示意图及突变体的突变位置
Fig. 4Gene structure of Vp1 and mutation site of two mutants
根据vp-like8和vp1在Vp1基因上的突变位置, 设计特异引物VP1-G-F6R6、VP1-G-F4R4, 分别鉴定出vp-like8和vp1杂合体, 利用杂合体植株再次进行等位测验。授粉后30 d, 检查穗发芽情况, 发现无论是正交(vp-like8/+ × vp1/+), 还是反交(vp1/+ × vp- like8/+), 杂交果穗都出现穗发芽表型的分离。统计分析, 发现正常与穗发芽籽粒符合3∶1分离比(表3)。进一步确认vp-like8突变体就是Vp1基因的等位突变体。
Table 3
表3
表3vp-like8与vp1突变体等位测验
Table 3
父母本基因型 Parental genotype | 籽粒表型 Kernel phenotype | |||
---|---|---|---|---|
正常籽粒 Normal | 穗发芽籽粒 Viviparous | 总数 Total | χ2 (3:1) | |
vp-like8/+ × vp1 /+ | 208 | 72 | 280 | 0.042 |
vp1 /+ × vp-like8/+ | 158 | 48 | 206 | 0.233 |
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2.5 Vp1基因在vp-like8突变体中的表达检测
选取vp-like8和vp1杂合体, 分别提取其自交果穗中正常和穗发芽籽粒的总RNA, 采用实时荧光定量PCR的方法, 检测Vp1基因的转录水平。如图5所示, 在突变体vp-like8和vp1中, 穗发芽籽粒Vp1基因的表达量都显著低于正常籽粒, 表明vp-like8和vp1中不同方式的突变都影响了Vp1基因正常转录。图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图5实时定量PCR检测Vp1基因分别在vp-like8、vp1突变体的正常(normal)和穗发芽(vp)籽粒中的表达量
Fig. 5Gene expression level of Vp1 in normal and viviparous (vp) kernels of vp-like8 and vp1 mutants by quantitative real- time PCR analysis
3 讨论
玉米穗发芽性状受种子内各内源激素水平的影响, 其中植物激素ABA可促进未成熟种子中胚的发育及成熟种子的休眠等过程[25]。近年来, 玉米穗发芽突变体的研究已相对深入, 发现ABA与玉米穗发芽表型密切相关, 无论ABA 信号转导途径异常还是ABA合成途径受阻, 都会发生穗发芽突变。目前所发现的玉米穗发芽突变体大多是ABA合成途径异常所致, 而ABA信号转导异常导致的相对较少。已有研究报道, Vp1是单拷贝基因, 编码分子质量为73,335道尔顿的蛋白质, 特异地在种子发育过程中的胚和胚乳里表达[7]。玉米VP1激活胚成熟和胚休眠相关基因的表达, 参与玉米胚成熟发育进程的调控[19], 且抑制与种子萌发相关基因的表达[26]。玉米VP1是拟南芥ABI3的同源蛋白, 是种子发育进程中重要的转录调节因子, 拟南芥ABI3调控胚发育过程。研究表明, ABI3调控胚芽休眠、质体发育和开花等过程[27,28,29,30,31]。本研究中vp-like8在第2内含子处缺失343 bp碱基, 并第3内含子处有222 bp重复序列的插入, 与所报道的vp1突变体只在第2个外显子有343 bp碱基缺失的突变方式不同, 因此, vp-like8是一个新的未见报道的Vp1基因等位突变体。对于vp-like8中222 bp的插入序列, 该序列末端有17 bp的重复序列, 经序列检索比对分析发现, 222 bp序列为类逆转录转座子, 且在高粱、水稻、谷子等作物中均存在。我们检测到vp-like8突变体中Vp1基因mRNA的表达量显著降低, 推测可能就是由于第2内含子的缺失以及第3内含子的222 bp插入序列, 导致了Vp1基因不能正常转录和剪切, 进而不能翻译成正常的VP1蛋白, 造成了其功能的缺失。综上, vp-like8突变体的表型鉴定与基因克隆, 为进一步深入研究玉米Vp1基因的功能提供了新的实验材料。
4 结论
新发现一个玉米穗发芽突变体vp-like8, 受单隐性核基因控制。vp-like8中Vp1基因在第2内含子处缺失343 bp碱基, 在第3内含子处插入222 bp重复序列, 是Vp1基因的一个新等位突变体, 为探讨玉米穗发芽的分子机制提供了新的试材。参考文献 原文顺序
文献年度倒序
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被引期刊影响因子
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