通過選擇種皮發亮性來提高大豆種子油含量【文獻原文下載】

 

英文題目Elevation of soybean seed oil content through selection for seed coat shininess

中文題目通過選擇種皮發亮性來提高大豆種子油含量

發表期刊Nature Plants

影響因子13.297

發表時間2018年1月1日

研究背景

大豆(Glycine max)是從6000到9000年前的東亞野生親緣大豆中馴化而來,導致了巨大的形態和生理變化,統稱為“馴養綜合癥”。一些與馴化有關的性狀(DRT)受一主要QTL控制,并且不同DRT所基于的某些QTL區域重疊。

許多豆科植物的種皮上都有一層含有致敏性過敏原的泥膜,使得種子不易被看見,為潛在的掠食者提供了雙重保護,保護后代。然而,無泥膜的光澤的種子對于人類消費和健康是有利的,并且是馴化選擇的目標。較早的研究提出,三個互補基因B1,B2和B3控制花開發育,但多項研究僅檢測到13號染色體上的B1基因座。

技術路線

結果展示

圖1.?G. max、?G. soja及其子代的種皮光澤

為了確定從開花到無花表型馴化過渡的基礎關鍵基因,將無花大豆品種Williams 82引入兩個高度不同的開花G. soja品種PI468916和PI 479752,并獲得了由大約3500個RIL組成的兩個F6:7重組自交系(RIL)群體。以Williams 82作為母本的雜交種子(F1種子)沒有種皮開花,而衍生自F1植物的F1:2種子則具有種皮開花。而來自以Williams 82作為父本的雜交的F1和F1:2種子均攜帶種皮開花(圖1b)。兩個RIL群體的兩個子集的表型分析顯示開花與無花表型的比例為1:1。根據種皮開花與母果莢果內果皮觀察表明,兩種種皮開花主要由單個基因控制,并且在表皮上,開花表型為顯性或部分顯性。值得注意的是,開花RIL之間的種皮開花數量不同,這可能反映了少量QTL調節種皮開花積累的影響。

圖2.?B1基因克隆

隨后對RIL的兩個子集進行處理,以通過測序(GBS)進行基因分型?;蛐秃捅硇蛿祿慕M合在PI 468916和PI 479752中在13號染色體上種皮開花的基礎上定義了一個區域(圖2a),該區域與先前映射的B1區域重疊,表明這兩個種質由B1基因座控制。在映射區域內的其他標記用于鑒定兩個RIL群體中與B1基因座之間的重組體,最后根據大豆參考基因組序列將B1基因座精細映射到一個包含兩個基因(Glyma.13G241700、Glyma.13G241800)的14.5 kb區域(圖2b)。對三個親本系的兩個基因進行測序,Williams 82和兩個大豆親本之間的差異只有一個SNP位點,即Glyma13G241700的編碼序列(CDS)中的一個(C到T)點突變,導致氨基酸從半胱氨酸變為精氨酸(圖2c)?;ê?周,Glyma.13G241700在發育中的豆莢中最高表達,其在PI 468916和(Williams 82×PI 468916)F1中的表達水平相似,但均明顯高于Williams 82(圖2d)。相比之下,兩個親本中的Glyma.13G241800和F1的表達水平沒有顯著差異(圖2e)。這些觀察結果表明,雙親中的Glyma.13G241700最有可能成為B1的候選基因,預計B1編碼跨膜轉運蛋白樣蛋白(圖2f)。

然后將來自PI 4768916的Glyma.13G241700的CDS與花椰菜花葉病毒35S啟動子融合,并將融合構建體(p35S:CDS-B1)引入Williams82。兩個獨立轉化事件各自獲得約20個T1轉基因種子。如圖2g所示,在所有轉基因種子的表面均觀察到種皮開花,但在非轉基因對照中卻沒有,證明Glyma.13G241700是B1基因座。在R5(種子發育)階段,由35S啟動子驅動的轉基因B1在發育中的豆莢,豆莢果皮,種皮和種子中的表達水平顯著高于Williams 82中的b1(圖2h),并且在四個組織中的每一個中,轉基因B1的表達水平與T1:2種子的表皮表面積累的泥膜量呈正相關。

檢查先前重新測序的62個G. soja種質和240個G. max種質是否存在種皮開花和B1位點的序列變異。發現2大豆和Williams 82之間B1的CDS內(C到T)多態性與302個種之間種皮開花的表型差異完全相關(圖2i),提示(C到T)點突變是表型轉變的原因。預計該點突變會導致該基因編碼的蛋白質的螺旋結構丟失,而兩個大豆親本之間的另一個SNP(A到G)并未導致該蛋白質的任何明顯結構變化(圖2j)。

隨后,將來自PI 468916的B1的CDS和來自Williams 82的b1分別與B1啟動子區域融合,并將融合的pB1:CDS-B1和pB1:CDS-b1構建體引入擬南芥以獲得T2轉基因品系。由于擬南芥的種子較小且種子表面粗糙,因此無法清楚地區分轉基因種子與非轉基因對照之間的種子表面紋理。然而,pB1:CDS-B1轉基因種子的表面比pB1:CDS-b1轉基因種子和非轉基因對照的表面更蒼白和暗沉(圖2k)。與G. soja和G. max中的B1 / b1等位基因相似(圖2d),pB1:CDS-B1在擬南芥背景中的表達水平明顯高于pB1:CDS-b1(圖2l)。 B1 / b1之間的C到T多態性與基因的表達水平有關。

圖3.?B1基因座對種子油含量的多效性影響

先前通過全基因組關聯研究(GWAS)使用302個重測序種質的子集,確定了潛在的主要QTL種子油含量,包括46 個G. soja種質和127個 G. max種質的種子油含量信息(www.ars-grin.gov/npgs)和一個246 kb 的QTL區域在35,194,140 bp處達到峰值,位于B1基因座的下游約31 kb處(圖3a)與籽油含量的變化顯著相關。由于G. soja和G. max的種子油含量差異很大,前者的平均值約為10.9%,后者的平均值約為18.0%,因此認為該油脂QTL為可能是造成栽培大豆種子油含量升高的原因。

由于B1位點和油脂QTL均被定義為一個約410 kb的“馴化”區域(由大豆馴化形成)(圖3a),想知道這兩個基因座(如果不同)是否通過連鎖同時選擇,或單個基因座是否對這兩個性狀具有多效作用,從美國農業部大豆種質資源庫(www.ars.grin.gov/npgs)中選擇全部70個開花的G.max品種和從先前選擇用于調查GWAS種子油含量的遺傳多樣性的這個收集物中的52個“無花”的G.max品種。利用來自這122個種質的全基因組SNP數據,檢測到與B1選擇性清除區域中種皮開花相關的種子油QTL(圖3b),表明B1基因座可能對種子油含量具有多效性作用。據推測,與非轉基因對照相比,來自兩個獨立事件的大豆p35S:CDSB1轉基因種子均顯示出種子油含量顯著降低(4.5%和6.9%)。種子油含量降低的水平似乎與轉基因的表達水平相關(圖2h)。與pB1:CDS-b1轉基因種子或非轉基因對照相比,擬南芥pB1:CDS-B1轉基因種子中的脂肪酸含量也顯著降低,但在pB1:b1-CDS轉基因種子和非轉基因對照之間未檢測到種子油含量的顯著差異(圖3d),表明(C到T)多態性是表型差異的原因。

圖4.?調控大豆脂肪酸生物合成的四個轉錄因子基因的表達水平和相互作用

為了闡明B1介導降低種子油含量的機制,分析了Williams 82發育豆莢、豆莢內果皮、種皮和種子中四種轉錄因子GmWRI1a,GmLEC1a,GmLEC1b和GmABI3b的表達水平。B1和PI 468916的T1轉基因植物在R5階段過表達。這些轉錄因子上調了大豆種子中脂肪酸的生物合成,其表達水平與種子油含量呈正相關。在B1的過表達下發育中的豆莢和豆莢果皮中四種轉錄因子的表達水平均顯著降低而在發育中的種皮和種子中未觀察(圖4a)。Williams 82和PI 468916之間的B1 / b1表達模式與之呼應(圖4b)。表明B1基因不影響大豆種子中脂肪酸的合成,是通過下調脂肪酸生物合成影響莢果(圖4c)。

總結

B1基因座對種皮開花和種子油含量均具有多效性,為進一步分離B1介導的兩個重要種子性狀的基因網絡奠定了基礎。盡管已經在種群水平上對許多植物物種進行了測序和重測序,但有限數量的馴化相關基因,其中表型轉變的致病性突變已闡明。部分原因可能是由于基因-環境相互作用和各種基因-等位基因相互作用(包括多效性)決定了馴養綜合征的復雜性。最近的一項研究表明,在非洲水稻馴化過程中人為選擇SHATTERING 4的無意義突變會導致不破粒但顆粒尺寸較小。多效性并不總是對古代和現代農業有利。

 

推薦文章
大乐透预测专家汇总 股票代码规则 手机炒股行情软件 电子信息股票有哪些 股票入门培训 大盘股票 模拟炒股app哪个 100送5000体验金股票配资 股票最低可以买多少 国际股市行情 股票技术分析