周 煉,陳洛,吳偉,楊梯豐,張少紅,趙均良
(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/ 廣東省水稻育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 廣東省水稻工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南優(yōu)質(zhì)稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)
【研究意義】全球有超過(guò)50%人口以水稻為主糧,水稻是我國(guó)種植面積最大、總產(chǎn)量最多的糧食作物。水稻生產(chǎn)在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有極其重要的地位,對(duì)我國(guó)糧食安全具有舉足輕重的作用。然而,隨著農(nóng)村主要?jiǎng)趧?dòng)力向城市轉(zhuǎn)移,農(nóng)村勞動(dòng)力短缺已成為水稻生產(chǎn)中的突出問(wèn)題。采取輕簡(jiǎn)化、機(jī)械化的生產(chǎn)方式,是解決這一問(wèn)題的根本出路。水稻直播是將預(yù)萌發(fā)過(guò)的種子直接撒播到田里進(jìn)行生產(chǎn),具有節(jié)本、省工、高效等優(yōu)勢(shì),深受農(nóng)民青睞[1-2]。近年來(lái)水稻直播在全國(guó)快速發(fā)展,有助于緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動(dòng)力短缺的問(wèn)題。尤其是雙季稻區(qū),雙季直播稻不僅灌溉用水減少,而且生育期縮短,有助于緩解兩造之間銜接緊張的問(wèn)題。水稻直播有濕直播、半濕直播和旱直播3 種主要方式。無(wú)論哪種方式,都面臨適宜直播使用的水稻品種缺乏這個(gè)共同難題。其主要原因是由于當(dāng)前使用的直播稻品種多是從傳統(tǒng)移栽品種中篩選而來(lái),而直播所需要的耐淹水、耐低溫萌發(fā)、早生快發(fā)、抗倒伏等能力往往不是傳統(tǒng)移栽品種選育的主要目標(biāo),因此這些品種大多缺乏直播所需的關(guān)鍵性狀,不能很好地發(fā)揮品種的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。另外,我國(guó)大部分稻作區(qū)在早稻或一季稻的播種期都會(huì)遭遇“倒春寒”或“寒露風(fēng)”等15℃以下的低溫天氣影響,本研究團(tuán)隊(duì)前期研究也發(fā)現(xiàn)廣東主推優(yōu)良品種中超過(guò)90%的品種低溫萌發(fā)力在10%~50%。因而,鑒定調(diào)控水稻直播關(guān)鍵性狀的功能基因,解析其分子調(diào)控機(jī)制,運(yùn)用分子輔助技術(shù)選育適合直播的品種,是解決目前水稻直播難題最有效的方法之一,對(duì)于直播稻的深入推廣和應(yīng)用具有重要意義。
【前人研究進(jìn)展】隨著水稻直播面積的擴(kuò)大,育成品種低溫萌發(fā)力低下、無(wú)法滿足直播需要的矛盾愈發(fā)凸顯,關(guān)于水稻耐低溫萌發(fā)的分子遺傳研究逐漸成為熱點(diǎn)。隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)利用“雙親”遺傳材料,如DH 群體[3-5]、重組自交系/回交系[6-14]、雜交F2:3群體[15-16]、染色體片段代換系[17-18]等,和自然品種[19-23]開(kāi)展了水稻低溫萌發(fā)力QTL 的定位。據(jù)統(tǒng)計(jì),迄今共鑒定出超過(guò)40 個(gè)低溫萌發(fā)力QTL 位點(diǎn),廣泛分布于水稻的12 條染色體,但只有位于第3 染色體的qLTG3-1[7]、位于第7 染色體的OsSAP16[23]和來(lái)自野生稻的LTG5[24]被成功克隆和確認(rèn)功能。qLTG3-1是第一個(gè)被克隆的水稻低溫萌發(fā)力基因,對(duì)耐低溫萌發(fā)的貢獻(xiàn)率達(dá)35.0%。qLTG-3-1 是一個(gè)富含甘氨酸(GRP)的未知功能蛋白,根據(jù)其氨基酸序列、時(shí)空表達(dá)模式的分析以及組織切片結(jié)果,推測(cè)其可能作用于促進(jìn)種胚外層包裹組織的液泡化降解,從而增強(qiáng)種子的低溫萌發(fā)力[7]。OsSAP16 是水稻18 個(gè)SAP 成員之一,擁有保守的A20/AN1-C2H2 鋅指結(jié)構(gòu)域,不同品種中OsSAP16等位基因的功能差異可能來(lái)自于表達(dá)水平,提高或降低OsSAP16表達(dá)量,相應(yīng)地能夠增強(qiáng)或降低水稻低溫萌發(fā)力,但其調(diào)控水稻低溫萌發(fā)的分子機(jī)理仍然未知[23]。LTG5來(lái)自普通野生稻Y12-4,編碼一個(gè)葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶,超表達(dá)LTG5基因可以顯著地提高種子的低溫萌發(fā)率[24],但其分子機(jī)制尚不清楚。
【本研究切入點(diǎn)】基因的表達(dá)情況往往與其功能高度相關(guān)。隨著組學(xué)測(cè)序的興起,利用多組學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合能夠快速地鎖定QTL 定位區(qū)間的候選基因。Mao 等[25]、Yang 等[26]利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序相結(jié)合,將QTL 位點(diǎn)的候選基因縮小到兩個(gè)基因。Yang 等[27]在GWAS 的基礎(chǔ)上結(jié)合單倍體型分析和基因表達(dá)數(shù)據(jù),快速地將候選基因鎖定到兩個(gè)基因的范圍。本研究以已獲得的水稻低溫萌發(fā)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)為切入點(diǎn),深入分析、挖掘新的水稻低溫萌發(fā)調(diào)控基因及其分子作用機(jī)理,篩選到一個(gè)差異表達(dá)基因OsYIPL1,通過(guò)構(gòu)建OsYIPL1過(guò)表達(dá)遺傳轉(zhuǎn)化材料,結(jié)合其萌發(fā)相關(guān)表型,探究OsYIPL1在調(diào)控水稻低溫萌發(fā)中的功能。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究擬克隆新的水稻低溫萌發(fā)力相關(guān)基因,進(jìn)一步解析其分子調(diào)控機(jī)理,為水稻低溫萌發(fā)品種改良和分子育種提供新的理論基礎(chǔ)。
1.1.1 供試材料 日本晴(Nip)由本實(shí)驗(yàn)室自行繁殖和保存。遺傳轉(zhuǎn)化所用的受體親本日本晴由武漢伯遠(yuǎn)生物科技有限公司提供。萌發(fā)試驗(yàn)所用的野生型及轉(zhuǎn)基因材料于2021 年早季種植于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南區(qū)試驗(yàn)基地,3 月4 日播種,4 月8 日移栽,每個(gè)株系種植2 行,每行8 株,株行距為19.8 cm×19.8 cm,采用常規(guī)栽培和水肥管理。種子于7 月上旬收獲,曬干后室溫存儲(chǔ)3 個(gè)月,用于常溫和低溫萌發(fā)力評(píng)價(jià)。
1.1.2 供試載體及樣品 pOX 載體由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳工程實(shí)驗(yàn)室改造及保存,是在pCAMBIA1300 骨架上將35S 啟動(dòng)子替換為水稻Ubiquitin 啟動(dòng)子。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)分析流程詳情見(jiàn)Yang 等[26]驗(yàn)證所用RNA 樣品為轉(zhuǎn)錄組測(cè)序備份樣品。R1、R2 為高LTG 品種,S1、S2 為低LTG 品種。T0、T1、T2 和T3 分別為低溫萌發(fā)0、48、96、144 h 等處理階段。
1.2.1 萌發(fā)試驗(yàn) 每個(gè)水稻品系取300 粒飽滿的種子置于49 ℃恒溫箱處理96 h 以打破休眠。常溫浸種24 h,蒸餾水沖洗3~5 次,每50 粒種子均勻放置于鋪有濾紙的9.0 cm 培養(yǎng)皿中,加5 mL蒸餾水,分別置于28 ℃和13 ℃人工氣候箱中進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn),每個(gè)處理3 次重復(fù)。以芽長(zhǎng)≥2 mm作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn),28 ℃每天統(tǒng)計(jì)種子的萌發(fā)勢(shì),共統(tǒng)計(jì)5 d;13 ℃每隔一天統(tǒng)計(jì)種子的低溫萌發(fā)勢(shì),連續(xù)觀察10 d。以萌發(fā)勢(shì)作為衡量種子萌發(fā)能力的指標(biāo)。
1.2.2 RNA提取、反轉(zhuǎn)錄及qRT-PCR 檢測(cè) 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別選取新鮮的種胚、葉片等材料,迅速投入液氮凍存,經(jīng)機(jī)械研磨成細(xì)粉狀,按照植物總RNA 小提試劑盒B(Magen,R4151-02B)的操作流程獲得各組織的總RNA。用PrimeScript? RT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)反轉(zhuǎn)錄試劑盒(TAKARA,RR047A)合成cDNA。設(shè)計(jì)OsYIPL1特異的定量引物(Q-F,GCCTACCTCTTCGACCACG;Q-R,CCGTATGCAGTCCGGTCATC),使用MagicSYBR Mixture(康為世紀(jì),CW3008)試劑和CFX96PCR擴(kuò)增儀(Bio-Rad)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃3 min;95 ℃10 s,57 ℃20 s,72 ℃20 s,讀板,共40 個(gè)循環(huán);以O(shè)sUBI作為內(nèi)參(Ubi-QF,ACCACTTCGACCGCCACTACT;Ubi-QR,ACGCCTAAGCCTGCTGGTT),對(duì)CT 值進(jìn)行計(jì)算分析,獲得檢測(cè)樣品中OsYIPL1的相對(duì)表達(dá)情況。
1.2.3 載體構(gòu)建及遺傳轉(zhuǎn)化 以日本晴種胚cDNA 為模板,用引物pOX-F(acttctgcagggtacA TGGGGCTGCTGTTCGTG)和pOX-R(aacgcgtact agtaagctTCACCGGGCTTCTTTCCAC)(劃線序列為pOX 載體序列)擴(kuò)增OsYIPL1的CDS 全長(zhǎng)。pOX 載體用KpnⅠ和HindⅢ雙酶切后回收,與OsYIPL1擴(kuò)增產(chǎn)物用ClonExpress ⅡOne Step Cloning Kit(諾唯贊,C112-01)通過(guò)同源重組連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH10B 感受態(tài),涂布于LB/Kan 平板。陽(yáng)性克隆經(jīng)測(cè)序鑒定后,提取質(zhì)粒。正確的pOX-YIPL1 質(zhì)粒寄送到武漢伯遠(yuǎn)生物科技有限公司,委托其進(jìn)行后續(xù)的遺傳轉(zhuǎn)化。
1.2.4 轉(zhuǎn)基因植株的鑒定 取轉(zhuǎn)基因苗和對(duì)照日本晴的葉片,分別提取gDNA 和總RNA。用潮霉素特異引物Hpt-F(ATTTGTGTACGCCCGACAGT)和Hpt-R(GTGCTTGACATTGGGGAGTT),以轉(zhuǎn)基因植株gDNA 為模板,檢測(cè)轉(zhuǎn)化載體的存在??俁NA按照1.2.2的方法,檢測(cè)OsYIPL1的表達(dá)量,篩選真正的過(guò)表達(dá)株系。
在Yang 等[26]研究基礎(chǔ)上,利用已獲得的不同水稻品種、低溫萌發(fā)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù),篩選到另一個(gè)差異表達(dá)基因LOC_Os10g22410。其基因注釋是與果蠅Yippee 基因[28]同源的鋅指結(jié)合蛋白編碼基因,本研究將其命名為OsYIPL1(Yippeelike 1)。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示(圖1A),在種子萌發(fā)中后期,高LTG 品種(R1、R2)中OsYIPL1的表達(dá)量顯著高于低LTG 品種(S1、S2),尤其是低溫萌發(fā)96 h 后的T2 階段,差異達(dá)到2.1倍。實(shí)時(shí)熒光定量RT-PCR 的結(jié)果(圖1B)同轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果一致,低溫萌發(fā)96 h 后高LTG品種中OsYIPL1的表達(dá)量平均是低LTG 品種的3.1倍,證明OsYIPL1確實(shí)在高LTG 品種的低溫萌發(fā)過(guò)程中表達(dá)更高。
為研究OsYIPL1的生物學(xué)功能,首先探索其在不同水稻組織中的時(shí)空表達(dá)模式。以日本晴的葉片、葉鞘、莖、枝梗、穎殼、小穗(穎花)、花藥和幼胚(授粉后7 d)為組織材料,水稻OsUBI基因?yàn)閮?nèi)參,OsYIPL1的CDS 序列148~226 區(qū)段的特異擴(kuò)增片段(引物Q-F/R)為目標(biāo),檢測(cè)其相對(duì)表達(dá)情況。結(jié)果顯示(圖2),OsYIPL1在葉片中的表達(dá)量最低,其次是葉鞘、莖和枝梗,在生殖器官小穗、花藥、幼胚中的表達(dá)量較高。其中在小穗、花藥和幼胚中表達(dá)量分別是其在葉片的35、265 和17 倍。
以日本晴為受體材料,利用pOX 載體過(guò)量表達(dá)OsYIPL1,T0代共獲得6 株轉(zhuǎn)化陽(yáng)性植株。通過(guò)定量檢測(cè),其中有兩株OX-1 和OX-2 中OsYIPL1的表達(dá)量是對(duì)照野生型的44.5 和89.8 倍(圖3)。OX-1 和OX-2 便作為OsYIPL1超表達(dá)株系,用于后續(xù)試驗(yàn)。
為進(jìn)一步研究OsYIPL1超表達(dá)對(duì)于水稻種子萌發(fā)的影響,以同時(shí)收獲的日本晴野生型和OX-1、OX-2 轉(zhuǎn)基因T2代成熟種子為材料,進(jìn)行常溫(28℃)和低溫(13℃)萌發(fā)試驗(yàn)。結(jié)果表明,在常溫下(圖4A、B)OX-1 比野生型萌發(fā)快,且每日的萌發(fā)率都高于對(duì)照:處理后1 d 比對(duì)照提高24.9%,處理后2 d 提高12.8%,處理后3 d 提高16.9%,處理后4 d 提高20.0%,處理后5 d 提高17.2%,平均比對(duì)照提高18.3%;而OX-2 則相反,處理后5 d,仍然只有39.2%的種子萌發(fā),萌發(fā)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照:處理后1 d 下降100%,處理后2 d 下降28.2%,處理后3 d 下降49.5%,處理后4 d 下降47.2%,處理后5 d 下降47.8%,平均下降54.54%。在低溫下(圖4C、D),OX-1 和OX-2 的萌發(fā)率都低于對(duì)照,且OX-2降低得更多,OX-1 的低溫萌發(fā)率比對(duì)照平均下降43.8%,OX-2 比對(duì)照平均下降81.5%。表明適當(dāng)提高OsYIPL1的表達(dá)水平(如OX-1),可以促進(jìn)常溫下水稻種子萌發(fā),過(guò)高則抑制(如OX-2);過(guò)表達(dá)OsYIPL1會(huì)抑制低溫下水稻種子萌發(fā),且這種抑制隨OsYIPL1表達(dá)量的升高而增強(qiáng)。
“出苗、防草、抗倒”是水稻直播適應(yīng)性的3 個(gè)重要方面[29]。為提高直播稻的成苗率,尤其是低溫、低氧條件下的萌發(fā)率,常用的措施有種子播前處理和種子包衣。研究表明,種子播前用50 mol/L 亞硒酸鈉或100 mg/L 水楊酸處理,可以促進(jìn)種子淀粉代謝和提前萌發(fā)。種子包衣通常包含殺蟲(chóng)劑、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等,有助于種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng),降低病蟲(chóng)害[30]。除撒播外,條播、穴播等直播方式也應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),以降低鼠鳥(niǎo)害、成苗率低、倒伏等造成的損失[31],但這兩種方式都增加了水稻生產(chǎn)的成本。也有研究也致力于從優(yōu)良的育成品種中篩選早生快發(fā)、耐淹水萌發(fā)的水稻品種,以應(yīng)用于水稻直播,是否適用于大面積生產(chǎn)效果還未知[32]。因而,鑒定和克隆水稻低溫、耐淹萌發(fā)力相關(guān)基因并開(kāi)展分子育種,培育耐低溫、淹水萌發(fā)的直播稻品種,才是最經(jīng)濟(jì)、高效的方式。
文獻(xiàn)資料顯示,動(dòng)物中Yippee 類似(YPEL)蛋白家族是一個(gè)高度保守的鋅指結(jié)合蛋白家族,由兩對(duì)半胱氨酸及其間的52 個(gè)氨基酸組成金屬(鋅)結(jié)合口袋[28]。OsYIPL1 中的Yippee 結(jié)構(gòu)域也是完全一樣的結(jié)構(gòu)。另外,生物信息學(xué)分析表明,幾乎在所有的真核生物中都存在Yippee 同源基因,說(shuō)明Yippee 類似蛋白可能在維持生命活動(dòng)中發(fā)揮重要且保守的作用。人類基因組中存在5 個(gè)YPEL 家族基因,可能參與細(xì)胞循環(huán)、衰老和腫瘤發(fā)展。其中YPEL1、YPEL2 和YPEL5 的表達(dá)與腎透明細(xì)胞癌病患的存活率呈正相關(guān):表達(dá)越高,存活時(shí)間越長(zhǎng)[33]。擬南芥中存在7 個(gè)Yippee 同源基因,關(guān)于其基因功能的研究甚少,僅有的數(shù)據(jù)表明,它們?cè)跀M南芥響應(yīng)雙生病毒感染、鹽脅迫、花粉萌發(fā)和花粉管伸長(zhǎng)、種子萌發(fā)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)差異表達(dá)[34-37]。
水稻萌發(fā)包括種子吸水膨脹、大分子物質(zhì)合成和細(xì)胞增殖直至胚芽鞘突破種皮等幾個(gè)階段,種子外部表皮細(xì)胞變薄、酶解,內(nèi)部胚由脫水、靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入代謝旺盛并不斷生長(zhǎng)的狀態(tài)。本研究通過(guò)轉(zhuǎn)錄表達(dá)分析,鑒定到一個(gè)全新的與水稻低溫萌發(fā)相關(guān)的功能基因OsYIP1。OsYIP1在耐低溫發(fā)芽和不耐低溫發(fā)芽的材料中有明顯差異表達(dá),同時(shí)其在水稻生殖器官中有高表達(dá)。進(jìn)一步轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)表明,適度提高OsYIP1的表達(dá)量,可以提高水稻的常溫發(fā)芽能力。因此,推測(cè)OsYIPL1可能是一個(gè)新的調(diào)控水稻萌發(fā)的功能基因。OsYIP1 作為一個(gè)鋅指結(jié)合蛋白,可能通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá),促進(jìn)胚根和胚芽鞘的不斷伸長(zhǎng)和生長(zhǎng)。另一方面,OsYIPL1 可能也參與非生物脅迫如低溫等的響應(yīng),抑制生命活動(dòng)的發(fā)生。因而在水稻低溫萌發(fā)過(guò)程中其作用可能是雙重的,需要更進(jìn)一步的研究數(shù)據(jù)來(lái)解析。
關(guān)于水稻低溫萌發(fā)的應(yīng)用研究,主要集中于qLTG3-1的品種改良和標(biāo)記輔助育種。Iwata 等[38]將來(lái)自Kasalath 的qLTG3-1[7]和qLTG11[39]導(dǎo)入3 個(gè)粳稻品種,發(fā)現(xiàn)qLTG3-1在這3 個(gè)品種的遺傳背景下均發(fā)揮功效,但其在秈稻背景的效應(yīng)還未知。Fujino 研究團(tuán)隊(duì)以來(lái)自Italica Livorno 的qLTG3-1作為功能型等位基因,對(duì)來(lái)自19 個(gè)國(guó)家的62 份亞洲栽培稻品種進(jìn)行了等位基因序列分析[7]。楊梯豐等[41]根據(jù)序列分析結(jié)果設(shè)計(jì)了分子標(biāo)記,應(yīng)用于水稻低溫萌發(fā)分子輔助育種。
水稻中存在5 個(gè)Yippee 同源基因,其中4 個(gè)是Os07g0584000、Os11g0551800、Os12g0484700和Os03g0698500。它們之間的功能可能存在冗余、分化或者拮抗。本研究結(jié)果表明,適度地增加OsYIPL1的表達(dá)可以促進(jìn)水稻種子在常溫下的萌發(fā)速度;而在低溫等惡劣條件下,過(guò)高表達(dá)OsYIPL1反而抑制種子萌發(fā),一方面可能是種子觸發(fā)自身的保護(hù)機(jī)制,另一方面則可能是同源基因之間的反饋抑制調(diào)節(jié)。因而,需要系統(tǒng)地研究水稻中YIPL 家族的所有成員的功能,厘清分子調(diào)控機(jī)制,才可以精準(zhǔn)地將其應(yīng)用于調(diào)控水稻低溫萌發(fā)。
低溫萌發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的生物過(guò)程,由微效多基因控制,利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等手段可以有效挖掘相關(guān)調(diào)控基因。低溫萌發(fā)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)分析表明,OsYIPL1在不同低溫萌發(fā)力品種中呈現(xiàn)差異表達(dá),尤其是低溫萌發(fā)96 h后,高LTG 品種中OsYIPL1的表達(dá)量是低LTG品種的2 倍以上。OsYIPL1是與果蠅Yippee 同源的鋅指結(jié)合蛋白,其編碼基因特異的在水稻花藥和幼胚中高表達(dá)。在水稻品種日本晴中過(guò)表達(dá)OsYIPL1,獲得兩個(gè)陽(yáng)性轉(zhuǎn)基因株系OX-1、OX-28,其中OsYIPL1的表達(dá)量是野生型的44.5和88.9 倍。萌發(fā)試驗(yàn)表明,在常溫下,OX-1 的萌發(fā)率比野生型平均提高了18.3%;而OX-2 比野生型平均下降了54.5%。在低溫下,OX-1 和OX-2 的萌發(fā)率均比野生型低,平均下降43.8%和81.5%。說(shuō)明過(guò)表達(dá)OsYIPL1可以在一定程度上提高水稻種子在常溫下的萌發(fā)速率,但是過(guò)高則抑制;在低溫下,OsYIPL1的過(guò)表達(dá)會(huì)抑制水稻種子的萌發(fā),且這種抑制隨OsYIPL1表達(dá)量的升高而增強(qiáng)。由于OsYIPL1相關(guān)的研究幾乎沒(méi)有,其分子作用機(jī)理和應(yīng)用研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。