opaque-2玉米近等基因系的构建与赖氨酸含量快速检测
陈岩1, 宋丽雅2, 周志强1, 张德贵1, 颜娜1, 张世煌1, 李新海1, 郝转芳1, 翁建峰1, 白丽1, 李明顺1,*
1中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部遗传育种重点实验室, 北京100081
2北京工商大学 / 北京市植物资源研究开发重点实验室, 北京100048
* 通讯作者(Corresponding author): 李明顺, E-mail:mshunli@aliyun.com
摘要

我国高赖氨酸玉米种质资源狭窄,opaque-2 (o2)突变基因能大幅提高玉米赖氨酸含量, 通过分子标记辅助选择构建o2玉米近等基因系并检测其赖氨酸含量具有重要意义。其中, 要解决的两个关键问题是如何准确地将不同供体的o2突变基因导入受体系和如何快速地检测导入系的赖氨酸含量。本研究利用O2基因内紧密连锁的SSR共显性标记引物phi057检测玉米供体和受体自交系的多态性, 利用其特异性和共显性构建o2近等基因系; 参考已有研究, 改进染料结合(DBL)法, 测定18组构建成功的o2近等基因系的赖氨酸含量。结果表明, 不仅在不同供体(CA339和山东2548)之间存在多态性, 而且在不同受体系间也存在多态性, 利用phi057能够成功地将不同供体的o2突变基因导入受体系, 构建o2近等基因系; 改进的DBL法分析表明, 不同受体系赖氨酸含量变化较大, 不同背景的受体系导入o2突变基因后赖氨酸含量增加的幅度差异也较大; 普通玉米自交系间赖氨酸含量为0.223%~0.368%, 构建成功的不同o2近等基因系间, 赖氨酸含量为0.373%~0.527%, 与受体亲本相比, 赖氨酸增加幅度最低为13%, 最高为74%。分析表明, phi057能准确筛选导入o2突变基因的受体系, 结合改进的DBL法能快速地选择赖氨酸含量高的玉米。

关键词: 高赖氨酸玉米; 分子标记辅助选择(MAS); o2近等基因系; 染料结合法(DBL); 赖氨酸
Construction of Maizeopaque-2 Near-isogenic Lines and Rapid Detection of Lysine Content
CHEN Yan1, SONG Li-Ya2, ZHOU Zhi-Qiang1, ZHANG De-Gui1, YAN Na1, ZHANG Shi-Huang1, LI Xin-Hai1, HAO Zhuan-Fang1, WENG Jian-Feng1, BAI Li1, LI Ming-Shun1,*
1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
2Beijing Key Laboratory of Plant Resources Research and Development / Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China
Abstract

The germplasm of high lysine maize in China is narrow, while theopaque-2(o2) mutant gene can largely increase the lysine level in maize, so it is important to createopaque-2near-isogenic lines (o2-NILs) by molecular marker assisted selection (MAS). There are two key problems in creating such lines, one is how to introgress theo2gene into normal receptor lines correctly, and the other is the fast and convenient way to monitor the lysine content. In our study, the closely linked co-dominant SSR marker phi057 was used to detect the polymorphism between the maize donor and receptor lines, and the specific and co-dominant marker was used to constructo2-NILs. Meanwhile, we tested the lysine content of 18th group ofo2-NILs by our own improved dye binding lysine (DBL) method. The results demonstrated that the normal maize inbred lines existed polymorphism, moreover, polymorphism also existed among QPM donors CA339 and Shandong 2548, the marker phi057 was effective to constructo2-NILs, using different QPM donors. The lysine content varied in different genetic backgrounds, which was from 0.223% to 0.368% among normal maize inbred lines, and from 0.373% to 0.527% amongo2-NILs. The increment of lysine content ino2-NILs ranged from 13% to 74%. We included that the SSR marker phi057 can select the mutant genotype ofo2gene correctly, and the improved DBL method is effective to be used in high lysine maize breeding.

Keyword: High lysine maize; Molecular marker assisted selection (MAS); o2-NILs; Dye binding lysine (DBL); Lysine

玉米( Zea mays L.)是世界上重要的粮食作物。赖氨酸是重要的氨基酸, 对于人和单胃动物来说, 玉米赖氨酸等必需氨基酸含量的高低决定了其营养价值的高低[1,2]。20世纪初发现了 opaque-2( o2)突变玉米, 1964年Mertz等证明这种突变玉米胚乳赖氨酸含量比普通玉米胚乳赖氨酸含量高69%[3]。利用 o2突变基因提高玉米赖氨酸等必需氨基酸含量, 对玉米品质改良具有重要意义[4]

通过分子标记辅助选择把普通玉米自交系转育为含 o2突变基因的高赖氨酸玉米自交系, 不仅能提高玉米的营养价值, 而且能扩充优质蛋白玉米种质资源[5]。1987年Schmidt等利用转座子标签克隆了 O2基因[6], 1989年公布了 O2基因的序列[7], Pioneer公司[8]和Missouri大学[9]开发了3对 O2基因内的SSR标记引物, 分别是phi112、umc1066和phi057, 其中phi057是共显性标记, 在材料间多态性较好, 适合用于筛选3种基因型的植株( O2O2 O2o2 o2o2)。phi057扩增片段位于 O2基因第6外显子上, 已测序玉米自交系B73扩增的目的片段大小为154 bp, 其简单重复序列为GCC, GCC重复单元数目的不同是材料间存在多态性的原因。目前中国农业科学院在利用分子标记辅助选择将 o2突变基因导入普通玉米自交系方面具有成熟的方法[10,11,12,13,14]。在成功转育的含有 o2突变基因玉米自交系中, 某些 o2近等基因系(辽2345 o2、丹598 o2等)的赖氨酸含量并未大幅提高[15]。同时, 也有研究表明 o2突变基因在不同遗传背景中的作用具有很大的差异, α-醇溶蛋白变化幅度从降低几倍到基本没有变化[16], 赖氨酸含量从最高增加3倍到增加很少[17,18]。分子标记辅助选择虽然能够准确地筛选导入纯合 o2o2基因型的植株, 但是转育后的不同材料间赖氨酸含量的增加幅度变化较大, 且不确定, 这给选育赖氨酸含量高的玉米增加了盲目性。因此, 成功构建 o2近等基因系后还需要一种快速的方法检测赖氨酸含量, 以减少高赖氨酸玉米育种的盲目性。

本研究分析玉米分子标记辅助选择构建 o2近等基因系的选择流程; 使用本实验室改进的DBL法测定18组构建成功的 o2基因近等基因系的赖氨酸含量。说明不同类型的 o2供体能成功构建 o2近等基因系, 改进的DBL法能快速有效地衡量材料赖氨酸含量。

1 材料与方法
1.1 试验材料

两种类型的 o2基因供体(CA339与山东2548), 30份普通玉米自交系材料, 玉米自交系K12 (黄早四改良系, 属于普通玉米)构建过程的回交穗子[(CA339×K12) BC5]F1和自交穗子[(CA339× K12) BC5] F2, 18组分子标记辅助选择构建的 o2近等基因系均由中国农业科学院作物科学研究所玉米优质抗逆课题组提供(表1)。

表1 18组 o2近等基因系名称和系谱Table 1 Name and pedigree of 18 groups of o2-NILs
1.2 试验方法

1.2.1 田间试验 2010年至2012年在北京顺义和云南元江试验基地种植试验材料。供体材料各种植5行, 其余材料种植1至2个穗行, 行长4 m, 株距25 cm, 行距60 cm。

1.2.2 分子标记过程 苗期六叶一心的单株挂牌, 取第6叶的部分叶片提取DNA。CTAB法提取DNA参考卢振宇等[19]的方法, 稍加改进, 不进行纯化直接用于扩增。 Taq DNA聚合酶、dNTP等由天根生化科技(北京)有限公司提供。SSR标记phi057的序列来自MaizeGDB, 由北京奥科鼎盛生物科技有限公司合成, 序列如下: phi057-F: 5-CTCATCAGTGCC GTCGTCCAT-3; phi057-R: 5-CAGTCGCAAGAAA CCGTTGCC-3。

反应体系20 μL, 含2 μL 10 × buffer (含20 mmol L-1 Mg2+)、1 μL dNTP (25 mmol L-1)、引物各0.3 μL (10 μmol L-1)、0.2 μL Taq DNA聚合酶(2 U μL-1)、1.5 μL DNA模板和14.7 μL ddH2O。

降落PCR反应程序为94℃预变性5 min; 94℃变性30 s, 65℃退火30 s (每个循环-0.5℃), 72℃延伸 36 s, 循环11个循环; 94℃变性30 s, 59.2℃退火30 s, 72℃延伸36 s, 循环26个循环; 72℃延伸10 min, 12℃保存。

将PCR产物加入终浓度为1×的loading buffer, 产物不变性, 参考CIMMYT的 Laboratory Protocols的实验方法加以改进进行8%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳。

1.2.3 改良DBL法测定赖氨酸 主要参考国标GB4801-84、赵铁男等[20]、郑云兰等[21]、杨文鹏等[22]、张文龙等[23]的方法, 具体操作如下。

分别吸取3.89 mmol L-1的AO-12染料溶液141、154、167、180、193、206和219 μL, 分别于25 mL容量瓶中, 用磷酸缓冲液定容至刻度, 即得0.022、0.024、0.026、0.028、0.030、0.032和0.034 mmol L-1的AO-12染料溶液, 用FLUOstar OPTIMA-BMG多功能酶标仪测定482 nm处吸光度(A), 在96孔酶标板上每个孔定量加400 μL样, 保证均一, 并求吸光度随染料溶液浓度而变的回归方程。3次重复, 每个点取3次重复的平均值, 在Excel中制作标准曲线。

将玉米种子研磨成粉, 过80目筛, 80℃烘干 2 h。分别称取酰化与不酰化样0.0350 g和0.0250 g, 小心转移到2.0 mL离心管, 加入100 μL半饱和醋酸钠溶液, 在振荡器上振荡5 min; 然后在酰化样中加10 μL丙酸酐, 不酰化样中加10 μL磷酸缓冲液, 振荡混匀, 在30℃酰化20 min; 加入1000 μL 3.89 mmol L-1酸性橙12染料溶液, 于摇床上120转 min-1反应90 min; 12 000× g离心10 min, 吸取500 μL上清液于25 mL容量瓶稀释50倍, 测定吸光度。每个样测定3次。

赖氨酸含量(%)=[(3.89-1.11 Cb)/ Wb-(3.89-1.11 Ca)/ Wa]×1×146.2×10-3×100×10-3

式中 Cb Ca代表酰化和不酰化反应剩余染料浓度, 单位为mmol L-1; Wb Wa代表酰化和不酰化反应样品重量, 单位为g; 146.2代表赖氨酸的相对分子量。

2 结果与分析
2.1 利用phi057对供体和受体亲本多态性检测

在构建 o2近等基因系前必须检测供体和受体亲本间的多态性。不仅受体材料间存在多态性, 而且 o2供体之间也存在多态性, 如图1所示, C代表供体CA339, S代表供体山东2548, 1~30分别是30个普通玉米自交系。可以看出phi057扩增出3种片段大小不同的条带, C、17、19是一类, S、3、8、10是一类, 其余的是一类, 材料间多态性较好。在构建材料时, 两个供体有隐性纯合的突变基因 o2o2, 其余普通玉米是显性纯合野生型基因 O2O2, 通过多态性检测确定杂交组合构建材料, 材料17和19只能与山东2548杂交, 其余材料均只能与CA339杂交。若CA339与17或19杂交, 则在后代中无法确定基因型, 材料无法构建, 因此构建材料前亲本多态性检测是十分必要的。

图1 引物phi057检测30个普通玉米自交系和2个 o2供体多态性C: CA339; S: 山东2548; M: marker; 1~30: 30个普通玉米自交系。Fig. 1 Polymorphism analysis of SSR marker phi057 between 30 normal inbred lines and 2 opaque-2donorsC: CA339; S: Shandong 2548; M: marker; 1-30: 30 normal maize inbred lines.

2.2 利用phi057检测K12回交和自交的穗行

在普通玉米自交系K12转育为高赖氨酸玉米自交系构建过程中进行SSR检测。受体K12与供体CA339杂交, 每代材料都选择杂合个体做母本, K12为父本进行回交。从图2可知, 编号2、3、5、7、9等为杂合个体, 基因型为 O2o2; 编号1、4、6、8、10等带型和亲本K12一致, 是纯合显性个体, 基因型为 O2O2。23个材料中有14个杂合个体, 9个显性纯合个体, 田间去掉显性纯合植株, 留下与亲本株型一致的杂合植株继续回交或自交。

图2 分子标记phi057对自交系K12 BC5F1回交群体基因型检测结果C: CA339; S: 山东2548; M: marker; 1~23: 23个单株; K: K12。Fig. 2 Genotype identified results of K12 BC5F1 populationC: CA339; S: Shandong 2548; M: marker; 1-23: 23 individuals; K: inbred line K12.

图3 分子标记phi057对自交系K12 BC5F2自交群体基因型检测结果C: CA339; S: 山东2548; M: marker; 1~26: 26个单株; K: K12。Fig. 3 Genotype identified results of K12 BC5F2 populationC: CA339, S: Shandong 2548; M: marker; 1-26: 26 individuals; K: inbred line K12.

BC5F1群体中杂合植株自交得到的BC5F2群体, 由于自交, 玉米籽粒发生透明胚乳和不透明胚乳的性状分离。一个穗子上共有203粒种子, 其中透明胚乳158粒, 不透明胚乳45粒, 经卡方检验χ2=0.7241, P值大于0.05, 符合孟德尔的3∶1的分离比。图3所示是来自同一穗子的2行材料, 编号1~14是透明胚乳材料, 编号15~26是不透明胚乳材料。SSR检测结果表明: 与CA339带型一致的是隐性纯合个体, 基因型是 o2o2; 与K12带型一致的是显性纯合个体, 基因型是 O2O2; 双带型材料是杂合个体, 基因型是 O2o2。基因型与表型的结果是一致的。

2.3 18组 o2近等基因系SSR检测确定基因型

构建材料使用的供体都是一些优质蛋白玉米(QPM)自交系包括CA339改良系、山东2548等。供体材料之间使用phi057引物检测也存在多态性, 构建好的材料带型和供体一致的是成功导入供体的隐性突变基因, 如图4所示, 4组材料是以山东2548为供体的, 分别是7和8、9和10、11和12、17和18, 7、9、11和17带型与6一致, 说明成功导入6的是隐性突变基因。其余14组材料和各自供体和受体相比, 也表明它们都获得了供体的隐性突变基因。

图4 18组 o2近等基因系基因型检测M: marker; 1~6: 供体对照, 分别是R60、CAL60、QM93、QM96、QM105、山东2548; 7~42: 18组 o2近等基因系, 分别是SH15 o2、SH15、中自01 o2、中自01、辽3162 o2、辽3162、沈136 o2、沈136、海9-21 o2、海9-21、P138 o2、P138、中17 o2、中17、辽3053 o2、辽3053、lx00-6 o2、lx00-6、E28 o2、E28、沈5003 o2、沈5003、⑦-61 o2、⑦-61、中黄204 o2、中黄204、313 o2、313、CA156 o2、CA156、吉4112 o2、吉4112、昌7-2 o2、昌7-2、郑58 o2、郑58。Fig. 4 Test of genotype of 18 groups of o2-NILsM: marker; 1-6: checks of donor, they are R60, CAL60, QM93, QM96, QM105, and Shandong 2548; 7-42: 18 group o2-NILs, namely SH15 o2, SH15, Zhongzi 01 o2, Zhongzi 01, Liao 3162 o2, Liao 3162, Shen 136 o2, Shen 136, Hai 9-21 o2, Hai 9-21, P138 o2, P138, Zhong 17 o2, Zhong 17, Liao 3053 o2, Liao3053, lx00-6 o2, lx00-6, E28 o2, E28, Shen 5003 o2, Shen 5003, ⑦-61 o2, ⑦-61, Zhonghuang 204 o2, Zhonghuang 204, 313 o2, 313, CA156 o2, CA156, Ji4112 o2, Ji4112, Chang 7-2 o2, Chang 7-2, Zheng 58 o2, and Zheng 58.

2.4 18组 o2近等基因系赖氨酸含量变化分析

杨文鹏等[22]分析表明, 染料浓度与透光度存在对数关系, 与吸光度呈正比, 并且透光度与吸光度之间关系为对数关系, 建立回归方程 R2值等于1。通过吸光度和透光度都能计算染料浓度。本试验采用不大于0.1 mmol L-1的低浓度范围, 以染料浓度为x轴, 吸光度为y轴绘制了标准曲线, 3次重复的 R2=0.997 (图5), 满足分析的要求。

图5 吸光度随染料浓度变化的回归方程Fig. 5 Regression equation of absorbance and dye concentration

对18组 o2近等基因系按照改良的DBL法测定各自剩余染料的吸光度, 然后代入公式 y=17.80 x- 0.044计算剩余染料浓度, 最后代入赖氨酸百分含量计算公式计算赖氨酸含量, 每个样3次重复计算平均值, 重复间差异不显著, Pr值为0.9369, F值为0.07, Pr> F。结果如图6, 普通玉米受体自交系籽粒赖氨酸含量变化在0.223%~0.368%之间, 平均值为0.317%; o2近等基因系籽粒赖氨酸含量变化在0.373%~0.527%之间, 平均值为0.430%。转育过后得到的 o2近等基因系与原受体亲本相比, 赖氨酸含量的提高幅度变化为13%~74% (图7)。其中CA156自交系选自Pool33, 属于QPM自交系, 所以其赖氨酸含量大于0.400%, 导入QM96的突变基因后赖氨酸含量也维持在0.400%以上。4组以山东2548这类 o2为供体的近等基因系赖氨酸平均值为0.440%, 受体系赖氨酸含量平均值为0.315%; 而另外14组以CA339这类 o2为供体的近等基因系赖氨酸平均值为0.428%, 受体系赖氨酸含量平均值为0.318%。相比之下, 山东2548这类供体对赖氨酸含量的提高幅度较大, 但是两类供体的差异不显著。

图6 改良DBL法测定赖氨酸含量结果1: SH15中自01; 2: 辽3162; 3: 沈136; 4: 海9-21; 5: P138; 6: 中17; 7: 辽3053; 8: lx00-6; 9: E28; 10: 沈5003; 11: ⑦-61; 12: 中黄204; 13: 313; 14: CA156; 15: 吉4112; 16: 昌7-2; 17: 郑58。Fig. 6 Results of lysine content measured by improved DBL method1: SH15 zhongzi 01; 2: Liao 3162; 3: Shen 136; 4: Hai 9-21; 5: P138; 6: Zhong 17; 7: Liao 3053; 8: lx00-6; 9: E28; 10: Shen 5003; 11: ⑦-61; 12: Zhonghuang 204; 13: 313; 14: CA156; 15: Ji4112; 16: Chang 7-2; 17: Zheng 58.

图7 导入 o2突变基因后赖氨酸含量提高百分比Fig. 7 Increment of lysine content after the introgression of opaque-2 mutant gene

3 讨论

长期以来科学家一直关注玉米品质的改良。1896年Hopkins[24]在美国伊利诺伊大学开始了一项长期的选择试验, 最后选育出一个蛋白质含量很高的伊利诺斯高蛋白品种(IHP), 其蛋白质含量为普通玉米蛋白质含量的2.5倍左右, 接近大豆蛋白质含量的水平。但是所选择的高蛋白玉米主要是醇溶蛋白含量多, 赖氨酸含量相对较少。20世纪初遗传学家发现了 o2突变玉米, o2突变基因虽然能够提高玉米籽粒赖氨酸含量, 但是存在很多缺陷, 如产量低, 容易感染真菌病害, 籽粒物理性状不利于商业化生产[25]。QPM是CIMMYT科学家利用胚乳修饰基因获得的硬质或半硬质胚乳并且赖氨酸含量维持在较高水平的 o2突变玉米, 在一些发展国家生产中得到一定的应用。巫永睿等阐明γ-醇溶蛋白对于硬质胚乳的修饰是必需的[26], 解释了 o2突变玉米含有突变基因却保持硬质胚乳的原因。

我国QPM种质资源狭窄, 来自CIMMYT的QPM大多是热带种质, 温带地区不适宜种植。使用分子标记辅助选择转育普通玉米自交系为 o2自交系是一个快速、有效地改良玉米品质的方法。利用分子标记技术转育高赖氨酸玉米首先面临的问题是选择 o2供体, 之前有研究发现自交系多黄29、丹3130、9046等一些材料和CA335杂交的后代全为 o2o2隐性纯合个体[12], 因为它们与CA339用phi057标记无多态性。也有研究认为利用山东2548和齐205作为供体, 11份玉米自交系为受体, 未能构建 o2近等基因系[13]。本研究利用山东2548能构建 o2近等基因系, 如SH15 o2、中自01 o2、辽3162 o2等, 如图4所示。说明, 在利用phi057构建材料时必须检测供体和受体亲本间的多态性, 选择存在多态性的两个亲本杂交才能成功构建材料。本试验中 o2供体分为两类, 一类是CA339及其改良系R60、CAL60和QM系列, 另一类是山东2548, 它们的 o2突变基因是不一样的[13]。结果表明, 同一类供体在不同遗传背景中对赖氨酸含量的提高幅度不一致, 变化较

大, 有的只提高13%, 而有的提高74%, 与之前报道一致, 即 o2突变基因在不同遗传背景中的作用具有很大的差异, α-醇溶蛋白变化幅度从降低几倍到基本没有变化[16], 赖氨酸含量从最高增加3倍到增加很少[15,17,18]。两类供体对赖氨酸含量提高幅度差异不显著, 山东2548这类提高幅度相对较大, 但是总体来说赖氨酸提高幅度不一致主要是与受体系的遗传背景相关, 而不是供体的原因。另外, 如lx00-6/ lx00-6 o2这类受体系赖氨酸含量很低(0.223%), 虽然提高幅度大, 但是最终赖氨酸含量低于平均值, 只有0.373%。说明还是受体系的遗传背景决定赖氨酸含量提高幅度和最终赖氨酸含量。

构建成功的 o2近等基因系赖氨酸含量并不一定得到提高[15], 需要一种快速、方便的方法去检测。在QPM育种中需要定期监测赖氨酸的含量, 目前CIMMYT的QPM育种使用的是近红外光谱法定期监测赖氨酸含量[27]。近红外法需要依据某个群体用仪器分析准确的赖氨酸含量和物理光谱定标, 也比较麻烦, 但是定标好后可以对这个群体大量的样本进行测定。除了近红外法外还可以使用氨基酸分析仪测定, 该法准确, 但也比较耗时。杨文鹏等对4种湿化学分析法进行了比较[22], 总的来说湿化学法比较耗费时间。4种方法中染料结合法测定结果相对稳定, 曾作为国家标准测定赖氨酸含量, 但是该方法所需样品量大, 一次重复就需要1.2~1.4 g样, 最初育种过程中没有足够的样品进行测定。针对其缺点, 本研究对其进行改进, 与之前相比有几个优点, 首先是测试使用的样品量大大减小, 与之前研究相比缩小20倍, 3次重复也只需0.18 g; 其次, 参考前人研究[21,28]将染料浓度稀释50倍, 这样更适合测定染料浓度的吸光度, 增加其准确性; 第三, 使用FLUOstar OPTIMA-BMG多功能酶标仪代替之前研究使用的分光光度计具有两个优点, 一是测定速度快, 分光光度计一般一次测几个样, 再加上清洗比色杯, 速度很慢, 而酶标仪能在几分钟内完成96孔板数据的读取; 二是酶标仪自身比较稳定, 本试验3次重复之间差异不显著( P=0.9369> F=0.07)。改进的方法快速、稳定、需要样品少, 适合在育种进程中筛选赖氨酸含量高的品系。

4 结论

利用共显性SSR标记引物phi057进行分子标记辅助选择, 可以把不同类型QPM供体(CA339或山东2548)的隐性 o2突变基因准确地导入普通玉米自交系。导入供体 o2突变基因后, 赖氨酸含量的变化主要取决于受体系的遗传背景。改进的DBL法测定赖氨酸含量, 方便、快速、稳定, 可以参考使用。

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