大豆雄性不育基因的克隆及其功能研究

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大豆(Glycine max(Linn.)Merr)雄性不育基因的研究在大豆杂种优势利用和育种中具有十分重要的理论作用,在大幅度提高大豆产量中具有极大的应用价值与现实意义。大豆雄性不育基因的相关研究不仅可加深对大豆不育机理了解,更有助于对杂种优势的利用。为研究验证候选基因MSA的功能,本论文首先对大豆雄性不育候选基因进行进一步的缩小定位区间,目的是减少候选基因的数量;其次,对野生型和突变体花粉的减数分裂进行了细胞学观察,分析可能在减数分裂过程中存在异常导致育性发生改变;进一步对大豆雄性不育候选基因cDNA全长进行同源克隆,并根据基因序列对其进行生物学信息学分析,通过氨基酸序列预测其蛋白质的结构及功能,利用qRT-PCR的方法对目的基因在大豆各组织中(根、茎、叶、花)的表达特性进行分析;最后本实验构建了CRISPR基因编辑载体和PBI121功能互补载体,并成功将功能互补载体转入拟南芥雄性不育突变体中,得到F1代种子和观察到目标表型。通过构建功能互载体、遗传转化拟南芥雄性不育突变体、观察表型证明基因MSA的功能是调控大豆育性。上述试验内容,为继续深入研究大豆雄性不育基因的功能提供一定的理论依据。本研究以对不育突变体ms12进行了基因定位和候选基因的功能研究主要结果如下:1.大豆雄性不育基因的定位利用中黄13(紫花)与ms12突变体杂交后代F5和F6群体各600个个体,用10号染色体定位区间所有的SSR标记进行分析,结果显示,有6个SSR标记在亲本间有多态性,但筛选群体未能发现交换单株,根据Phytozome基因组注释,发现该区间位于着丝粒区域。2.野生型和突变体减数分裂的细胞学观察取野生型中品661和ms12不育突变体的未开放花各1200个和3600个,对9个减数分裂时期进行细胞学观察,并比对野生型和突变体的减数分裂各个时期。野生型各个时期均表现为正常,但在突变体中观察到减数第二次分裂中期出现染色体不聚集的弥散现象,推测这很有可能是导致植株育性改变的原因。3.候选基因MSA在大豆中的基因编辑构建MSA基因的4个编辑载体,定向转化中品661野生型,未得到阳性苗。4.候选基因MSA的表达分析利用qRT-PCR技术对MSA基因进行组织特异性表达分析,结果表明该基因在ZP661和ms12突变体各组织(根、茎、叶、花)均有表达,但表达量均极低。对比ZP661和ms12突变体在根、茎、花三个组织中表达量并无无明显差异,但在叶中表达量差异显著(p<0.05),MSA基因在ZP661野生型中叶的表达量最高,且明显高于其他组织(根、茎、花),在组织中表达量由大到小依次为叶、花、茎、根,叶中的表达量最高;在ms12突变体中表达量最高的组织是花,在组织中表达量由大到小依次为花、叶、根、茎,花的表达量最高。5.候选基因MSA的功能互补验证用中品661野生型可育基因转化拟南芥雄性不育突变体CS3678和CS8704,观察是否有表型恢复现象(功能互补),功能互补载体已完成拟南芥遗传转化,通过抗性筛选转基因拟南芥突变体得到转基因F1阳性苗,根据阳性苗表型由不育的短角果变为可育的长角果及角果数量判断目的基因具有调控育性的功能。
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