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科學家破解水稻雜種優勢基因
來源:分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所 發布時間:2019-07-16

   7月5日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所国家基因研究中心韩斌研究组与上海师范大学黄学辉研究组、中国水稻所和福建农科院合作在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上发表了题为Dissecting a heterotic gene through GradedPool-Seq mapping informs a rice-improvement strategy 的研究论文。该研究开发了一种新的数量性状(QTL)定位方法,并快速克隆到水稻产量性状杂种优势基因GW3p6(OsMADS1),为杂种优势育种和品种改良提供了新的策略。

  杂种优势育种极大地提高了粮食产量,为解决粮食危机做出了巨大贡献。该研究组之前的工作已经揭示了水稻产量相关的杂种优势遗传机制:杂种优势的遗传机制不是由于双亲基因“杂”产生的超显性互作效应,而是主要基于双亲优良基因以显性和不完全显性的聚合效应。然而,与水稻产量杂种优势相关的优良基因所知甚少,之前尚没有水稻杂种优势基因(Heterotic gene)或QTL被克隆,其中一部分原因就是克隆杂种优势基因非常耗时耗力。

  韓斌研究組以此爲出發點,開發了一套新的數量性狀基因定位方法—GradedPool-Seq(GPS)。該方法基于F2樣品材料混合池測序的策略,直接從表型差異大的雙親F2後代中精確定位基因。該方法不僅提高了定位基因的分辨率,而且大幅度降低了成本。通過該方法,成功在多套雜交稻群體中定位到已知與未知的雜種優勢相關基因,並且在“廣兩優676”雜交稻F2群體中定位到與千粒重相關的雜種優勢基因GW3p6。進一步圖位克隆發現來自于雄性不育系(母本)中的GW3p6是OsMADS1的等位基因,並且GW3p6剪切方式的改變造成粒重與産量的增加。通過構建近等基因系發現,GW3p6顯著提高水稻産量、增加粒重和粒長,但是不影響其他農藝性狀。同時將GW3p6與另一個分蘖相關雜種優勢基因PN3q23聚合,進一步提高了水稻産量。這些結果證明在自交系中聚合優良的純合型雜種優勢基因,可以不通過培育雜交稻的方式,同樣實現雜種優勢類似的産量增加。另外GPS方法與該研究也爲雜種優勢育種以及品種改良提供了新的高效設計育種思路。

  分子植物卓越中心博士生王長盛和唐詩燦爲該論文的共同第一作者,韓斌與黃學輝爲共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金和中科院先導B項目的資助。


鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11017-y

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圖:A)GPS定位QTL的流程;B)雜種優勢基因定位及設計育種示意圖(彩色圓點代表優良基因)


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