摘要
抽穗期是水稻最重要的农艺性状之一，决定了水稻品种的区域适应性和季节适应能力。水稻抽穗期的调控和改良有助于缩短现有水稻品种的生育期和扩大优质水稻品种的种植面积，提高产量。近年来，针对水稻抽穗期调控网络的研究取得了一定的进展，目前已经克隆了大量的抽穗期相关基因。最近以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术已逐渐发展成为研究水稻抽穗期调控网络和相关基因功能的重要工具，而其在水稻育种和品种改良中的广泛应用，也大大加快了水稻育种进程。在本研究以江苏省的优质水稻品种‘淮稻5号’和‘南粳5055’为背景材料，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对水稻抽穗期相关基因RFT1的启动子和Hd16的编码区进行了编辑，还对前期在‘南粳46’背景下获得的PHYC敲除新种质的稻米品质进行了初步分析。主要研究内容如下： 1、编辑RFT1启动子创制抽穗期变异的突变体 ‘淮稻5号’和‘南粳5055’分别属于迟熟中粳和早熟晚粳，适宜在苏中和苏南地区种植。为了改良其抽穗期，本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对水稻成花素基因RFT1的启动子区进行了3靶点编辑。首先对通过遗传转化获得的转基因阳性植株进行了测序分析，其次其进行了外源基因的剔除，最终，在‘淮稻5号’背景下获得了17种不同基因型的纯合突变体；在‘南粳5055’背景下获得了2种不同基因型的纯合突变体。 南京自然长日照条件下，田间突变株系的抽穗期调查结果显示，‘淮稻5号’背景下的RFT1启动子区突变株系中大多数突变株系的抽穗期都比野生型迟，其中最迟的比野生型晚抽穗期10天左右（rft1-10、rft1-11和rft1-12）；只有个别突变株系的抽穗期比野生型早（rft1-1、rft1-9和rft1-15）。‘南粳5055’背景下的RFT1启动子区突变株系的抽穗期没有明显变化。‘淮稻5号’背景下具有较晚抽穗期3个突变株系rft1-10、rft1-11和rft1-12的农艺性状分析结果显示除rft1-12的株高增加外，突变株系的其他农艺性状与野生型无显著差异。在产量相关性状方面，3个突变株系的穗长和每穗粒数与野生型相比显著下降，同时其千粒重增加不明显，这些变化意味着突变体产量的降低。 2、编辑Hd16编码区创制抽穗期变异的早熟突变体 本研究在‘淮稻5号’和‘南粳5055’中对水稻长日照下光周期开花调控途径中的开花抑制因子Hd16的编码区进行了功能敲除。经过加代纯合和外源基因剔除，最终获得了4种基因型不同的纯合突变体hd16-1、hd16-2、hd16-3和hd16-4。两个品种中，具有hd16-4基因型的突变体的抽穗期显著提前，这与预期效应一致。意外的是，‘淮稻5号’背景下具有hd16-1、hd16-2和hd16-3基因型的突变体的抽穗期却没有明显变化。 农艺性状调查结果显示，在两种不同的背景材料下，突变体的分蘖数和穗长与野生型并无显著差异。而两个背景下具有hd16-4基因型的突变体的株高与野生型相比均明显下降，这与其营养生长期的缩短有关。值得注意的是，‘淮稻5号’背景下，具有hd16-4基因型的突变体的每穗粒数相比野生型明显增加；而‘南粳5055’背景下的基因型为hd16-4的突变体的每穗粒数却显著下降，这可能与抽穗期基因的效应受遗传背景和环境条件的影响有关。 3、PHYC敲除新种质的品质分析 ‘南粳46’背景下PHYC敲除新种质的抽穗期比野生型提前了1周左右，能够稳定遗传。对种植于南京地区的PHYC敲除种质的米质进行了分析，结果显示PHYC敲除新种质的垩白粒率和垩白度显著增加，精米透明度下降，外观品质与野生型相比较差。PHYC敲除新种质的食味品质指标测定结果显示其直链淀粉含量下降明显，而胶稠度无明显变化，这使其在烹饪后会比‘南粳46’更加柔软。我们认为该种质适合种植到光温条件更适合的苏北地区。 综上所述，本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对江苏优质粳稻品种的抽穗期基因进行了编辑，获得了抽穗期改良的水稻育种新种质，并对所获新种质的农艺性状和稻米品质进行分析鉴定。本研究为培育抽穗期改良的新品种奠定了基础。
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