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In vitro mutation induction by NaN3 in ryegrass variety “Blue Heaven” and RAPD analysis for its variation

蓝天堂黑麦草的NaN3诱变及其RAPD分析



全 文 :书蓝天堂黑麦草的犖犪犖3诱变及其犚犃犘犇分析
李杰勤1,王丽华1,詹秋文1,董海峰1,刘井良2,李万祥2
(1.安徽科技学院植物科学学院,安徽 凤阳233100;2.安徽金沱湖蟹业有限责任公司,安徽 五河233300)
摘要:本研究利用叠氮化钠(NaN3)对黑麦草品种蓝天堂进行诱变处理。经过 M2 筛选和 M3 鉴定,得到农艺性状
发生明显变异的突变体60株,并从中选择了2个穗部突变体进行分子鉴定。结果表明,在 M2 代株系中,共有60
株具有稳定的变异性状,其中穗部性状发生变异的植株最多,共21株。在 M3 代株系中,比较2个穗部突变体与对
照的表型发现:对照只有1个顶端穗,但经诱变剂处理后,有2个突变体出现多个顶端穗,其中1个突变体有5个二
级分枝。对照和2个突变体在100个引物中有45个引物能扩增出带,其中3个引物能够区分对照与突变体1和
2。因此,对照蓝天堂黑麦草和2个 M3 突变体之间在DNA水平上存在差异。
关键词:黑麦草;化学诱变;突变体;RAPD
中图分类号:S543+.6  文献标识码:A  文章编号:10045759(2013)01027606
   多花黑麦草(犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿)原产地为地中海沿岸,分布于欧洲南部、非洲北部及亚洲西南部[1,2]。目
前,江苏、浙江、江西、湖北、湖南、四川、贵州、安徽等省均有较大面积的栽培。随着多花黑麦草栽培面积的增加,
迫切需要培育出适应我国气候和土壤条件的黑麦草品种。突变作为种质资源创新和功能基因组研究的有效手
段,已被广泛用于育种和功能基因研究中。利用诱变的方法可以构建突变体库,既是进行功能基因研究的基础,
又是创造新种质、培育新品种的途径[3,4]。化学诱变是通过化学试剂造成生物DNA的损伤和错误修复,产生突
变体[5]。化学诱变的突变是以点突变为主,并且一些化学试剂具有某些相对较高的突变频率和有较为稳定的突
变谱。化学诱变由于具有操作简单、突变率高、能在短时间内获得大量突变体等优点[6],因而成为应用最广泛的
诱变技术之一。目前化学诱变中应用较多的诱变剂是叠氮化钠(NaN3)和甲基磺酸乙酯(EMS)。叠氮化钠呈中
性,易透过细胞膜进入细胞,以碱基替换的方式影响DNA的正常合成,从而导致突变的发生[7]。目前,叠氮化钠
已经被广泛应用于大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)、水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)等作物的诱变育种[810]。
随机扩增多态性DNA(randomlyamplifiedpolymorphicDNA,RAPD)技术是重要的DNA 分子标记技术
之一。该技术具备模板DNA量少、无污染或少污染、费用较低、实验设备相对简单、技术简便、周期短,无需预先
了解DNA模板序列信息等特点[1113]。虽然RAPD存在重复性和稳定性差的缺点,但RAPD技术简单与操作方
便的优势是其他DNA分子标记不具备的。因而,对于标记较少而且全基因组未测序的物种,RAPD是一种理想
的分子标记。
本研究采用多花黑麦草“蓝天堂”进行诱变,从中筛选和鉴定突变体,并用RAPD标记对蓝天堂黑麦草及其
后代突变体进行分子鉴定,可为黑麦草育种提供基础材料。
1 材料与方法
1.1 材料
诱变品种为多花黑麦草“蓝天堂”,由百绿公司提供。
1.2 方法
蓝天堂黑麦草进行诱变处理:2006年10月,取4000粒蓝天堂黑麦草种子,用0.2%的叠氮化钠进行诱变,
276-281
2013年2月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第22卷 第1期
Vol.22,No.1
收稿日期:20120802;改回日期:20121010
基金项目:安徽科技学院青年基金 (ZRC2011280),安徽高等学校省级自然科学研究项目 (No.KJ2011Z075),国家星火计划 (No:
2012GA710076),国家自然科学基金(No:31071470),安徽省“115”产业创新团队(皖人才办[2009]2号)和科技部“十二五”农村领域
国家科技计划课题(No:2011BAD17B03)资助。
作者简介:李杰勤(1980),男,四川宜宾人,硕士,讲师。Email:wlhljq@163.com
通讯作者。
诱变1h后,将诱变剂倒出,清水冲洗1h以除去残留的诱变剂,试验设2次重复。
2006年10月,将用诱变剂处理过的种子用镊子在安徽科技学院种植科技园田间进行点播。种植时在小区
两边各种植2行未处理的蓝天堂黑麦草作为对照。当代(M1)材料混播,2007年5月份抽穗后用自交袋套袋自
交,成熟后按单株收获得 M2 种子。2007年10月按家系播 M2 种子,观察变异表型,在变异单株开花前套袋自
交,成熟后收获 M3 种子。2008年10月种植 M3 代,2009年5月观察表型并测定农艺性状。2009年10月种植
M4 继续观察表型。
1.3 RAPD分析
1.3.1 DNA的提取 DNA的提取材料是 M3 代黑麦草叶片,采用的是SDS法[14]对植物新鲜幼嫩的叶片进行
总DNA提取。提取方法:取嫩叶2g,加少量石英砂和500μL经65℃预热的提取液研磨成匀浆,转入1.5mL
EP管中,摇匀,放在65℃的水浴锅中温浴30min;然后加入200μL预冷的5mol/LKAC溶液,混匀后冰浴20
min(禁止摇动);加入体积比为24∶1的氯仿∶异戊醇溶液至1.5mL,盖上盖子后,摇匀5~7min,10000r/min
离心10min;取上清液于另一离心管中,加入预冷却2倍体积的无水乙醇沉淀DNA;用移液枪吸取上清液至新的
标号的EP管中,加入无水乙醇,15min10000r/min离心5min后倒掉上清,吹干;加入200μL超纯水溶解。
1.3.2 生物学试剂 TaqDNA聚合酶,dNTP,10×Buffer、Mg2+以及DNA标准分子量(DNALaddermarker)
均购自北京天根生化科技有限公司。100对RAPD引物由上海赛百盛生物技术有限公司合成。
1.3.3 PCR反应 PCR反应体系为20μL:10×buffer2.0μL,25mmol/LMgCl22.0μL,25mmol/LdNTP
2.0μL,TaqDNA聚合酶1U,引物2.0μL总DNA100ng和ddH2O9.8μL。
PCR扩增反应程序:95℃预变性5min,然后进入循环,每个循环为94℃变性1min,36℃退火2min,72℃
延伸1min,共45个循环,最后再延伸10min,4℃保存。
1.3.4 电泳检测 扩增产物在0.5×TBE缓冲液系统中,稳压100V,时间2.5h,用含有EB的1.2%的琼脂糖
凝胶电泳分离,同时以100~2000bpDNA作为分子量标记,BIORADGelDoc2000凝胶成像系统观察并拍
照。
2 结果与分析
2.1 突变体的类型及其数量
播种的4000粒黑麦草 M1 种子中,共有402株
M1 植株存活,最后获得396个 M2 株系。经过连续2
年的套袋自交和观察比较,有60个植株具有稳定的变
异性状(表1)。
在60个具有变异性状的植株中,有11个性状的
变异,这11种变异类型包括:穗部畸形、分蘖增多、株
型散开、紫花、叶茎变红、植株矮化、早熟、茎秆增粗、紫
红色茎节、无分蘖、叶增宽,图1中展示了部分突变体
的表型。在这些突变体类型中,穗部性状的变异植株
数量最多,有21株,占35.0%;其次是与分蘖相关的
性状(主要是多分蘖和无分蘖)共有12株,占20.0%;
最少的是叶茎颜色性状的变异,叶茎突变为红色的植
株只有1株,占1.7%(表1)。
表1 60个突变体的田间鉴定结果
犜犪犫犾犲1 犜犺犲狆犺犲狀狅狋狔狆犲狅犳狋犺犲60犿狌狋犪狀狋狊犻狀狋犺犲犳犻犾犲犱
编号
No.
变异类型
Phenotype
数量
Number
比率
Ratio(%)
1 穗部畸形Aberrantspikelet 21 35.0
2 分蘖多 Hightilering 9 15.0
3 株型散开Loosedplanttype 5 8.3
4 紫花Purpleflower 4 6.7
5 叶茎为红色Redleavesandstem 1 1.7
6 植株矮小Plantdwarf 3 5.0
7 早熟Earlymaturing 2 3.3
8 茎秆增粗Stemaugmentation 5 8.3
9 紫红色茎节Purpleinternode 3 5.0
10 无分蘖Singlestem 3 5.0
11 叶增宽 Widerleaves 4 6.7
总Total 60 100.0
  由此可知,诱变剂处理后,发生突变的基因可能主要是控制穗部和分蘖2个方面性状的基因。在调查结果的
过程中还发现,植株的矮化性状总与分蘖性状伴随在一起出现,突变的基因也可能与控制这2个性状的基因相
关。
772第22卷第1期 草业学报2013年
图1 部分突变体的表型
犉犻犵.1 犜犺犲狆犺犲狀狅狋狔狆犲狅犳犿狌狋犪狀狋狊
 A:株型散开;B:穗分枝增加;C:茎杆红色;D:小穗散开;E:穗变小;F:叶片红色;G:植株矮小 (D和E图左为对照,右为突变体)。A:Loosedplant
typemutant;B:Manifoldsecondarybranchmutant;C:Redstemmutant;D:Loosedbranchmutant;E:Smalpaniclemutant;F:Redleaves;G:
Plantdwarf(LeftpanicleandrightpanicleisCKandmutantrespectivelyinFigureDandE).
2.2 2个穗部突变体的表型鉴定
从60个具有稳定变异性状的植株中选取2个穗部变异的突变体进行进一步的鉴定分析。2个穗部突变体
M3 种子播种后,在生育期内进一步调查其田间农艺性状(表2)。
  对突变体1、突变体2和对照的方差测验表明:化学诱变剂诱变后,M3 株系的植株高度虽然均低于对照,但
差异不显著;从叶长性状看,突变体1和2均长于对照,但突变体2要比对照显著增长,表现出较为优良的性状;
突变体2的穗长没有变化,但是突变体1穗长比对照降低了26.0%,差异显著;对照只有1个顶端小穗,突变体
顶端小穗数都增加,突变体1为2个,突变体2为5个;突变体2和对照穗部均无二级分枝,但突变体1的二级分
枝有5个(表2和图2)。
872 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.1
表2 对照和2个穗部突变体的农艺性状比较
犜犪犫犾犲2 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犪犵狉狅狀狅犿犻犮狋狉犪犻狋狊犫犲狋狑犲犲狀犆犓犪狀犱狋犺犲2狆犪狀犻犮犾犲犿狌狋犪狀狋狊
材料
Accession
植株高度
Plantheight
(cm)
叶长
Leaflength
(cm)
穗长
Paniclelength
(cm)
顶端小穗
Topspikelets
(个No.)
二级分枝
Secondarybranchnumber
perpanicle(个 No.)
对照CK 76.1 21.0b 35.4a 1 0
突变体1MutantNo.1 72.8 23.0a 26.2b 2 5
突变体2MutantNo.2 74.3 24.0a 35.4a 5 0
 表中不同字母表示在0.05水平上差异显著。
 Valuesfolowedbydifferentlettersaresignificantlydifferentat0.05level.
图2 对照和2个突变体的穗部表型比较
犉犻犵.2 犜犺犲狆犪狀犻犮犾犲狆犺犲狀狅狋狔狆犲狅犳犆犓犪狀犱狋犺犲2犿狌狋犪狀狋狊
图3 对照与2个突变体的犚犃犘犇电泳图
犉犻犵.3 犚犃犘犇狉犲狊狌犾狋狊狅犳犆犓犪狀犱狋犺犲2狆犪狀犻犮犾犲犿狌狋犪狀狋狊
   M为 Marker;白色箭头表示差异带;1~3,4~6,7~9分别表示引物
C07、E04、D14在对照与2个突变体扩增结果(其中1,4,7为对照;2,5,
8为突变体1;3,6,9为突变体2)。M:Marker.Whitearrowsmeandif
ferentbands.1-3,4-6,7-9denotedamplificationresultsofC07,
E04,D14primersbetweenCKand2mutants(1,4,7:CK;2,5,8:mu
tantNo.1;3,6,9:mutantNo.2).
2.3 2个穗部突变体的RAPD分析
采用100个引物对这2个突变体和对照进行筛
选,共有45对引物在这3个材料间都能扩增出条带,
这些条带在250~2000bp都有分布,但主要集中在
500~2000bp。在这45对引物中筛选出3个引物在
突变体与对照之间有差异。其中引物C07在对照有1
条特征带,能区分出对照、突变体1和突变体2。在突
变体2中,引物E04有1条特异带,而对照和突变体1
没有这条带。引物D14在突变体1和2中都有这条
带而对照没有(图3)。因此,这3个引物应当与穗部
变异表型连锁。这可为进一步对突变的穗部性状的基
因定位奠定一定的基础。
3 讨论
化学诱变育种是目前一种迅速发展的作物育种技
术,具有使用方便、特异性较强和诱变后代较易稳定遗
传等特点[15]。目前研究表明在不同作物中诱变率存
在较大的差别,而且在相同的作物中诱变率也存在较
大的差异。张晓勤等[16]利用 EMS处理大麦(犎狅狉
犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲)品种获得了各种农艺性状的突变体,突
变群体的表型变异率为7.46%,M1 代的成苗率为
46.7%。张凤启等[17]用EMS处理甘蓝型油菜(犅狉犪狊
狊犻犮犪犮犪犿狆犲狊狋狉犻狊)NJ7982种子,突变群体的表型变异率
为18.51%,M1 代的成功率则为27.9%,而同样用
EMS诱变甘蓝型油菜,孙加焱等[18]诱变率则为
12.67%。本实验中,通过化学诱变剂NaN3 对黑麦草
种子进行诱变处理,得到了一些具有不同性状的突变
体,而且其中一些突变体具有优良的农艺性状,如穗部
形状、分蘖数的变异等。在实验中,诱变的种子共有
3120粒存活,存活率为78%,致死率为22%;获得396
个 M2 代株系,共60份突变体材料,占突变体群体总
数的15.2%。其中突变表型最多的是穗部性状,占
972第22卷第1期 草业学报2013年
35%。相比于大麦EMS诱变来说,本研究的突变率较高[16]。但对于甘蓝型油菜的EMS诱变来说,本研究的诱
变率并不高,而成苗率较高[17]。这说明诱变剂的浓度与成苗率成反比,而与诱变率成正比。因此,在进行化学诱
变时,如何设定诱变剂的浓度很重要。本研究中采用了0.2%的诱变率取得较好的成苗率和诱变率,这为种子较
小的饲用作物的诱变率提供了参考。通过化学诱变的变异性状类型丰富,产生了穗部畸形、分蘖多、株型散开等
具有众多变异性状的突变体,这些突变体有一些可以直接作为育种材料,如叶长增加的突变则可以用于改良茎叶
比,而分蘖增加其他性状又未改变的突变体单株则直接增加了单株鲜重和干重,因而可以直接在生产上应用。
随着现代分子生物技术的发展,分子标记被应用于系谱分析、基因定位、遗传作图和诱变检测等[19]。殷冬梅
等[20]利用RAPD标记检测了EMS诱变后代,检测结果表明变异后代的 RAPD谱带已经发生了变异。陈洋
等[21]利用PCR标记检测了18个感黄矮病突变体,结果发现这些突变体在1~4个分子标记位点发生了变异。
崔广荣等[22]利用RAPD标记检测了EMS诱变的蝴蝶兰(犘犺犪犾犪犲狀狅狆狊犻狊),部分诱变再生苗RAPD谱带发生了改
变。本研究利用RAPD标记对2个穗部突变体和对照进行了分子鉴定,其中引物C07能够将对照和突变体1和
2都区分开,而且这条特征带具有可重复性。因此,这个引物应当是和突变体的穗部变异基因有关。但由于黑麦
草全基因组未测序,因此如何将此基因鉴定出来还有大量的工作要做。本研究为进一步对
!
部变异相关基因的
定位和克隆奠定了良好的基础。
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610.
犐狀狏犻狋狉狅犿狌狋犪狋犻狅狀犻狀犱狌犮狋犻狅狀犫狔犖犪犖3犻狀狉狔犲犵狉犪狊狊狏犪狉犻犲狋狔“犅犾狌犲犎犲犪狏犲狀”犪狀犱犚犃犘犇犪狀犪犾狔狊犻狊犳狅狉犻狋狊狏犪狉犻犪狋犻狅狀
LIJieqin1,WANGLihua1,ZHANQiuwen1,DONGHaifeng1,LIUJingliang2,LIWanxiang2
(1.ColegeofPlantScienceandTechnology,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,
China;2.AnhuiGoldenTuoLakeCrabLimitedCompany,Wuhe233300,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theryegrass(犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿)variety“BlueHeaven”weretreatedbysodiumazide(NaN3).
AfterselectingfromM2generationandidentificationofM3generation,weobtained60mutantswiththemost
significantvariationtraits.Twopaniclemutantswerechosentoidentifybymolecularmarkers.100RAPD
(randomlyamplifiedpolymorphicDNA)randomprimerswereusedtoanalyzecheck(CK)and2paniclemu
tants.Theresultsshowedthat60plantswithstablevariationtraitswereobtainedfrom M2 mutantlines.21
paniclemutantswereobtainedanditwasthemostamongthesemutanttypes.2paniclemutantswerecom
paredwithCK.OnlyonetopspikeonCK,2paniclemutantshavemoretopspikelets.AndmutantsNo.2and
CKhavenotsecondarybranchperpanicle.Therefore,mutantNo.1has5secondarypaniclebraches.45RAPD
primerscanbeamplifiedamongthethreematerials.Inaddition,thethreematerialscanbedifferentiatedby3
RAPDprimers.SothereweredifferencebetweenCKandthe2paniclemutantsonmolecularlevel.
犓犲狔狑狅狉犱狊:ryegrass(犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿);chemicalmutagenesis;mutant;RAPD
182第22卷第1期 草业学报2013年