Development and characterization of GR2E Golden rice introgression lines
- 作者
- B. P. Mallikarjuna Swamy, Severino Marundan Jr., Mercy Samia, Reynante L. Ordonio, Democrito B. Rebong, Ronalyn Miranda, Anielyn Alibuyog, Anna Theresa Rebong, Ma. Angela Tabii, Roel R. Suralta, Antonio A. Alfonso, Partha Sarathi Biswas, Md. Abdul Kader, Russell F. Reinke, Raul Boncodin, Donald J. MacKenzie
- 杂志
- Scientific Reports（2021）
- DOI
- 10.1038/s41598-021-82001-0
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
通过标记辅助回交将GR2E金大米性状（含β-胡萝卜素合成通路）导入亚洲三个主栽水稻品种IR64、PSBRc82和BR29，培育农艺性状优良、类胡萝卜素表达稳定的导入系，以缓解维生素A缺乏问题。
研究策略
采用标记辅助回交育种（MABC）将GR2E事件（含Zmpys1和crtl基因）从Kaybonnet供体导入三个水稻品种，通过连续回交、背景选择和基因分型获得近等基因系，并在菲律宾和国际水稻所开展多季多点隔离田间试验，评估农艺、品质及类胡萝卜素含量，筛选优良品系。
研究路线图
核心内容
本研究利用标记辅助回交育种策略，将GR2E金大米事件（含Zmpys1和crtl基因）从供体Kaybonnet导入亚洲三个主栽水稻品种IR64、PSBRc82和BR29。经五轮回交和背景选择后，获得背景恢复率超过98%的近等基因导入系，并在菲律宾等多季多点开展隔离田间试验综合评价其农艺、品质与类胡萝卜素含量。结果显示，总类胡萝卜素含量受遗传背景显著影响：BC5F2群体中BR29背景含量最高（3.2–8.0 ppm），IR64最低（3.6–6.2 ppm）；田间试验中BR29导入系在2016年Boro季达10.99 ppm，选定的优良品系旱季为3.8–5.5 ppm、雨季为4.1–6.1 ppm，BR29品系高达12.0–13.8 ppm，可满足维生素A估计平均需求量的30–50%。除少数性状外，导入系在农艺、产量、品质和病虫害反应上与轮回亲本无显著差异，其中BR29一个品系产量较受体高12.8%。这证实GR2E事件可在多个亚洲稻遗传背景中稳定表达且无明显不利影响，为维生素A缺乏地区提供了具商业化潜力的优良品种。
创新点
首次系统报道GR2E事件在多个亚洲水稻遗传背景中的导入和多环境田间评价；揭示遗传背景显著影响类胡萝卜素积累（BR29最高，IR64最低）；鉴定出可供应维生素A需求30-50%的优良导入系；证实GR2E导入对农艺、品质及病虫害抗性无显著不利影响。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa）品种IR64 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Zmpys1, crtl | 八氢番茄红素合酶（phytoene synthase）, 胡萝卜素脱饱和酶（carotene desaturase） | 催化 | 通过MABC将GR2E事件从Kaybonnet导入IR64背景 |
| 水稻（Oryza sativa）品种PSBRc82 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Zmpys1, crtl | 八氢番茄红素合酶（phytoene synthase）, 胡萝卜素脱饱和酶（carotene desaturase） | 催化 | 通过MABC将GR2E事件从Kaybonnet导入PSBRc82背景 |
| 水稻（Oryza sativa）品种BRRI dhan29（BR29） | 类胡萝卜素生物合成途径 | Zmpys1, crtl | 八氢番茄红素合酶（phytoene synthase）, 胡萝卜素脱饱和酶（carotene desaturase） | 催化 | 通过MABC将GR2E事件从Kaybonnet导入BR29背景 |
关键发现
- BC5F2群体总类胡萝卜素含量在IR64背景为3.6-6.2 ppm，PSBRc82背景为3.1-6.4 ppm，BR29背景为3.2-8.0 ppm
- 背景恢复率超过98%
- 田间试验中，GR2E PSBRc82导入系总类胡萝卜素含量为4.1-5.0 ppm，GR2E IR64为3.9-4.4 ppm，GR2E BR29在2016年Boro季达10.99 ppm
- 选定的优良品系总类胡萝卜素在旱季为3.8-5.5 ppm、雨季为4.1-6.1 ppm，BR29品系为12.0-13.8 ppm，可供应维生素A估计平均需求量的30-50%
- BR29导入系中有一个品系产量较BR29高12.8%
- 除少数性状（如粒长、百粒重等）外，导入系与轮回亲本在农艺、产量、品质和病虫害反应上无显著差异
- 类胡萝卜素表达的基因型、季节和地点效应显著，但除一个比较外G×E互作不显著。
研究结论
通过五轮回交成功将GR2E事件导入IR64、PSBRc82和BR29三个水稻品种，获得的导入系农艺性状、产量和品质与轮回亲本基本一致，类胡萝卜素表达稳定且受遗传背景影响（BR29最高，IR64最低）。这些导入系可为维生素A缺乏高危人群提供30-50%的估计平均需求量，具有商业化推广潜力。