我们建立了一种在Setaria viridis(S. viridis)中进行杂交的方法。该方法包括在进行热水处理以杀死可育花粉之前,对圆锥花序进行修剪。杂交在严格控制的生长条件下进行,通常每个花序可获得1至7粒杂交种子。
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我们建立了一种在Setaria viridis(S. viridis)中进行杂交的方法。该方法包括在进行热水处理以杀死可育花粉之前,对圆锥花序进行修剪。杂交在严格控制的生长条件下进行,通常每个花序可获得1至7粒杂交种子。
Setaria viridis 是一种新兴的 C4 禾本科植物模式体系。它与生物能源作物柳枝稷以及粮食作物谷子密切相关。最近,谷子(S. italica)的 510 Mb 基因组已被测序1,2,其野生近缘种 S. viridis 的 25 倍覆盖度基因组测序也正在进行中。S. viridis 具有多个使其成为理想遗传学模式体系的特征,包括较短的世代周期、植株矮小、生长条件简单、种子产量高3,以及已建立的瞬时和稳定遗传转化体系4。然而,由于缺乏详细的杂交操作方法,S. viridis 的遗传学研究在很大程度上尚未被深入探索。迄今为止,尚未建立一种标准操作流程,以实现通过人工控制杂交快速获得种子。
本文所展示的方案经过优化,适用于S. viridis(编号A10.1)的遗传杂交实验。我们采用剪除花序保留20-30个小花后,用温水进行简单的热处理去雄,并对花朵进行标记,以去除去雄后新发育花朵所产生的种子。在测试了一系列允许温度下的热处理并改变浸水时间后,我们确定了最佳处理条件为48 °C下处理3-6分钟。采用此方法,单个操作人员每天至少可完成15个杂交组合,每个花序平均可获得3-5株异交后代。因此,单人单日平均可获得45-75株异交后代。该技术的广泛应用将有助于构建S. viridis × S. viridis 或 S. viridis × S. italica 的重组自交系群体,通过混合分离群体分析进行突变定位,并创制用于遗传分析的高阶突变体。
S. viridis 是一种NADP-ME亚型C4 与能源作物柳枝稷(NAD-ME亚型)、粮食作物谷子以及农业杂草画眉草亲缘关系较近的禾草 5. 栽培型的510 Mb基因组 Setaria, S. italica 最近已完成测序 1,2 以及其杂草近缘种的25倍覆盖度基因组序列, S. viridis正在进行中(未发表)。 S. viridis 具有多个特征,使其成为一种潜在的优良遗传学模式系统,包括世代周期短、植株矮小、生长需求简单以及种子产量丰富 3重要的是,近年来已开发出用于瞬时和稳定转化的方法 S. viridis 可为创造转基因植物提供机会 4然而,遗传工具开发中的一个主要瓶颈在于 S. viridis 其难以进行异花授粉。迄今为止,尚未发表任何可实现通过人工控制杂交快速获得种子的标准实验方案。
在S. italica中,遗传杂交通常通过去除花药进行去雄6,7,8,或对母本植株的花进行热处理9–11来实现。经过上述处理后,将未经处理的花或父本的花药或圆锥花序轻轻摩擦于柱头上,以释放花粉。在去雄操作中,需在小花开放、花药刚开始伸出但尚未散粉时,立即用精细镊子去除花药6–8。该方法面临的主要挑战之一是,花朵开放与散粉之间的时间窗口非常短暂,难以准确把握去雄时机。S. italica中单朵花的开放和闭合持续时间因材料品系和环境条件而异,可从7分钟6到2.5小时12不等。由于花粉散出发生在花药从小花中伸出的过程中,因此必须快速而小心地去除花药,难以完全避免自花授粉造成的污染。此外,授粉操作需在去雄后立即进行,因此每人每天可完成的杂交数量有限。
作为一种替代方法,可将成熟的圆锥花序浸入温水中以通过加热杀死正在发育的花粉粒9,10,13,14,该方法的优势在于可对大量花序进行杂交操作。然而,热处理的温度和持续时间在不同实验中差异较大(例如,47 °C处理10分钟14,或42 °C处理20分钟10)。此外,目前尚未发表关于热诱导去雄效果的系统性分析研究。因此,建立一种标准化且简便的遗传杂交方法将极大加快S. viridis遗传资源的开发,并推动S. viridis在科研领域内作为模式体系的建立。
我们报道了在S. viridis中进行遗传杂交的标准实验方案的建立与优化。植物在受控环境中生长,以同步花器官发育并提高实验的可重复性。杂交过程中使用一个转基因S. viridis品系作为父本,该品系含有GUS报告基因4,便于鉴定成功的人工遗传杂交事件。该GUS转基因由水稻泛素启动子驱动,可在收获后立即对F1代种子进行检测,从而提供一种简便的定性分析方法,用于评估去雄和授粉的效率。我们采用温水简单热处理进行去雄,并对已去雄的花朵进行标记,以避免去雄后新发育花朵产生的种子造成污染。在测试了一系列允许温度下的热处理条件并改变温水浸泡时间后,我们确定最佳处理条件为48 °C下处理3–6分钟。研究发现,黎明前的低温处理可促进双亲花药开裂的同步化,从而有利于异花授粉。我们还讨论了该实验方案中的关键步骤,以及该方法未来在其他Setaria材料中的应用前景。
1. S. viridis 的培养
2. 去雄前穗状花序的修剪与标记——第1天
3. 温水浸渍去雄法 - 第1天
4. 去雄后的杂交/授粉 - 第2天和第3天
5. 种子收获
在本研究中,我们使用了测序的 S. viridis 以登录号 A10.1 作为母本,以及一个转基因植株 S. viridis 含有GUS报告基因的品系(也称为A10.1) 4 作为所有授粉实验的父本。采用优化的生长条件以同步开花,如图所示。 图1我们测试了多种去雄热处理的温度和时间组合,观察到去雄后的花序上约有40-80%的花朵在第2天开花nd 天,而其余的在第3天开花rd 天(图2)。然而,如果热处理过于剧烈,例如49 °C持续4分钟,则极少或没有花朵在第2天开放nd 天。在第2天进行异花授粉nd 或 3rd 去雄后一天,具体时间取决于父本开花高峰期。
观察发现,去雄后的幼嫩花朵继续发育,成熟后在人工授粉后3-6天内自花授粉。授粉后7-10天,穗上可见白色花朵,这些白色花朵由于高温伤害或授粉不良而未能受精。与此同时,成功授粉的花朵开始结出带有红色斑纹的深色种子,并在授粉后14天左右开始散落。于第14天收获带有红色斑纹的深色种子th 授粉后一天,带有红色标记的种子可明显区别于无红色标记且仍呈绿色、未开裂的种子。若延迟收获,无论是否有红色标记,种子的蒴果均会变暗,导致在收获的种子群体中难以快速区分带有红色标记的种子。
为了优化杂交方案,进行了多项热处理实验,结果总结于表1中。在不同热处理实验中,每穗平均收获种子0–10粒。收获后,种子在30 °C下用种子干燥器干燥2天,随后使用颖壳去除器去除颖壳。去除颖壳后,将推测的F1代种子用GUS染色液染色,异交后代在1–2小时内呈现蓝色染色结果(图2F)。根据这些结果,我们推荐采用48 °C处理3–6分钟的热处理条件。此外,建议在去雄后的第2天和第3天均进行杂交操作。
为了检验该技术在与其他 Setaria 品系或物种进行杂交中的有效性,我们开展了 S. viridis A10.1 与八个不同 S. viridis 品系以及一个 S. pumila 品系之间的杂交实验。尽管不同品系的开花时间存在差异,但我们发现,经过黎明前低温处理后,这八个 S. viridis 品系和一个 S. pumila 品系的花均在上午10:00至11:00之间开始开放,开花高峰时间为上午10:20至11:00。这表明黎明前低温处理可适用于多种 Setaria 品系。所有杂交实验均以 S. viridis A10.1 作为母本,采用48 °C热处理5–6分钟对其进行去雄。在 A10.1 与其中三个不同 S. viridis 品系的杂交中,我们获得了每果1至12粒种子,并在 S. viridis A10.1 与一个 S. pumila 品系的单次杂交中获得了6粒种子。然而,目前尚不能确定这些种子是成功测交的产物,还是自花污染所致。尽管如此,这些初步结果表明,用于 S. viridis A10.1 的生长条件可用于实现与多种 S. viridis 品系乃至其他 Setaria 物种的杂交。
| 热处理温度 (°C) | 热处理时间 (分钟) | 杂交次数 | 修剪后平均花朵数 | 授粉日期(去雄后第几天) | 平均每穗种子数(红色)(均值) | 平均 Gus (+) 种子比例(红色) | 平均杂交种子数(Gus+) | 最少杂交种子数 | 最多杂交种子数 |
| 47 | 10 | 2 | 27 | 第2天 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 48 | 3 | 3 | 36 | 第2天 | 5 | 60 | 3 | 1 | 5 |
| 4 | 3 | 25 | 第3天 | 10 | 50 | 5 | 3 | 7 | |
| 5 | 8 | 25 | 第2天 | 5 | 60 | 3 | 1 | 6 | |
| 6 | 3 | 25 | 第2天 | 4 | 75 | 3 | 0 | 4 | |
| 7 | 4 | 24 | 第2天 | 3 | 33 | 1 | 0 | 4 | |
| 7 | 1 | 25 | 第3天 | 4 | 75 | 3 | N/A | N/A | |
| 49 | 1 | 3 | 23 | 第2天 | 5 | 25 | 1 | 0 | 2 |
| 2 | 7 | 26 | 第2天 | 8 | 25 | 2 | 0 | 4 | |
| 3 | 5 | 22 | 第2天 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 4 | 4 | 25 | 第2天 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表1. 去雄热处理条件的优化 改变热处理温度和时间的结果。授粉在热处理后一天进行(2nd 天)或两天(3rd 去雄后第d天,通过GUS染色鉴定成功的异花授粉

图1. 采用黎明前低温处理的优化生长箱条件。 图中显示了实现最佳生长及花朵同步开放的温度与时间安排。绿色和红色箭头分别表示进行杂交和去雄的最佳时间窗口。

图 2. 用于杂交的穗状花序准备及异交后代的 GUS 染色。 (A) 修剪前的Setaria viridis A10.1 花序,显示约有十分之一的花朵已开放。图中示出花序上开花进程的四个区段及其方向性。(B) 去雄前修剪后的花序,保留刚毛。(C) 去除刚毛后的去雄花序。(D) 去雄后第 2 天的花序,显示正在开放的花朵(照片拍摄于上午 10:30)。(E) 雄性亲本(携带 β-葡萄糖醛酸酶(GUS)报告基因的转基因Setaria viridis A10.1 株系)的花序,在黎明前处理后开花(照片拍摄于上午 10:30)。A 至 E,比例尺 = 1 mm。(F) 异交后代经 GUS 染色 2 小时后,在 70% (v/v) 乙醇中脱色的结果。右侧两粒种子分别为阴性对照和阳性对照。

图3. 实验流程图 执行S. viridis杂交的主要步骤示意图。
黎明前处理的重要性
为了获得较高频率的异花授粉后代,必须使父本和母本的开花期高度同步。最初,我们采用了温度和光照周期(31 °C/22 °C,白天/夜间),并使用S. viridis品系A10.1进行所有授粉操作。在这些条件下,大多数花朵在清晨温度升至31 °C之前开放,但仍有少量花朵在上午8:00至晚上8:00之间随机开放。S. italica的前期研究表明,一天中的时间、地理位置和季节均会影响开花期的变化7,15,16。Siles 等6指出,开花与温度和湿度的快速变化有关,而并非单纯由低温和高湿度引起,这与先前研究的结论不同7,15。因此,我们采用黎明前30分钟的低温处理(15 °C,从上午8:30至9:00),以模拟自然的黎明前环境。该黎明前低温处理有助于亲本开花期的同步化。我们观察到,尽管设定培养箱内的相对湿度为50%,但当温度从22 °C下降至15 °C时,箱内相对湿度上升至70%以上,并持续保持在70%以上,直至上午9:30后温度逐渐回升至31 °C。在上午9:00,将去雄的母本植株和父本植株移入实验室(温度:24.06 °C ± 0.13 °C,相对湿度:21.79% ± 1.15%)。父本花朵约在上午10:10开始开放,授粉操作可在上午10:30至11:00之间进行。所有试剂和设备的详细清单见表2。
穗准备在去雄中的重要性
在本研究的培养室条件下(图1),主穗开花持续时间为2至3天。通常,位于花序远端中部的花朵(图2A)最先开放,随后向近端和远端依次开放。每穗宜保留20至30朵花。去雄时需小心去除未成熟花朵,仅保留发育良好的花朵(即小穗中最顶端或最大的花朵17)。在花朵两侧用红色标记笔做标记,有助于高效区分去雄后新开放花朵产生的种子与可能的异交后代。此外,去雄前应保留穗部的小刚毛,以保护小花免受严重热损伤;但作为可选步骤,也可在去雄后使用弹簧剪刀去除刚毛,以便于授粉操作,尤其是在采用穗部固定技术时(图2C和图2D)。
温水处理的优化温度和处理时间
通过温水浸泡去雄的原理在于,花粉对热的敏感性高于柱头表面。然而,不同狗尾草属(Setaria)物种及品系所需的热处理持续时间和温度可能有所不同。通常情况下,较高温度下短时间处理或较低温度下较长时间处理,对去雄的效果相当。已有报道指出,42 °C 处理 20 分钟10 或 47 °C 处理 10 分钟14 可使粟(S. italica)花粉失去活力,但这些处理方法的效率尚未明确。我们制定本实验方案的依据是:在优化的温度和处理时间条件下,母本植株上所有花朵的花粉均可失活,而柱头仍保持可授性。然而,在比较和分析多个温度及处理时长的影响后(表1),我们发现同一花序上不同花朵对热处理的敏感性存在差异,因此难以完全消除自花授粉所产生的种子。我们得出结论:在绿色狗尾草(S. viridis)品系 A10.1 中,于 48 °C 处理 3–6 分钟时,获得异交后代的效率最高。
开花盛期与异花授粉的时间
当花发育成熟并即将开放时,花药呈黄白色,花药从花中伸出后即迅速散粉8。散粉后,随着花朵开始闭合,花药逐渐变为褐色。花粉一旦释放,其活力尚不明确。因此,关键是要尽快使用雄性亲本中正在开放或刚刚开放花朵的花粉。在我们的培养室条件下(图1),雄性亲本的大部分花朵于上午10:10开始开放,花药在上午10:30散粉。因此,适宜进行授粉操作的时间窗口为上午10:30至11:00之间。花朵闭合后,柱头仍暴露于颖片之外,可能仍具有接受花粉的能力。此前已有研究观察并证实,在S. italica中,Siles等6发现柱头在开花后约48小时内仍具有接受性,因此在热处理后以及完成人工控制杂交后,对圆锥花序进行套袋非常重要。如上所述,我们建议在去雄后的第2天和第3天均进行授粉操作。
授粉方法
我们比较了三种授粉技术的效率。如果开花的花序数量充足,花序对花序授粉是最高效的方法,能够获得更多的异交后代。如果开花的花序数量有限,则采用花药对柱头法可产生更高频率的异交后代。我们已成功利用上述两种方法获得了异交后代。“捆绑花序”法曾被用于S. italica 6的杂交,但我们发现该方法效率最低,原因是父本散粉的时间窗口较短。此外,授粉过程难以控制,且S. viridis花序上的刚毛可能阻碍花粉向柱头表面的转移。
种子的收获、干燥与储存
收获后,种子应在30-33 °C下干燥2天。如有必要,进行GUS染色前应去除外稃。种子短期储存(少于两年)应置于干燥、阴凉处(温度:24.06 °C ± 0.13 °C,相对湿度:21.79% ± 1.15%),长期储存则应置于种子冷藏室(温度:4.0-10 °C ± 1.0 °C,相对湿度:20% ± 1%)。储存条件不佳可能导致种子活力下降8。我们观察到,S. viridis A10.1在收获后第4天播种时发芽率约为5%,但若在实验室条件下(温度:24.06 °C ± 0.13 °C,相对湿度:21.79% ± 1.15%)储存110天,随后进行-80 °C、为期三天的层积处理以打破种子休眠,发芽率可提高至90-96%。对于-80 °C的层积处理,可将干燥种子放入密闭容器(例如 微量离心管或硬币信封装入密封塑料袋)中,在-80 °C下保存3天后再进行播种。在实验室(温度:24.06 °C ± 0.13 °C,相对湿度:21.79% ± 1.15%)储存16个月后,发芽率仍可达到90-95%。此外,为打破休眠,收获后可将种子在30-33 °C下干燥2天,随后进行-80 °C、为期三天的层积处理,并在播种前去除外稃。经过上述处理后,种子发芽率最高可达33%。
优点、局限性及可能的改进方案
本文提供了利用热处理去雄法在S. viridis A10.1中进行杂交的第一个标准操作流程。与物理去雄方法相比,该方法侵入性更小,且在实验室中相对容易建立。通常修剪一个圆锥花序约需15分钟,每人每天可完成约15个花序的修剪与杂交操作。在优化条件下,每个花序平均可获得3-5株异交后代,因此单人单日最多可获得45-75株异交后代。此外,该技术也可应用于其他Setaria物种的杂交,但可能需要进一步优化。若人工气候室空间有限,植株可在温室或未进行黎明前处理的人工气候室内培养,直至圆锥花序抽出,再转移至优化条件的人工气候室中继续培养。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
感谢 Sankalpi Warnasooriya 和 Amy Humboldt 对本文手稿的审阅与编辑。本研究得到了美国能源部(DE-SC0008769)和美国国家科学基金会(IOS-1127017)资助项目的资助。
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