介绍

有机玉米是一个迅速扩大的市场,增加124%的土地面积用于生产有机谷物从2008年到2019年。尽管这种增长,有机玉米仍然占不到1%的土地面积种植玉米1。生产的有机玉米在美国玉米带是由需要维护复杂的遗传纯度的作物。为了生产粮食,花粉产生的雄性花(穗)必须在雌花土地(丝绸)和卵细胞受精细胞玉米棒。可行的花粉可以旅行公里气流2。如果从基因改良农田花粉受精植物有机玉米田,转基因生物会造成污染。美国农业部国家有机标准(7 CFR 205部分)在有机产品禁止转基因生物的存在。此外,许多出口市场需要非转基因玉米。相比之下,在2020年,92%的美国玉米含有转基因3。

有机玉米生产者应用减小转基因污染的几种管理策略,包括延迟种植和隔离从转基因玉米的物理距离,但这些做法是不方便,效率低下,并可能代价高昂。基因污染减少不必要的花粉已经提出的解决方案4,5基于特征称为配子体不相容。配子体不相容是授予在玉米遗传位点Ga1(配子体因素1)6的等位基因Ga1轨迹叫做Ga1-s可以有效地防止授粉的植物ga1 / ga1基因型。相互交叉,ga1 / ga1植物作为女性和Ga1-s / Ga1-s植物雄性成功,自花受粉的基因型。因此,植物的Ga1-s / Ga1-s基因型谷物制造通常由自花受粉或与邻近的授粉Ga1-s / Ga1-s植物,但授粉ga1 / ga1大大减少在一个工厂附近的字段Ga1-s / Ga1-s字段。绝大多数的凹痕的玉米品种ga1 / ga1基因型。没有转基因品种携带的报告Ga1-s等位基因或Ga1-m等位基因,Ga1-s可以授粉Ga1-s玉米。的Ga1-s等位基因爆米花行业长期以来一直用于防止不必要的影响玉米授粉的严重降低爆米花质量7。这种特质在爆米花行业被称为“削弱不育”。Hoegemeyer8提出了使用Ga1系统维护有机玉米的遗传纯度通过防止不必要的转基因玉米授粉。公共9,10和私人育种者已经转移Ga1-s等位基因从爆米花削弱玉米品种为了发展有机玉米生产的改进遗传纯度。

杂交玉米的Ga1-s / Ga1-s基因型创建一个监管挑战关于遗传纯度要求测试,因为目前的规定是建立在假定包含的爆米花Ga1-s等位基因,或所有其他类的玉米认为不携带它。例如,非转基因项目是市场领先组织关注标签非转基因产品。目前包括“玉米(爆米花除外)”在他们的高风险名单,具体扣除爆米花11,尽管爆米花和削弱玉米是相同的物种和转基因污染的遗传风险的差异建立了授予的Ga1轨迹。影响玉米品种包含Ga1-s等位基因仍然分配到高风险部分因为没有数据可用列表比较的能力ga1影响玉米,爆米花,Ga1-s影响玉米排除不良的花粉。风险分类的差异引发了不同的管理方法之间的成本差异很大爆米花玉米和其他产品。

的程度Ga1-s玉米行可以排除不必要的花粉是复杂的遗传背景和接合性Ga1-s轨迹9。此外,QTL遗传修饰符已被证明影响花粉排斥在爆米花12。人员检查Supergold代表,琥珀色的珍珠和南美爆米花其组基因位点的存在改变的能力Ga1-s排除ga1 / ga1花粉。这些位点被称为“修饰基因”修改的表型的能力Ga1-s轨迹。在面板的311行,花粉排除的范围是0 - 100%,例示了广泛的遗传背景影响。

这项工作的目的是定量评估和比较花粉排斥授予的纯合的程度Ga1 -s等位基因爆米花和削弱杂交玉米。花粉的程度比较排斥将有助于理解调控花粉排斥的Ga1系统,将为建立一个监管框架提供急需的信息影响玉米带Ga1-s等位基因。

材料和方法

玉米行和实验设计

六个黄色爆米花线(Ga1-s/Ga1-s),6个黄色PuraMaize®(Ga1-s/Ga1-s)混合动力车从商业来源获得。此外,四个黄色ga1/ga1实验影响杂交玉米被用作non-excluding控制混合动力车在这项研究。通过这种方式,三个遗传类代表:爆米花,PuraMaize和削弱玉米。混合动力车是用于美国玉米带,能很好地适应实验生长条件。此外,一个黄色的纯合子Ga1-s行W22 (MGSC 401 d)和黄色ga1 / ga1公共自交系B73 Mo17 Oh43被用于各种控制授粉。一个内部人口ga1 / ga1玉米生产蓝色内核被用作粮食颜色的标志ga1 / ga1基因型。这项工作不涉及收集野生植物或种子标本和符合世界自然保护联盟政策声明涉及物种灭绝的风险研究和濒危物种贸易公约的野生动植物。

16Ga1-s混合动力车代表三个基因类种植在随机完全区组设计每年有两个复制了两年,2019年和2020年。个人实验单位单行间距为0.76米,5.3米长,包含大约25植物。的Ga1-s / Ga1-s传粉者,ga1 / ga1蓝色玉米和控制线路(ga1 / ga1)被种植在附近的情节。所有的情节都根据推荐管理实践影响玉米生产在该地区。

的分子特征Ga1轨迹的Ga1-s混合动力车

基因分型和实验材料ZmPme3基因测序以确定一样的存在Ga1-s等位基因。基因组DNA提取,引物PME_A PME_C13用于PCR扩增吗ZmPme3基因和DNA样本发送到爱荷华州立大学设施Sanger测序的两个方向。这些放大1322基地的1693基础编码序列包括基因内区。

测量的花粉排斥成绩

测量的花粉排斥分数是基于混合动力汽车排除的能力在成功授粉花粉产生紫色的内核。这个花粉可以被认为是一个代理不必要的花粉污染的优势,紫色的内核,很容易发现和统计。我们将花粉产生蓝色或黄色粮食为蓝色或黄色花粉、分别,即使所有花粉是黄色的。三种类型的授粉花粉进行了量化排除(表1;补充图。1)。首先,花粉收集从4到6蓝色花粉供体植物、混合和测试Ga1-s控制,ga1控制和实验线。这些蓝其中授粉证实我们的蓝色的花粉是可行的和生产蓝色内核在每个实验线路和控制研究中使用。完全排斥往往是在个人的耳朵Ga1-s/Ga1-s线,但却很少在“蓝其中”完成整个复制授粉。创建一些内核的颜色与“蓝其中授粉告诉我们,所有的混合动力车在这项研究支持蓝色内核的发展。这种控制是很重要的,因为一些混合动力车不支持发展的蓝色与蓝色授粉时花粉。“蓝其中”授粉后,Ga1-s植物花粉2 - 3被添加到剩下的蓝色花粉来创建一个混合蓝色和黄色花粉、控制授粉和实验授粉与这些“蓝色+ Ga1-s”进行混合。目标是有两个“蓝其中”混合和至少三个不同的“蓝色+ Ga1-s”混合用在每一个实验计划,和三个控制与每个混合花粉授粉。混合标记“混合”通过“混合”我补充表1以便所有的耳朵从同一混合授粉可以被跟踪。蓝色的控制授粉允许验证:黄色比在每个“蓝色+ Ga1-s”花粉混合。我们的目标蓝色:黄色比例9:1是因为过多的蓝色花粉将允许更多的敏感性检测少量的花粉污染比可能1:1比例混合。我们控制授粉表明,花粉组合之间的比率都是9:1,9.5:1(数据未显示),所以我们没有正确处理实验时花粉混合比率的差异蓝色+ Ga1-s混合数据。小心指出允许“蓝其中“混合匹配相应的“蓝色+ Ga1-s”混合。阴谋在这种方式中,每个实验测试与花粉授粉五到十的耳朵测量程度的花粉排斥与每个组合的质量证实了控制授粉。

表1三种类型的授粉表现在这项研究。
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因为蓝色内核颜色的变化发展,有时很难区分黄色和蓝色内核。克服问题,获得精确的蓝色和黄色的内核数量从每个耳朵,我们给每只耳朵一个评级与“蓝色+ Ga1-s”花粉授粉组合比例的基础上蓝色的内核。评级5 0 - 10%的蓝色的内核,评级4有10 - 25%的蓝色的内核,评级3有25 - 50%的蓝色的内核,评级2 50 - 75%的蓝色的内核和1有75% - -100%的评级蓝色的内核。评级系统,更高的评级表明玉米行排除外国(非Ga1-s)花粉。每只耳朵被评为个人和评级洗耳恭听的情节由蓝色+ Ga1-s授粉前平均统计分析。耳朵由控制授粉处理以同样的方式(补充表1)。

统计方法

因为我们的原始数据是分为分数从1到5,这些数据违反连续数据的假设,然而,平均在5 - 10次级样本取自每个情节导致连续数据相似的数据。模型的符合质量由残差的分布(补充图。2)表明,这违反了对统计分析的有效性的影响最小。

实验分析了拟合均值花粉排斥评级为每个情节作为响应变量的线性模型:

$ ${\文本{Y}} _{{{文本\ {ijk}}}} = \ \μ+{\文本{一}}_{{\文本{我}}}+{\文本{类}}_{{\文本{j}}} +左文本{基因型}}{\ \[{{\文本{类}}}\右]_{{{文本\ {ijk}}}} + \离开({{\文本{一}}{\ *}{\文本{类}}}\右)_{{{文本\ {ij}}}} + \ varepsilon_{{{文本\ {ijk}}}} $ $

Y测量响应变量在每个情节,即。的意思是次级样本的每一个情节。µexperiment-wide意味着花粉排斥评级。一年我是第i年的影响(i = 2019年或2020年)。类j的效果是j类(j =削弱,流行或PuraMaize)。基因型(类)jk是k基因型的影响嵌套在j类。(年×类)ij的相互影响是i, j类。

效果都是建模为固定效应。该模型符合使用标准的最小二乘法。影响的意义是由一群野生的比例每个效果的意思是广场的平均平方误差项。

该模型解释了93%的方差的实验。包含五分之一的效果,我们还测试了一个模型之间的相互作用,基因型在类(年x类(基因型)ijk),这个模型解释了稍微的方差(95%)。然而,这种效应不显著,所以我们用了四个效应模型分析。这个模型的残差满足正态分布(补充图。2)。

结果

描述的Ga1-s等位基因

所有的爆米花和Ga1-s影响杂交玉米研究中使用已知花粉不包括表型,但花粉排除等位基因出现在这些杂交分子特征。我们PCR扩增ZmPme3基因的一部分Ga1-s等位基因13,14从这些混合动力车,确认他们都包含一个Ga1-s等位基因。然后我们放大基因测序以确定所述的任何混合动力车等位基因的不同版本。所有人的DNA序列Ga1-s线在等位基因发表的这项研究是一样的,这是第一个特点白云爆米花。这个观察很重要,因为它表明,观察到的变化程度的花粉排斥不是由于序列的变化ZmPme3基因。

花粉排斥评价

为了了解花粉排斥在混合动力车使用的变化在这项研究中,我们测试了每个源的意义的变化引入的实验设计(表2)。今年效果是显著的,虽然它很小,只有1.9%的总方差解释。重要的是要理解环境影响花粉排除,因为他们可能会影响花粉排除系统的有效性在商业生产。只有两年的时间在这项研究中,这种效果需要更加彻底的检查。

表2方差分析的花粉排斥评级。
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大多数的方差(81.7%)被类的效果(表解释2)。中观察到的变化影响,爆米花或PuraMaize类不太可能是由于机会。这是预期的,因为影响花粉类不包含一个排斥机制而爆米花和PuraMaize类。更大的兴趣是比较排斥花粉的平均值三个类(图。1)。这三个类是明显不同的,爆米花有最高程度的玉米花粉排斥PuraMaize和削弱紧随其后。的Ga1- s等位基因授予保护削弱和爆米花,但在不同程度。

图1
图1

玉米花粉排斥率三个类。类标签具有不同字母统计不同p > 0.05。

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基因型(类)效果显著(表2),表明不同的基因型在每个类中不可能是因为机会(表3)。所有的混合动力车包含Ga1-s没有它高于所有的混合动力车。然而,在混合动力车包含Ga1-s混合动力汽车中有重叠的排斥能力爆米花和PuraMaize类。这表明,它有可能开发出PuraMaize混合动力车,排除花粉以及一些爆米花混合动力车。这个结果也表明,它应该有可能使用这种方法测量花粉排斥的程度选择实验改善品质。

表3花粉排斥评级的6爆米花,6 PuraMaize和4削弱杂交玉米。
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讨论

因为没有检测到的序列差异Ga1-s等位基因的影响和爆米花的品种,最可能的解释观察到的差异,花粉排除修饰基因的存在,增加或减少花粉排斥的有效性。这个观察是一致的赫斯特et al ., 2019人映射位点控制花粉排斥的程度爆米花。重大变化之一Ga1-s影响杂交玉米(表3)表明,可能有修饰位点在削弱玉米。这将是一个有趣的发现因为削弱玉米是缺席的Ga1-s等位基因至少在最近几年。另一种假说是,修饰符出现在Ga1-s爆米花是失去了在回交导致之间的显著差异Ga1-s影响杂交玉米。这些修饰词的识别应有助于理解这个轨迹的进化和机制。虽然我们没有发现显著的环境效应,一些个人线的变化仍有可能归因于实验不同,我们没有控制,所以复制和测试在多个环境中是很重要的。

定量测定花粉的排斥是极其困难的,和我们的方法许多控制与测量占潜在的问题。我们使用花粉产生蓝色内核代表花粉污染将被排除在外的花粉排除系统。然而,基因位点等C1-I已知干扰的发展从内核花青素色素(蓝色了15)。我们确认每个混合研究能力发展中蓝色的内核,所以大概C1-I等位基因不影响我们的花粉排除测试。偶尔我们观察到的一条线,不包括基于蓝其中的授粉(即。,ears produced only a few blue kernels), but produced substantial number of blue kernels from a pollination with a ‘Blue and Ga1’ mix. Our hypothesis is that when pollinating with a large amount of pollen containing bothGa1-s和ga1同时,花粉Ga1-s花粉可以克服花粉排除障碍,允许更丰富ga1花粉成功受精的鸡蛋。时的混合物Ga1-s和ga1授粉花粉可以出现在生产领域,在生产领域出现的一个星期,而不是在同一时间,在我们的实验系统。因此,不太可能Ga1-s花粉和多个ga1花粉粒将土地在同一时间在同一丝绸,让多余的ga1花粉受精卵子。出于这个原因,很可能我们的实验措施的花粉排斥低于花粉排斥率,观察在生产领域。

尽管爆米花和削弱玉米有显著不同的花粉排斥率,都意味着> 4表明> 75%的内核是黄色的授粉严重污染的喜爱蓝色内核(> 90%的内核是蓝色控制授粉,没有花粉排除系统)。在实际现场条件,不必要的花粉从其他领域可能会比理想更丰富的花粉产生在同一领域,又使我们的实验系统更严格的评估的花粉污染相比,生产系统。风险分析可能有助于识别花粉排斥的程度可接受阈值触发监管操作所必需的。

结论

使用一个高度敏感的检测花粉污染的现场测试,我们了解到,爆米花和PuraMaize混合动力车排除不必要的花粉明显比ga1控制混合动力车我们测试,证明证据的有效性Ga1-s等位基因在调节交叉兼容性和暗示Ga1-s等位基因具有良好的潜力减少不必要的授粉爆米花或降低玉米生产领域。爆米花和PuraMaize没有同样有效地排除不必要的花粉,然而。基因型间存在显著的变化在每个类和平均,爆米花类在扣除花粉明显优于PuraMaize类。虽然意义重大,类之间的大小差异是很小的。应该注意的是,一些PuraMaize品种比爆米花品种。这些数据表明,的存在ZmPme3就不能保证真正的花粉排斥Ga1-s行,因此将削弱玉米品种Ga1-s需要仔细测试排除花粉的能力。直到修饰符识别的遗传标记,这可以通过确认完全排斥了ga1行。进一步,它将有助于发展一个阈值水平的有效性可以应用一致的花粉排斥爆米花和削弱玉米品种在决定水平的遗传纯度测试所需产品的玉米带Ga1-s等位基因。