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武漢植物園成功對異源六倍體草坪草高羊茅進行基因編輯

  基于CRISPR-Cas系統的基因編輯技術可以精準定向地對植物的基因組進行編輯來獲得目標突變體,已經成為基礎研究和精準育種的重要工具,具有重要的理論研究價值和生產實踐意義。高羊茅(Festuca arundinacea Schreb., 2n = 6x = 42, PPG1G1G2G2)作為一種重要的冷季型草坪草和牧草,已經被全世界廣泛地應用于生產和生活中。然而夏季的極端高溫天氣,極大地影響了高羊茅的草坪質量和應用價值。但由于其自交不親和的異源六倍體的特性和較大的基因組 (6 gigabases),使其在遺傳修飾和改良方面具有巨大的挑戰。因此,能夠同時針對幾個同源基因進行編輯的高效的基因組編輯工具,是解決這一瓶頸問題的關鍵。

  中國科學院武漢植物園草坪草與牧草分子育種學科組在國際植物學期刊Journal of Integrative Plant Biology 上,發表了題為“Simultaneous gene editing of three homoeoalleles in self-incompatible allohexaploid grasses”的研究論文。該研究利用CRISPR/Cas9CRISPR/Cas12a (Cpf1) 系統獲得了高羊茅基因的三個同源等位基因的穩定轉化突變體,成功地實現了對異源六倍體高羊茅的基因編輯。這一工作開啟了利用基因編輯工具進行草坪草分子育種序幕。 

  該研究發現CRISPR/Cas9的兩個sgRNA(sgRNA1sgRNA2)對于FaPDS基因的編輯效率分別為83.9%73.1%;而LbCas12a對于FaPDS基因的編輯效率13.6%-61.5%,比Cas9系統略低。因此選擇Cas9系統對高羊茅的小分子熱激蛋白FaHSP17.9進行基因編輯,獲得了fahsp17.9-3fahsp17.9-7兩個關于高羊茅三個同源等位基因移碼的突變體。通過熱脅迫處理發現,小分子熱激蛋白突變體fahsp17.9-3fahsp17.9-7與野生型相比表現出明顯的不耐熱表型,草坪質量、光合Fv/Fm和葉綠素水平也顯著低于野生型。葉綠素a熒光(OJIP)分析表明,在熱脅迫下,突變體的J-I-P步驟比野生型受到更嚴重的影響,這表明在脅迫下突變體的PSII活性受到了更嚴重的破壞。fahsp17.9溫敏突變體可作為鑒定高羊茅耐熱性表型的參考材料,也可與其他高羊茅種質雜交,進一步加快了高羊茅耐熱性新種質的選育進程。 

  武漢植物園草坪草與牧草分子育種學科組的胡濤副研究員,陳良研究員以及上海逆境中心的趙楊研究員為本論文的通訊作者。武漢植物園博士生張亮和聯培生王濤為該論文的共同第一作者。該論文得到了國家自然科學基金和山東省重大科技專項的資助。 

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/jipb.13101 

1. 利用CRISPR/Cas9CRISPR/Cas12a (Cpf1) 系統成功對高羊茅FaPDS基因3個拷貝進行編輯 

2. CRISPR/Cas9編輯的fahsp17.9突變體呈現對高溫敏感表型,高羊茅基因編輯育種模型

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