作者:王方 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/9 11:15:39
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山东省农科院开发小麦多基因多靶点编辑技术

 

小麦是重要的粮食作物,突破性的小麦品种对保障粮食安全至关重要。基因组编辑技术是创制突破性种质资源、加速育种进程的有效手段。但小麦是异源六倍体,基因组复杂,要实现多个基因A、B、D三个基因组上的多靶点同时编辑非常困难。虽然小麦多基因编辑已有报道,但与水稻、玉米等作物相比,仍然存在编辑效率低、突变体纯合慢等问题。

针对上述问题,山东省农业科学院作物研究所小麦分子育种团队,通过载体元件的优化改造,研发了高效的小麦多基因多靶点编辑技术体系,使小麦的单基因三靶点同时编辑效率达到100%,双基因六靶点同时编辑效率达到96%,三基因八靶点同时编辑效率达到37%。

11月4日,该研究成果在线发表于《植物生物技术杂志》。

该研究对小麦基因编辑载体元件进行了系统优化,构建了3个小麦多基因编辑载体系统,分别为基于Pol III 型启动子的TRSP、tRNA和基于Pol II型启动子的核酶系统。设计的3个gRNA分别靶向TaDA1、TaPDS和TaNCED1在A、B和D基因组上的8个位点。利用该课题组高效的农杆菌介导的小麦转基因技术和平台,分别获得了22、26和 27个T0代转基因阳性株系。利用PCR扩增靶位点附近序列,结合NGS测序方式分析了基因编辑类型,发现tRNA和核酶系统的编辑效率显著高于TRSP系统,其中,核酶系统对TaPDS基因的编辑效率在A、B、D三个基因组上均达到100%,并且有22个株系出现白化表型,白化苗数为TRSP、tRNA系统的4.4倍(TRSP、tRNA系统均只有5个白化苗)。进一步分析发现,上述三个编辑系统均可实现三基因八靶点的同时编辑,其中tRNA和核酶系统同时编辑的效率分别为34.62%和37.04%,而TRSP系统仅为18.18%。

为进一步探究基因型和表型的关系,作者对单个株系中野生型和突变型基因的比例进行分析,发现核酶系统同时显著提高了TaDA1和TaPDS突变型的比例,即核酶系统显著降低了单个株系中基因野生型的比例。为量化基因型和表型的关系,作者以TaPDS为例,对绿苗(无表型)、嵌合体和白化苗中突变基因型的比例进行统计,发现只有单个株系中A、B和D基因组上突变型比例平均值高于80.59%才会出现白化表型,低于69.10%为绿色。上述数据说明,核酶系统不仅编辑效率最高,而且它还显著提高单个株系中A、B、D三个基因组上同源基因同时突变的几率,使T0代获得突变表型的几率大大增加,该研究结果对何时进行小麦突变体表型鉴定具有指导意义。

相关论文信息:https://doi.org/10.1111/pbi.13508

 
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