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遺傳發(fā)育所在作物基因組單堿基編輯方法研究中取得進展

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遺傳發(fā)育所在作物基因組單堿基編輯方法研究中取得進展

摘要: 　　單核苷酸點突變是作物許多重要農藝性狀發(fā)生變異的遺傳基礎。單堿基的變異會導致氨基酸替換或蛋白質翻譯終止，使基因功能發(fā)生改變，從而有可能產(chǎn)生優(yōu)良的等位基因與優(yōu)異性狀。傳統(tǒng)誘變及單堿基突變篩選技術（如TI ...

　　單核苷酸點突變是作物許多重要農藝性狀發(fā)生變異的遺傳基礎。單堿基的變異會導致氨基酸替換或蛋白質翻譯終止，使基因功能發(fā)生改變，從而有可能產(chǎn)生優(yōu)良的等位基因與優(yōu)異性狀。傳統(tǒng)誘變及單堿基突變篩選技術（如TILLING）需要進行基因組規(guī)模的篩選，耗時、耗力且鑒定到的點突變數(shù)目和種類有限。基因組編輯技術，特別是基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)的基因組編輯技術，可以在基因組靶向位點處產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂（DSB），以人為提供的外源供體DNA為模板，通過同源重組（HR）介導的DNA修復途徑來實現(xiàn)對目標基因的單堿基突變。然而，植物中同源重組效率目前非常低，很難以此實現(xiàn)高效的、穩(wěn)定的單堿基突變。因此，植物育種和基因功能學習迫切需要新技術來提高基因組單堿基定點突變的效率，以實現(xiàn)基因功能與農藝性狀的定向改良。
　　中國科學院遺傳與發(fā)育生物學學習所高彩霞學習組致力于作物基因組編輯方法的學習和應用。在前期工作基礎上，借鑒哺乳動物單堿基編輯方法，高彩霞學習組利用Cas9變體（nCas9-D10A）融合大鼠胞嘧啶脫氨酶（rAPOBEC1）和尿嘧啶糖基化酶抑制劑（UGI），構成了高效的植物單堿基編輯系統(tǒng)nCas9-PBE，成功地在三大重要農作物（小麥、水稻和玉米）基因組中實現(xiàn)高效、精確的單堿基定點突變。通過在原生質體中對報告基因BFP以及三種作物中五個內源基因七個位點突變結果的詳細分析，發(fā)現(xiàn)nCas9-PBE可實現(xiàn)對靶位點DNA的C至T替換，C堿基脫氨化的窗口覆蓋靶序列的7個核苷酸（距離PAM遠端的第3-9位）；其中單個C的替換效率為0.39-7.07%，多個C的替換效率高達12.48%。通過遺傳轉化，利用該體系獲得了靶標區(qū)域單堿基替換的小麥、水稻和玉米突變植株，突變效率最高可達43.48%。nCas9-PBE技術無需在基因組的靶位點產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂（DSB），也無需供體DNA的參與，具有簡單、廣適、高效的特點。nCas9-PBE單堿基編輯系統(tǒng)成功建立和應用，為高效和大規(guī)模創(chuàng)制單堿基突變體提供了一個可靠方案，為作物遺傳改良和新品種培育提供了重要技術支撐。
　　該學習成果于2016年10月31日投稿，經(jīng)嚴格的同行評議，2017年2月5日被正式接受，2月27日在線發(fā)表于自然-生物技術（Nature Biotechnology）雜志 (doi:10.1038/nbt.3811)。高彩霞學習組的博士生宗媛和王延鵬為該論文的共同第一作者。該學習得到科技部、農業(yè)部、中科院以及國家自然基金委的資助。
遺傳發(fā)育所在作物基因組單堿基編輯方法研究中取得進展  |  責任編輯：蟲子
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