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高彩霞研究組利用基因組編輯精細調控草莓糖分含量

  无性繁殖植物在农业生产中具有重要的地位,但是长期无性繁殖导致性状多样性的严重匮乏极大的阻碍了无性繁殖作物的育种发展。在育种设计中,对数量性状的精细调控可以避免产生剧烈的性状变化,并且可以极大的丰富性状多样性,对推进精准育种有重要意义。基因组编辑技术通过对调控元件的遗传操作可以实现对数量性状的改良。对于无性繁殖的植物,纯合和杂合基因型都可以通过无性繁殖稳定遗传,可以获得更多可稳定遗传的基因型,进一步丰富性状多样性,对数量性状实现更加精细的调控。中國科學院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组发现对基因上游转录起始位点(uORF)進行編輯可以顯著提高基因翻譯效率,建立了基因組編輯調控植物內源基因翻譯效率技術體系(Nature Biotechnology2018; Nature Protocols2020)。利用這一技術,最近高彩霞研究組在無性繁殖作物草莓中實現了對數量性狀的精細調控並獲得了多種不同糖分含量的草莓。 

 

  研究人員首先建立了高效的草莓胞嘧啶單堿基編輯技術體系,利用本實驗室開發的植物高效胞嘧啶堿基編輯器(A3A-PBENature Biotechnology2018)首次在草莓中實現堿基編輯,轉基因草莓植物中堿基編輯效率高達100%A3A-PBE具有效率高和編輯窗口寬的特點,在草莓中,其編輯窗口寬度達到15bp。研究人員利用A3A-PBE對草莓FvebZIPs1.1基因的保守的uORF進行編輯,在T0代獲得7種不同的新uORF突變。七種新uORF突變的純合突變體中果實糖含量出現了不同程度的提高,而且植物生長未受影響。爲了進一步豐富基因型和性狀多樣性,研究人員對T0代突變體進行了自交和雜交,組合不同的等位基因並分離轉基因成分。T1代共計獲得了35种不同基因型的草莓,而且这些草莓均无外源基因。不同基因型對草莓果实糖含量产生了不同程度的影响,极大的丰富了性状多样性,实现了对数量性状的精细调控。尤为重要的是,所有的新基因型和性状都可以通过无性繁殖稳定传递给后代。 

 

  該工作爲無性繁殖作物提供了新的育種策略。這一研究成果于202093日在Genome Biology雜志發表(DOI:10.1186/s13059-020-02146-5)。高彩霞研究组博士后邢思年和副研究员陈坤玲为该论文的共同第一作者,高彩霞研究员为该论文通讯作者。相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中國科學院等基金资助。 

    

圖:精細調控草莓糖分含量。(abZIP基因轉錄後調控機制及編輯uORF調控糖含量示意圖。(b)基因組編輯編輯産生的七種類型的uORF突變。(c)野生型與七種純合突變體中糖含量。(d)通過有性繁殖豐富基因型並通過無性繁殖固定基因型示意圖。(e)野生型與35種不同基因型突變體中糖含量。