張鵬研究組首次在甘薯中利用CRISPR/Cas9基因編輯技術改良淀粉的品質

  2019年9月23日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心張鵬研究組在International Journal of Molecular Sciences雜志上在線發表了題為“CRISPR/Cas9-Based Mutagenesis of Starch Biosynthetic Genes in Sweet Potato (Ipomoea batatas) for the Improvement of Starch Quality”的研究論文。該研究首次利用CRISPR-Cas9技術在六倍體甘薯中實現了定點編輯,獲得了高直鏈和蠟質淀粉,為食品加工及工業應用提供新型原材料, 也為今后甘薯的育種提供了新的思路和技術。

  CRISPR/Cas9介導的基因組編輯是分子育種的革命性技術,已經成功對小麥、稻米、番茄、馬鈴薯等多種農作物進行了品質改良。然而,由于甘薯基因組龐大(2n = 6x = 90)、遺傳背景復雜(六倍體)、自交不親和、遺傳轉化困難等特性,使得甘薯基礎研究嚴重滯后,新品種培育和品質改良十分困難。

  在本研究中,該團隊選取了兩個甘薯主栽品種:淀粉型品種“徐薯22”和富含類胡蘿卜素的品種“泰中6號”,針對淀粉生物合成途徑基因IbGBSSI和IbSBEII分別設計了兩個sgRNA靶點,對應構建了單個和雙個sgRNA靶點的CRISPR / Cas9載體轉化甘薯。對轉基因株系的分析表明,CRISPR / Cas9系統在甘薯基因組中達到良好的基因編輯效果,突變率達到了63%以上。結合測序結果,能精確地分析目標基因中的突變位點(圖a)。為驗證目標基因編輯后的效果,對淀粉理化性質進行了檢測,發現雖然被編輯的植株總淀粉含量不變,但直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量及鏈長發生了顯著的變化(圖b, c)。甘薯自交不親合,因此在本研究中轉化2個甘薯的不同品種,后續可以通過雜交分離來剔除T-DNA,篩選不含有轉基因成分的品質改良新品種(系),實現分子育種與傳統育種的有機整合,加速育種進程。本項目首次實現CRISPR/Cas9編輯甘薯淀粉合成基因改良了淀粉的品質,為今后甘薯分子育種及多倍體作物基因編輯提供了新方向。

  中國科學院分子植物科學卓越創新中心王紅霞博士和碩士生吳銀亮為本研究論文的共同第一作者,博士生張延娣、辰山植物科學研究中心范維娟博士、楊俊博士等參與了該項研究工作。中國科學院分子植物科學卓越創新中心張鵬研究員和肯塔基大學袁凌教授為共同通訊作者。特別致謝中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組給予的幫助。該研究得到國家研發專項和國家自然科學基金等項目的資助。

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