Rice Science发表水稻基因组编辑专辑

2019-02-28 11:37 | 作者: Rice Science | 标签: 水稻基因编辑

近年来,基因编辑的兴起为植物生物学和农作物育种提供了新思路,对推动农业生产做出了重要贡献。近期,Rice Science 发表了水稻基因组编辑专辑,本专辑精选了Rice Science 2019年第2期出版的基因组编辑研究相关论文,介绍了基因编辑系统的改进和优化以及该技术在水稻分子研究和育种中的应用。在该专辑的论文中,研究者通过启动子优化和水稻密码子优化,分别优化了高效的转基因自清除基因编辑系统(TKC)和腺嘌呤碱基编辑系统(ABE-nCas9),提高了基因编辑系统在水稻中的编辑效率。此外,研究者通过基因编辑技术编辑 ISA1 和 OsNAC041 基因,系统研究了目标基因的生物学功能;利用基因编辑技术分别编辑 OsLCT1,OsNramp5,Wx 和 PTGMS 2-1 等目标基因,分别快速获得了低镉、糯稻、两系不育系水稻材料。中国农科院中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室王克剑研究员为该专辑的责任编辑。



本专辑论文介绍

Development and Application of CRISPR/Cas System in Rice
REN Jun, HU Xixun, WANG Kejian, WANG Chun
Rice Science, 2019, 26(2): 69−76
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2019.01.001


CRISPR/Cas基因编辑系统在水稻中的发展及应用

近年来,CRISPR/Cas系统作为一种简单高效的基因组编辑工具,在多种原核生物和真核生物中都被证明可有效进行定点基因编辑。本文主要关注CRISPR/Cas系统在水稻中的发展及应用情况,包括在水稻中应用的各种CRISPR/Cas种类和变体、多基因编辑策略、基因精准插入和替换的方法、单碱基编辑系统的研究、以及特异基因的表达调控等等。本文也讨论了CRISPR/Cas应用的生物安全问题,关于无外源DNA污染基因编辑技术的发展及脱靶率的影响。可见,CRISPR/Cas基因组编辑系统的发展及应用将为水稻生物学的基础研究及水稻育种带来重大革命。

Editing of Rice Isoamylase Gene ISA1 Provides Insights into Its Function in Starch Formation
CHAO Shufen, CAI Yicong, FENG Baobing, JIAO Guiai, SHENG Zhonghua, LUO Ju, TANG Shaoqing, WANG Jianlong, HU Peisong, WEI Xiangjin
Rice Science, 2019, 26(2): 77−87
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.07.001

异淀粉酶基因ISA1 的定向编辑对稻米品质的影响

异淀粉酶ISA1在水稻支链淀粉合成与修饰中起着重要的作用,本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术定点编辑 ISA1,获得T0代纯合突变体,并对表型稳定的T1代纯合突变体进行研究,以其进一步分析ISA1 基因在淀粉合成过程中的作用。与野生型相比,两个突变体cr-isa1-1、 cr-isa1-2籽粒褶皱,粒长增加,糙米粒厚和千粒重显著降低。突变体胚乳中复合淀粉颗粒发育异常,无明显淀粉粒结构。说明ISA1 基因在淀粉合成的起始阶段发挥作用。另外,两个突变体的总淀粉含量分别降低了34.4%和40.0%,直链淀粉含量几乎为0,支链淀粉的含量降低,可溶性糖的含量分别是野生型的4.3倍和4.5倍;两个突变体的胶稠度均显著高于野生型,糊化温度与野生型相比均极显著降低。该研究结果证明ISA1 在支链淀粉与总淀粉的合成及理化性质调控中起着重要的作用。

Characterization and Evaluation of OsLCT1 and OsNramp5 Mutants Generated Through CRISPR/Cas9-Mediated Mutagenesis for Breeding Low Cd Rice
LIU Songmei, JIANG Jie, LIU Yang, MENG Jun, XU Shouling, TAN Yuanyuan, LI Youfa, SHU Qingyao, HUANG Jianzhong
Rice Science, 2019, 26(2): 88−97
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2019.01.002

CRISPR/Cas9介导的低Cd水稻突变体Oslct1 和Osnramp5 的鉴定与评价

为探讨水稻如何能够在镉污染土壤中安全生产,本研究采用CRISPR/Cas9介导的诱变方法,获得了Oslct1 和Osnramp5 突变株。对Oslct1 突变体(lct1×1)和OsNramp5 突变体(nramp5×7和nramp5×9)中的1个和2个进行了籽粒镉积累和农艺性状的评价。在镉含量约为0.9 mg/kg的水田土壤中,lct1×1 籽粒约含有野生型亲本镉浓度的40%(0.17 mg/kg),低于中国食品安全标准(0.20 mg/kg)。两个OsNramp5 突变体在水稻(约0.9 mg/kg cd)或在土壤中添加2 mg/kg cd的盆栽中均表现出较低的籽粒cd积累(< 0.06 mg/kg)。然而,只有nramp5×7 的生长和产量正常,而nramp5×9 的生长严重受损。研究表明,在轻度污染的水稻土壤中,lct1×1可用于生产供人食用的安全稻谷,而在镉含量较高的土壤中,nramp5×7 则可用于生产。

Targeted Mutagenesis of NAC Transcription Factor Gene, OsNAC041, Leading to Salt Sensitivity in Rice
WANG Bo, ZHONG Zhaohui, ZHANG Huanhuan, WANG Xia, LIU Binglin, YANG Lijia, HAN Xiangyan, YU Deshui, ZHENG Xuelian, WANG Chunguo, SONG Wenqin, CHEN Chengbin, ZHANG Yong
Rice Science, 2019, 26(2): 98−108
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.12.005


定向敲除水稻NAC家族转录因子OsNAC041 导致水稻植株对盐产生敏感性

盐胁迫是影响植物生长非常重要的非生物胁迫因素。已发现一些植物转录因子家族基因参与响应盐胁迫反应。在本研究中,我们利用CRISPR/Cas9技术获得osnac041 突变体,敲除后植株高度高于野生型,同时敲除OsNAC041 会影响盐胁迫下种子的萌发并且突变体盐敏感性增加。此外,RNA-seq分析揭示了OsNAC041 的敲除引起了很多基因发生显著的差异表达,这些差异表达基因参与了很多重要的信号通路途径。其中影响了丝裂原活化蛋白激酶、过氧化物酶体、ABC转运蛋白、光合作用、植物激素及应激相关等多种传导信号途径从而导致了突变体的盐敏感。这些发现不仅验证了OsNAC041 功能,同时为水稻抗性分子育种提供了新思路。

Improvements of TKC Technology Accelerate Isolation of Transgene-Free CRISPR/Cas9-Edited Rice Plants
HE Yubing, ZHU Min, WANG Lihao, WU Junhua, WANG Qiaoyan, WANG Rongchen, ZHAO Yunde
Rice Science, 2019, 26(2): 109−117
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.11.001


改进的TKC技术促进获得无转基因的CRISPR/Cas9基因编辑水稻

CRISPR/Cas9转基因的判定是对遗传稳定性评价、表型鉴定和植物商业种值获批的先决条件。然而,通过基因分离和回交去除CRISPR/Cas9转基因是一项费时费力的工作。我们先前报道了自杀基因元件与CRISPR/Cas9基因编辑元件整合成一个连锁的系统,称为TKC(Transgene Killer CRISPR)系统。该系统可以主动和自动消除任何含有转基因DNA片段的植株,但仍能使植物体在转基因DNA片段被去除之前发生靶向基因编辑。本研究改进了之前的TKC系统,分别通过两种新的水稻花粉特异致死表达盒与之前研究验证有效的胚胎致死基因表达盒相结合,有效地实现了在不影响基因编辑效率的基础上达到转基因自清除的目的,丰富了TKC系统中各元件的可选择范围。

Production of Two Elite Glutinous Rice Varieties by Editing Wx Gene

FEI Yunyan, YANG Jie, WANG Fangquan, FAN Fangjun, LI Wenqi, WANG Jun, XU Yang, ZHU Jinyan, ZHONG Weigong
Rice Science, 2019, 26(2): 118−124
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.04.007

运用CRISPR/Cas9技术对水稻两个品种的Wx基因进行编辑

水稻中的蜡质基因(Wx)编码颗粒结合淀粉合成酶,负责直链淀粉的合成。糯米几乎没有直链淀粉,可以用于酿造工艺等各种用途。本研究利用CRISPR/Cas9技术对水稻两个优良粳稻品种淮稻5号(HD5)和苏垦118号(SK118)Wx 基因进行敲除,以期开发出优良糯稻品种。我们获得了6个wx 基因缺失超过200bp的纯合T0植物,以及36个wx-hd5 和18个wx-sk118 的T1代纯合无转基因植株。所有突变体种子均为白色不透明,与糯米种子相似,直链淀粉含量仅为2.6%–3.2%。扫描电镜结果表明,稻米品质无明显变化。综上所述,本研究成功培育出两个优良糯米品种。

CRISPR/Cas9-Mediated Adenine Base Editing in Rice Genome

LI Hao, QIN Ruiying, LIU Xiaoshuang, LIAO Shengxiang, XU Rongfang, YANG Jianbo, WEI Pengcheng
Rice Science, 2019, 26(2): 125−128
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.07.002


CRISPR/Cas9-介导的水稻基因组腺嘌呤碱基编辑

精确的碱基编辑对于植物功能基因组研究以及作物分子育种具有十分重要的意义。本研究通过水稻密码子优化的腺嘌呤碱基编辑器,结合改进的sgRNA,在水稻重要农艺性状基因Wx 和GL2中,实现了A∙T碱基对到G∙C碱基对的精确编辑。

Rapid Creation of New Photoperiod-/Thermo-Sensitive Genic Male-Sterile Rice Materials by CRISPR/Cas9 System

SHEN Lan, DONG Guojun, ZHANG Yu, HU Guocheng, ZHANG Qiang, HU Guanglian, XU Bo, REN Deyong, HU Jiang, ZHU Li, GAO Zhenyu, ZHANG Guangheng, GUO Longbiao, ZENG Dali, QIAN Qian
Rice Science, 2019, 26(2): 129−132
http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.12.006


利用CRISPR/Cas9技术快速创制水稻光温敏不育系育种材料


该研究利用基因编辑技术,选择了具有较好配合力的优良水稻品种9311和华占,构建了pC1300-2X35S::Cas9-sgRNAPTGMS 2-1 敲除光温敏雄性核不育基因PTGMS 2-1 的表达载体,获得了T0代纯合株系。筛选T1代无选择标记的目标株系进行人工气候箱处理实验,发现温度是决定两个品种花粉育性转换的主要因素,而光周期对两个品种育性也有一些影响。综上所述,利用该技术可获得直接应用于育种的水稻光温敏不育系材料。


Rice Science 简介

Rice Science 于1990年创刊,原名Chinese Rice Research Newsletter(CNRRN),主要报道水稻研究简报及简讯。2003年改为学术期刊,主要发表水稻科研领域的原创性论文。2013、2016年Rice Science 连续成功申请了“四部二院”联合实施的“中国科技期刊国际影响力提升计划项目”。根据国际影响力指数(CI值)排名,2012–2015年Rice Science 连续4年均被评为年度“中国国际影响力优秀学术(TOP 10%)期刊”;2016–2018年连续3年均被评为“中国最具国际影响力学术(TOP 5%)期刊”。由于期刊总被引频次与影响因子均明显提升,Rice Science 于2016年7月接到通知,被Web of Science核心合集ESCI数据库收录。2017年11月29日收到通知,被SCI收录,2018年6月获得首个JCR影响因子,即达1.521。今后,Rice Science 期刊将在新的台阶上开启新的征程,不忘初心,砥砺前行,为国内外水稻科技的发展书写更加美好的新篇章。

期刊链接:
www.ricescience.org/EN/volumn/current.shtml
 

来源:BioArt植物

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