应用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得高直链淀粉水稻种质

【目的】通过CRISPR/Cas9基因编辑技术遗传改良水稻种质,创制高直链淀粉新材料。【方法】以水稻品种中花11为试验材料,利用CRISPR/Cas9编辑系统对水稻淀粉分支酶（Starch branching enzymes, SBE）基因OsSBE3进行靶向编辑,利用PCR技术鉴定无标记纯合突变体,并测定其淀粉含量。【结果】T0代获得10株突变体株系,T1代获得5个无标记纯合突变株系,其中4个株系（sbe3-22-6、sbe3-25-3、sbe3-25-4、sbe3-25-6）的直链淀粉含量和淀粉直支比显著高于野生型。【结论】本研究创制了高直链淀粉含量的水稻新种质,为水稻品质改良提供了参考。     

利用CRISPR∕Cas9技术编辑水稻丙酮酸磷酸双激酶基因PPDK

采用CRISPR∕Cas9技术,以水稻丙酮酸磷酸双激酶基因PPDK为靶基因,构建载体,用农杆菌介导的方法转化粳稻品种‘嘉花1号’,获得1个碱基A缺失的编辑突变植株ppdk3。该突变体米粒的胚乳为白色粉质,其淀粉颗粒变小,结构松散,I-KI染色溶液颜色明显比野生型浅,直链淀粉含量下降约5%,抗性淀粉含量略有增加。与野生型相比,该突变体的千粒重和单株穗数下降明显,水稻淀粉合成相关基因的转录表达水平也有大幅下降。试验表明:利用CRISPR∕Cas9技术可以有效地对水稻淀粉合成相关基因进行编辑,为稻米品质改良提供材料。     

利用Wx基因分子标记辅助选择技术培育中等直链淀粉含量的恢复系

为培育中等直链淀粉含量的水稻恢复系,以HC086为供体亲本(其Wx基因来自美国水稻品种Francis),以优良的水稻恢复系R898、R476、R838、R6547为受体亲本,利用PCR-Accl分子标记检测技术在回交世代进行辅助选择,将供体材料控制直链淀粉的Wx基因导入到不同恢复系中.对后代株系的基因型及其直链淀粉含量的分析结果表明,直链淀粉含量普遍有了显著提高,受体亲本的直链淀粉含量由10.6%～14.4%提高到了18.0%～21.4%.改良株系与广占63S和Y58S的配组实验表明,F1代杂交种的直链淀粉含量较原组合有显著提高,并达到适中直链淀粉含量水平,且主要农艺性状没有发生显著改变.说明分子标记辅助选择是改良水稻品种直链淀粉含量的快速有效的方法.     

通过CRISPR/Cas9技术靶向编辑SSSⅡb基因改良稻米品质

[目的]本文旨在利用基因编辑技术,降低水稻直链淀粉含量,改善稻米食味品质特性,以培育直链淀粉含量降低的优质育种材料.[方法]利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,下调水稻品种'宁粳4号'淀粉合成基因(SSSⅡb)的表达,对转基因家系进行目标基因的分子鉴定和主要农艺性状、生理生化指标的测定,选出目标育种材料.[结果]对...     

利用Wx基因功能性标记选育中等直链淀粉含量优质水稻保持系

利用Wx基因功能性标记484/485"对国内13份籼型保持系进行多态性鉴定和筛选.结果显示:检测出的Wx基因型与本品种直链淀粉含量(AC)有良好的对应关系;利用484/485"标记对Ⅱ-32B/宜香1B"配组后代(F1～F3代)进行PCR鉴定的结果表明,484/485"标记与稻米直链淀粉含量是紧密连锁、共分离的,经F2代分子辅助选择,F3代株系的484/485"Ⅰ型系比例高达93.5%,在F3代获得较多484/485"Ⅰ型株系的基础上,结合株型、粒型、垩白度、透明度、糊化温度等多项指标的田间和室内选择,于F6代获得了114份484/485"为Ⅰ型,且株型良好、粒型细长、低垩白、高透明度、低糊化温度的优质株系,其中,有92.1%入选系的直链淀粉含量在15%～20%之间;进一步测交鉴定还表明,这批入选优质株系有74.5%为保持系.说明利用484/485"标记辅助选择、高效改良或选育中等直链淀粉含量的优质保持系(或不育系)是可行的.     

香蕉CRISPR/Cas9基因编辑技术体系的建立

【目的】建立香蕉CRISPR/Cas9基因编辑技术体系,为在香蕉上利用CRISPR/CAS9技术开展香蕉基因功能研究和香蕉育种工作开辟新的路径。【方法】根据香蕉A基因组八氢番茄红素脱氢酶(phytoene dehydrogenase,PDS)基因组序列,利用在线工具ZiFiT Targeter Version 4.2确定合适的CRISPR/Cas9靶标序列,选择其中一个位点作为靶标位点,设计包含靶标基因MaPDS序列的sgRNA。利用一套改良的CRISPR/Cas9多靶点载体系统,以pYLg RNA-Lac Z-U6a质粒为模版,Overlapping PCR法构建U6a-sgRNA表达盒,再利用Golden Gate Cloning法将U6a-sgRNA表达盒克隆到pYLCRISPR/Cas9载体中,构建以MaPDS为靶标基因的pYLCRISPR/Cas9-sgRNA载体。构建的质粒含Cas9p和sgRNA表达盒,其中Cas9p由P_(Ubi)启动子驱动,sgRNA由水稻来源的RNA启动子U6a驱动。将构建好的载体转入农杆菌EHA105,转化香蕉主栽品种巴西蕉胚性细胞悬浮系,获得抗性再生植株。设计PCR引物扩增包含靶标序列的MaPDS序列片段,检测和分析再生植株MaPDS被编辑的情况。【结果】试验选择MaPDS作为CRISPR/Cas9靶标基因,设计一个靶标位点,利用Overlapping PCR法获得了U6a-sgRNA表达盒,利用Golden Gate Cloning法将其克隆到pYLCRISPR/Cas9的Bsa I位点,成功构建了针对MaPDS的pYLCRISPR/Cas9-sgRNA载体。经过农杆菌浸染、抗性筛选、抗性胚诱导、萌发及生根,最终获得抗性独立转化株系129个。其中,71个株系出现白化表型,产生白化表型的几率达55%。失绿突变体的出现意味着MaPDS蛋白功能丧失。随机取转化株系中的白化表型株系33个和正常表型株系14个,提取其叶片基因组DNA,扩增含有MaPDS的靶位点片段,序列分析结果表明,白化表型株系的MaPDS靶位点序列发生了基因编辑。主要是在靶位点附近增加1个碱基T或A,或是在靶位点附近或下游发生碱基颠换或转换,出现非靶标位点突变。这些突变形式均能导致MaPDS蛋白翻译错误,从而使MaPDS蛋白丧失功能,表现为白化。转化株系中表型正常植株的MaPDS靶位点序列与野生型一致,未检测到变异。【结论】成功在香蕉体内实现了对内源MaPDS的定点敲除,获得了基因定点敲除的突变体株系,为进一步利用基因编辑技术在香蕉上的应用奠定了基础。     

利用PEI-SWNT介导的瞬时转化检测青花菜基因编辑效率

CRISPR/Cas9基因编辑系统是作物分子设计育种的重要手段,sgRNA设计对于提高基因编辑效率具有重要作用.为了提高sgRNA设计的准确度,构建了聚乙烯亚胺修饰的单壁碳纳米管(PEI-SWNT)介导的瞬时转化体系,并用于检测青花菜CRISPR/Cas9基因编辑效率.结果表明,CRISPR/Cas9编辑体系可以诱导青花菜特定基因位点发生突变,编辑效率为8.3％.研究结果为利用CRISPR/Cas9基因编辑系统创制青花菜新种质提供了基础.     

CRISPR/Cas9技术及其在水稻和小麦遗传改良中的应用综述

CRISPR/Cas9技术是新发展的定向基因编辑技术,CRISPR/Cas9技术是在细菌和古细菌中发现的1种抵御外来病毒及质粒入侵的获得性免疫系统。CRISPR/Cas9技术由sgRNA(单向导RNA)介导,与Cas9核酸酶切割实现作物定点编辑改良。本文主要对CRISPR/Cas9技术的工作原理、系统分类、结构、系统构建方法进行了系统介绍。同时,总结了CRISPR/Cas9技术在水稻和小麦的突变体库的建立和基因功能研究、品质和农艺性状遗传改良等方面的研究。并对CRISPR/Cas9技术对作物进行定向编辑改良进行了展望,以期为利用CRISPR/Cas9技术创制新品种、作物品种改良提供参考。     

利用CRISPR/Cas9技术编辑水稻香味基因Badh2

【目的】稻米香味是水稻品质改良的一个重要内容,其性状主要受1个隐性基因Badh2的控制。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将常规品种中的Badh2进行编辑,从而获得Badh2发生突变的基因编辑株系,使香味性状得到改良。【方法】利用CRISPR/Cas9基因编辑的原理,在水稻Badh2的第2和第7外显子处设计靶点,通过BLAST分析确定其特异性并构建到CRISPR/Cas9表达载体。以浙江省主要推广的水稻品种嘉58和秀水134的愈伤组织为受体,利用农杆菌介导的遗传转化法,通过潮霉素抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在Badh2的突变类型,经PCR分析与鉴定获得Badh2发生突变并无转基因标记成分的稳定株系。利用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）检测基因编辑株系糙米米粉中2-AP的含量,明确其香味成分与非转基因对照之间的差异。【结果】在水稻第2和第7外显子处设计靶点构建表达载体,通过遗传转化转基因株系的Badh2完成了定向突变。共获得T₀代嘉58基因编辑的株系15株,在第2外显子处发生突变的有8株5种不同的突变类型,均为不同单碱基插入不同位点;在第7外显子处发生突变的有7株5种不同的突变方式,均为碱基或片段缺失。获得秀水134基因编辑的株系11株,在第2外显子处共有5株,均为单碱基插入;在第7外显子处有6株,均为片段缺失。48株T₁代秀水134基因编辑株系中,共获得16株无转基因标记的基因编辑株系,其中5株在第2外显子发生突变,11株在第7外显子处发生突变。4个T₂代基因编辑株系的米粉中2-AP平均含量分别为0.309、0.347、0.332和0.295 μg·g ^-1,极显著（P<0.01）高于非转基因对照（0.046 μg·g ^-1）。【结论】利用CRISPR-Cas9技术可对水稻香味基因Badh2进行定向编辑,并且可获得无转基因成分的基因编辑株系,其香味性状得到明显改良。     

CRISPR/Cas9技术在昆虫基因功能研究中的应用及优化

主要概述了CRISPR/Cas9技术应用于涉及鞘翅目、鳞翅目、膜翅目、半翅目、直翅目和双翅目的昆虫在色素沉着、抗性、嗅觉、交配和性别发生等方面的研究进展，包括基因敲除和基因敲入技术的应用，同时总结了目前CRISPR/Cas9系统的优化方案，最后对改良CRISPR/Cas9系统在昆虫基因组学研究和农业害虫防控的应用前景进行了展望。利用基因编辑技术对昆虫基因功能进行探究是除基因过表达、RNA干扰等方法外的一种有效策略。CRISPR/Cas9技术是近年来出现并迅速发展的第三代基因编辑工具，以操作简便、成本低和编辑效率高等优点而被广泛应用于生物科学中的各个分支。     

一种准确、简便测定CRISPR/Cas9基因编辑效率的方法

CRISPR/Cas9基因编辑技术是近年来发展迅速的一项基因定点编辑技术,但对特定CRISPR/Cas9基因编辑技术的编辑效率进行有效评估的方法仍十分匮乏,本研究的目的是建立一种准确、简便测定CRISPR/Cas9基因编辑效率的方法。在我们的方法中,将与种子专一表达启动子(2S3)连接的mCherry荧光蛋白报告基因作为选择基因,并以编码脂肪酸脱氢酶FAD2的基因为靶序列;然后对经CRISPR/Cas9编辑的拟南芥种子进行脂肪酸组分分析,根据其组分变化计算该方法的编辑效率。结果显示,利用mCherry荧光蛋白报告基因的种子专一表达特性,可简便快速地筛选阳性的初级转化子和后代的无转基因突变子;而种子油脂分析法能快速、准确地鉴定CRISPR/Cas9编辑的突变体,可以精确地检测出核酸长度小至单个碱基对的突变,用该方法获得的CRISPR/Cas9基因编辑效率(54.5%～74.1%)远高于基于聚丙烯酰氨凝胶电泳法获得的编辑效率(3.7%～15.4%)。说明,该方法检测CRISPR/Cas9基因编辑效率的高效性与可行性。     

基因编辑CRISPR/Cas9技术在农业领域的应用

CRISPR/Cas9系统通过靶向突变对植物基因组进行编辑,是研究基因功能和作物改良的第三代基因编辑工具。本文介绍了CRISPR/Cas9打靶系统基本结构、工作原理,并展示了其在作物基因功能研究和品质改良中的应用前景。     

CRISPR/Cas9系统及其在作物育种中的应用

基因编辑是一项对目的基因进行修饰的新技术,由成簇规律间隔短回文重复序列(Clustered regularly in-terspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其关联蛋白(CRISPR associated,Cas)组成的系统(CRISPR/Cas)为新一代基因编辑技术,其中Cas9蛋白与CRSPR结合形成的编辑系统CRISPR/Cas9因其简单易操作的特性已广泛应用于植物基因组编辑,发展潜力巨大.文章论述了CRISPR/Cas9系统的作用原理、发展历程及在植物基因组中的定点编辑效应,并分析CRISPR/Cas9在水稻、小麦、玉米等作物育种中的应用现状,发现其在改良水稻产量和质量相关性状、小麦白粉病抗性及玉米乙烯敏感等性状上效果明显.在今后的研究中,应针对不同作物的育种目标,深入了解目标基因的功能作用来设计相应的操作方案,并提高该系统对作物目的基因改良的效率,加强其安全性等,以促进基因编辑在作物育种中的应用,加快育种进程.     

利用CRISPR/Cas9技术编辑BADH2-1/BADH2-2创制香米味道玉米新种质

【目的】香味是作物的重要食味品质之一。2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline,2-AP）是主要香味物。BADH2是控制水稻等作物香味性状的关键基因,敲除该基因可以产生香味稻米。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在北京市农林科学院自育的玉米骨干亲本京724上敲除BADH2同源基因,以期获得有香米味道的玉米新种质材料。【方法】利用Ensembl数据库在线BLAST工具,将水稻OsBADH2蛋白序列在拟南芥、水稻和玉米蛋白序列数据库中进行序列比对,获得上述3个物种的BADH基因家族成员,并利用UniProt蛋白数据库中的结构域信息进行验证。进一步使用MEGA软件进行系统进化分析,获得玉米BADH2同源基因作为候选编辑靶标。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的原理,在候选基因的外显子处设计特异性靶点,并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体。再以玉米自交系京724为受体,利用农杆菌介导的遗传转化方法,通过磷酸甘露糖异构酶基因（phosphomannose isomerase,PMI）抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在靶基因中产生的突变类型。利用气相色谱质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）检测基因编辑株系T₁籽粒中香米主要香味物质2-AP的含量,以确认京724在基因编辑前后2-AP含量的变化。【结果】系统进化分析发现,玉米中存在2个BADH2同源基因,分别命名为ZmBADH2-1和ZmBADH2-2。ZmBADH2-1位于第4染色体,ZmBADH2-2位于第1染色体。2个基因均包含15个外显子和14个内含子,第4外显子间的核苷酸序列高度同源。在2个基因的第4外显子区域设计靶点并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体,通过遗传转化获得28株转基因株系。PCR扩增及测序分析结果显示,其中10株材料的2个ZmBADH2s在靶点区域均发生突变,突变基因型包括双等位突变和多等位突变,突变类型为不同数量的碱基缺失和插入。质谱检测结果显示玉米ZmBADH2双基因突变体籽粒中存在与香稻同样成分的2-AP。随机选取的4个T₁代基因编辑株系籽粒中,2-AP平均含量分别为438.29、404.63、348.65和161.82 μg·kg^-1,而未经过编辑的京724中未检测到2-AP。【结论】利用CRISPR/Cas9技术对玉米ZmBADH2-1和ZmBADH2-2同时进行定点敲除,创制出籽粒中具有香米味道的玉米骨干亲本新种质材料。     

利用CRISPR/Cas9技术编辑水稻香味基因Badh2

【目的】稻米香味是水稻品质改良的一个重要内容,其性状主要受1个隐性基因Badh2的控制。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将常规品种中的Badh2进行编辑,从而获得Badh2发生突变的基因编辑株系,使香味性状得到改良。【方法】利用CRISPR/Cas9基因编辑的原理,在水稻Badh2的第2和第7外显子处设计靶点,通过BLAST分析确定其特异性并构建到CRISPR/Cas9表达载体。以浙江省主要推广的水稻品种嘉58和秀水134的愈伤组织为受体,利用农杆菌介导的遗传转化法,通过潮霉素抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在Badh2的突变类型,经PCR分析与鉴定获得Badh2发生突变并无转基因标记成分的稳定株系。利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)检测基因编辑株系糙米米粉中2-AP的含量,明确其香味成分与非转基因对照之间的差异。【结果】在水稻第2和第7外显子处设计靶点构建表达载体,通过遗传转化转基因株系的Badh2完成了定向突变。共获得T_0代嘉58基因编辑的株系15株,在第2外显子处发生突变的有8株5种不同的突变类型,均为不同单碱基插入不同位点;在第7外显子处发生突变的有7株5种不同的突变方式,均为碱基或片段缺失。获得秀水134基因编辑的株系11株,在第2外显子处共有5株,均为单碱基插入;在第7外显子处有6株,均为片段缺失。48株T_1代秀水134基因编辑株系中,共获得16株无转基因标记的基因编辑株系,其中5株在第2外显子发生突变,11株在第7外显子处发生突变。4个T_2代基因编辑株系的米粉中2-AP平均含量分别为0.309、0.347、0.332和0.295μg·g~(-1),极显著(P0.01)高于非转基因对照(0.046μg·g~(-1))。【结论】利用CRISPR-Cas9技术可对水稻香味基因Badh2进行定向编辑,并且可获得无转基因成分的基因编辑株系,其香味性状得到明显改良。     

利用CRISPR技术鉴定拟南芥miR171a的功能

miRNA是一段长约21 nt的RNA小分子,能够影响多种植物生理生化功能。CRISPR/Cas9是近年发展的可以靶向编辑DNA序列的技术,已广泛应用于多种植物。miR171a是一类保守的miRNA家族,参与对植物生长发育和逆境胁迫的调控。利用CRISPR/Cas9技术鉴定拟南芥miR171a的功能,结果表明基因编辑拟南芥株系中的miR171a表达量降低,靶基因SCL22表达量上调。干旱处理后基因编辑拟南芥株系中的脯氨酸含量上升幅度小于野生型。基因编辑拟南芥株系的叶绿素含量有不同程度的降低,株高和生长势增强。干旱胁迫结果显示对miR171的抑制使得拟南芥抗旱能力减弱,表明利用CRISPR技术鉴定miRNA的功能是有效的。     

小麦胚乳Wx蛋白缺失对籽粒淀粉含量的影响

旨在通过比较不同的小麦胚乳Wx蛋白亚基缺失类型材料籽粒的Wx蛋白总量支直链淀粉含量及总淀粉含量,明确胚乳Wx蛋白对支直链淀粉合成的作用。利用SDS-PAGE方法鉴定了13个品种Wx蛋白亚基组成,并测定了这些品种的Wx蛋白总量、直、支链淀粉含量及直/支比。结果表明,任何Wx基因缺失都会造成Wx蛋白合成数量的明显著减少,随着Wx基因不表达的数量增多,Wx蛋白合成的减少量增多;糯麦的直链淀粉含量最少。Wx蛋白含量与直链淀粉含量和直/支链淀粉含量之间存在极显著和显著的正相关,r=0.860 0,r=0.810 8;Wx蛋白含量与支链淀粉含量之间呈中度相关,r=0.402 7,这说明Wx蛋白总含量对直链淀粉含量的大小起到决定性作用,而对支链淀粉和总淀粉含量只有一定影响;通过操纵Wx基因可以改变籽粒胚乳中的直链淀粉含量和淀粉的直/支比,进而达到改进淀粉理化特性和加工特性的作用。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于绿僵菌

近年来的研究显示,CRISPR/Cas9系统是强有力的基因编辑新技术.以蝗绿僵菌为试验对象,以同源重组敲除系统为对照,研究CRISPR/Cas9系统敲除蝗绿僵菌的基因isp4核苷酸序列.阐明了CRISPR/Cas9载体构建的方法,比较了CRISPR/Cas9和Recombinase敲除技术的异同,最后通过PCR和突变菌株的表型验证了CRISPR/Cas9系统能够应用于绿僵菌.结果表明,CRISPR/Cas9在昆虫病原真菌绿僵菌中是有效的基因编辑技术.     

利用CRISPR/Cas9技术编辑OsRR22基因创制耐盐水稻种质资源

水稻是重要的粮食作物之一,在盐碱地开发和改良中发挥着重要作用。为了创制高耐盐水稻种质资源,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,在水稻品种盐丰47中对OsRR22设计3个靶位点进行基因编辑。通过PCR和测序鉴定,在T₀代获得16个突变单株,其中靶位点1和靶位点2均有纯合突变,靶位点3没有检测到突变。在T₁代转基因株系中,获得3株纯合突变且无T-DNA插入的纯合突变体。对T₂代进行农艺性状分析发现,与野生型相比,突变体的株高显著降低,产量相关农艺性状均无显著变化。苗期耐盐性鉴定结果表明,在200 mmol/L NaCl处理7天后,突变株的存活率比野生型提高30%以上。综上,利用CRISPR/Cas9技术对水稻品种盐丰47进行了耐盐性改良,为耐盐水稻新品种的培育提供了理论和材料基础。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物中的应用与政策监管

基因编辑技术是一种在基因组水平上对DNA序列进行精准修饰,从而促使基因组序列定向改造的技术。随着近几年CRISPR/Cas9技术的快速发展,基因组编辑技术在作物育种领域发挥了越来越重要的作用。本文综述了基因编辑技术的发展历程,以及CRISPR/Cas9的工作原理,分析了CRISPR/Cas9的局限性并提出了改进方法。重点阐述了植物CRISPR/Cas9基因编辑体系的建立、在植物性状改良方面的应用,以及最终致力于基因编辑产品商业化的应用案例。同时还分析了美国、欧盟、英国、日本和中国这5个代表性国家/地区的基因编辑监管政策和态度,以期为我国科学监管框架的建立提供参考,促进CRISPR/Cas9在我国乃至全球的产业化应用。