利用CRISPR/Cas9基因编辑技术改良大粒香稻瘟病抗性

优质稻米大粒香是采用粳籼杂交方法育成的香稻品系,多年来是贵州省优质稻米企业开发生产的主推品种.但稻瘟病抗性差,限制了其大规模推广应用.本研究以大粒香为材料,根据CRISPR/Cas 9靶点设计要求设计稻瘟病基因pid3特异性靶点sgRNA序列,构建crispr-pid3双靶点载体,通过农杆菌介导遗传转化大粒香愈伤组织,...     

利用CRISPR/Cas9技术编辑水稻温敏不育基因TMS

tms5是生产上应用最广泛的温敏不育基因。为创制新型水稻温敏核不育系,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将6个优异的粳稻和4个优异的籼稻的TMS5基因敲除,获得了温敏核不育系。比较发现,粳稻温敏不育系ZG75S、CYGS、YG0618S、ZG07S、T0361S、7679S的不育起点温度在28～32°C之间,籼稻温敏核不育系2537S、6150S、6379S的不育起点温度在24～28°C之间,而籼稻温敏核不育系1109S的不育起点温度低于23.5°C。说明不同遗传背景材料获得的tms5突变体的不育起点温度不一样,通过TMS5的敲除可能获得不育起点温度较低的温敏核不育系。利用1109S与优质父本8048选配出优质高产杂交稻组合1109S/8048。大田试验表明, 1109S/8048比区试对照丰两优4号增产13.1%。温敏核不育系1109S及高产杂交稻组合1109S/8048的创制为高产育种提供了新的途径。     

利用CRISPR/Cas9基因编辑系统创制新型水稻温敏雄性核不育系

为迅速获得优良的温敏雄性核不育(TGMS)系,本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑系统对一份优良的水稻品系GXU41的TMS5基因上2个靶点进行编辑,对编辑植株进行靶点突变检测,筛选无外源DNA的编辑TGMS系,并进行育性转换、农艺性状和米质分析评价。结果共获得12株T0代转基因阳性植株,其中靶点1和靶点2的纯合突变率分别为50%和58.4%,一个或两个靶点为纯合突变占83.3%,双纯合突变率达到25%,在T1代中筛选到无外源DNA的TGMS系。与野生型相比,编辑获得的TGMS系GXU41-5S随着温度升高小穗育性和花粉育性逐渐降低,在24℃时均表现完全不育;由于不育效应,GXU41-5S的株高增长和有效穗数增加显著,且GXU41-5S全部米质指标达到优质一等大米的标准要求。本研究证明了CRISPR/Cas9基因编辑系统是快速获得TGMS系有效途径,所创制的TGMS系对选育两系杂交水稻品种具有重要应用价值。     

利用CRISPR/Cas9技术编辑水稻温敏不育基因TMS5

Thermo-sensitive genic male-sterile (TGMS) gene tms5 is most widely used in the two-line hybrid breeding system in China. To develop novel rice thermo-sensitive male sterile lines, we knocked out the TMS5 genes of six elite japonica and four indica rice varieties by using CRISPR/Cas9 gene editing technology. By analyzing the critical sterility-inducing temperature (CIST) of the newly TGMS lines, it was found that the CIST of japonica TGMS lines ZG75S, CYGS, YG0618S, ZG07S, T0361S, and 7679S were between 28°C and 32°C, the CIST of indica TGMS lines 2537S, 6150S and 6379S were between 24°C and 28°C, and the CIST of indica TGMS line 1109S was lower than 23.5°C. These results indicated that the CIST of tms5 mutant from different genetic background materials was different. The TGMS lines with lower CIST could be obtained by knocking out the TMS5 from different genetic background materials. A hybrid rice combination 1109S/8048 had high quality and high yield. The yield of 1109S/8048 was 13.1% higher than that of Fengliangyou 4. The creation of the TGMS 1109S and the high-yield cross combination 1109S/8048 provides a new way for high-yield breeding.     

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建水稻OsABI5突变体

在水稻种植生产上,因其种子经常发芽率不齐,导致水稻直播困难,不仅影响水稻的生产成本还影响其产量,因此水稻直播的突出问题要保持优良的种子萌发力。ABA是种子萌发的抑制因子,它通过诱导ABI5的表达来抑制种子萌发,在种子正常萌发的过程中,随着种子吸胀和GA生物合成,ABA和ABI5的含量都迅速下降,促使种子萌发。本研究利用CRISPR/Cas9技术构建OsABI5突变体,以期提高种子的萌发率和萌发速度。通过农杆菌介导法将构建好的OsABI5敲除质粒转化‘日本晴’水稻的愈伤组织,经PCR和Western Blot鉴定筛选得到两株OsABI5弱表达的阳性突变株系。通过对osabi5-2突变体和‘日本晴’萌发表型的观察,发现osabi5-2突变体2 d发芽率显著高于‘日本晴’,二者4 d的萌发势也是osabi5-2突变体略高。本研究利用CRISPR/Cas9技术构建了OsABI5突变体,对研究水稻OsABI5调控种子萌发的分子机制具有重要意义。     

利用CRISPR/Cas9技术创制水稻红褐色颖壳突变体

颖壳颜色在杂交水稻色选机械化制种上具有重要的应用价值。水稻红褐色颖壳基因 RBH1 是一个编码肉桂醇脱氢酶(Cinnamyl alcohol dehydrogenases 2, CAD2)的基因,是木质素合成途径的关键酶,其功能突变会产生红褐色颖壳表型。为了研究红褐色颖壳突变材料在色选机械化制种中的应用价值,本研究采用CRISPR/Cas9 技术敲除了籼稻骨干恢复系‘R498’中的 RBH1 基因,获得了多种不同突变方式的敲除突变材料,所有纯合突变株系的茎秆和颖壳都表现为红褐色,选取其中 3 种突变方式(KO1～KO3)进行进一步研究。相比于野生型‘R498’,敲除植株 KO3 叶片和茎秆中木质素含量显著下降,纤维素和半纤维素显著升高。农艺性状调查结果发现,无转基因成分的 3 个敲除突变株系(KO1～KO3)的株高、穗长、结实率、粒长和千粒重比‘R498’显著降低,但是‘R498’和敲除突变体分别与三系不育系双 1A 的杂交组合 F₁的农艺性状无显著差异。虽然敲除突变体自身的多数农艺性状变差,但不影响杂交组合的农艺性状及产量。因此,利用基因编辑技术敲除恢复系材料中...     

利用CRISPR/Cas9技术定向编辑水稻过氧化氢酶基因OsCAT

过氧化氢酶(catalase,CAT)作为重要的抗氧化酶,可催化细胞内过氧化氢的分解,为了研究水稻过氧化氢酶基因OsCAT2的功能,首先根据在线软件http://crispr.mit.edu/搜寻向导sg RNA序列,选择OsCAT2基因第三外显子上的"GTGGAGAACCGAACAATAACTGG"作为目标靶序列,然后构建了OsCAT2的CRISPR/Cas9载体BGK03-OsCAT2,将目的载体转化水稻粳稻9522后共获得了7个独立的转基因株系,其中包括在PAM附近发生编辑的独立转基因株系2个,编辑方式主要表现为缺失和错配。与野生型相比,转基因植株较矮、分蘖数增加、叶片呈明显的病叶状、成熟时期育性明显降低,这为深入研究水稻OsCAT2基因的作用机制提供了帮助。     

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建水稻OsSLR1敲除突变体

GA是种子萌发的促进因子,能解除种子休眠和刺激萌发,GA的信号通路可以通过对DELLA蛋白的去抑制作用来完成的。通过对不同物种的DELLA蛋白功能的研究,发现不同物种的DELLA蛋白的功能具有高度保守性,本实验主要研究水稻中的DELLA蛋白SLR1,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建OsSLR1基因敲除突变株。首先,通过对OsSLR1的结构和功能域进行分析比对,最终选择3个靶点;然后,利用重组法构建CRISPR/Cas9敲除载体;最后,通过农杆菌介导法,将敲除载体转染成熟的日本晴水稻愈伤,待培育出幼苗,通过PCR和Western Blot进行鉴定。最终筛选得到1株Os SLR1敲除突变株系slr1-1,通过观察突变体萌发表型,发现slr1-1突变体第2天发芽率显著高于日本晴,而且slr1-1突变体的生长速度显著快于日本晴。通过不同浓度PAC对slr1-1突变体萌发表型的影响,发现水稻的DELLA蛋白SLR1敲出的突变体种子萌发不受PAC抑制,表明OsSLR1是通过调控GA信号途径影响水稻种子的萌发,详细的调控机制和互作蛋白等还有待深入的研究。通过对SLR1调控GA信号通路控制水...     

稻瘟病新抗性基因Pi39候选基因CRISPR/Cas9敲除载体的构建

Pi39是位于水稻第12染色体上的稻瘟病新抗性基因,为了明确其功能,本研究利用CRISPR/Cas9系统构建候选基因的敲除载体。通过对候选基因序列分析,将合成的靶位点序列插入入门载体pENTR-sgRNA,再与表达载体Cas9发生重组。本研究首先在候选基因的第一个外显子区域找到了2个带有PAM序列的靶位点,将2个目的小片段依次克隆到pENTR-sgRNA载体上。通过菌落PCR检测及测序,结果表明目的小片段插入位置正确。将入门载体与表达载体进行重组反应后,阳性克隆经菌落PCR和质粒DNA酶切鉴定并测序,结果表明重组载体构建成功。本研究利用CRISPR/Cas9系统构建敲除载体操作简单,耗时短,为进一步开展Pi39候选基因的功能研究奠定了基础。     

应用CRISPR/Cas9系统编辑水稻SBE3基因获得高抗性淀粉水稻新品系

SBE3是位于水稻第2号染色体上的水稻淀粉分支酶基因,该基因表达量的降低引起水稻抗性淀粉(resistant starch,RS)含量的提高。本研究应用CRISPR/Cas9系统对SBE3基因进行编辑,根据基因编码区序列(CDS)在第8外显子区域设计长度为20 bp的引导序列,化学合成引导序列并构建成sgRNA,将其插入到Cas9质粒骨架载体中,转化农杆菌。通过农杆菌介导的遗传转化方法将构建好的p CAMBIA1300:SBE3sgRNA:Cas9表达载体转入水稻受体材料沪LPR18中。使用PCR扩增转基因阳性植株中含有CRISPR/Cas9靶点的片段并测序验证,确定12个突变单株,其中2个是纯合型,通过后代分离,得到没有潮霉素基因筛选标记的SBE3纯合突变单株,测定其抗性淀粉含量高达10%以上。以上结果表明,本研究已经通过CRIPR/Cas9技术获得稳定的高抗性淀粉水稻纯合突变体材料,为高抗性淀粉育种提供了新的种质资源和创建方法。     

CRISPR/Cas9技术编辑RMS2基因及其利用

水稻雄性不育是杂交水稻杂种优势利用的基础.为了推动粳型第三代杂交水稻育制种技术的发展,本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对普通隐性核雄性不育基因RMS2进行定点编辑.根据CRISPR/Cas9基因编辑原理,以RMS2作为靶标基因,在基因第一和第二外显子分别选择正反向靶位点,在NCBI数据库利用BLAST工具分...     

CRISPR/Cas9基因编辑系统在水稻育种应用的研究进展

土壤退化、气候变化、生物和非生物胁迫的不利影响,对保障中国粮食生产安全和稳定提出了新的挑战.为了更快地实现水稻育种目标,在育种改良中整合分子育种新技术是当务之急.CRISPR/Cas9基因编辑技术具有时间周期短、操作简便快捷、编辑效率高等优点,已成为植物科学和水稻分子育种的重要工具,在水稻种质资源创制和遗传改良中得到广...     

CRISPR/Cas9编辑花生FAD2基因研究

油酸脱氢酶((35)12FAD或FAD2)是催化油酸(OA)的C12位上脱氢生成双不饱和亚油酸(LA)的关键酶,它控制油酸、亚油酸的含量及其比值(O/L)。研究表明, AhFAD2是油酸生成亚油酸的关键基因,决定花生种子中油酸和亚油酸的相对含量。本研究根据AhFAD2基因序列,设计了相应sgRNA序列,并构建了旨在敲除FAD2A和FAD2B两个花生油酸脱氢酶的CRISPR/Cas9基因编辑载体。经花生基因转化后,通过对转基因花生突变位点基因组序列分析找出基因突变体。对靶基因分析发现,16株转基因花生含有29个FAD2A基因突变,其中16个突变引起蛋白质序列变化;11株转基因花生含有30个FAD2B基因突变,其中17个突变引起蛋白质序列变化。FAD2A和FAD2B蛋白质序列的变化可影响花生油酸脱氢酶的活性,改变油酸催化脱氢,使亚油酸合成受阻,油酸含量增加。本研究为研究花生脂肪酸合成及高油酸花生育种提供了宝贵的基因突变体材料。     

利用CRISPR/Cas9技术创制烟草NtabMYC2基因的定点突变

本研究利用CRSIPR/Cas9基因编辑技术,创制了NtabMYC2的不同的定点突变材料。针对NtabMYC2基因3个敲除靶位点,设计并成功构建了相应的载体。结果表明:3个载体转化烟草后,通过测序验证NtabMYC2基因被成功敲除了,统计3个载体的敲除成功率分别是24%、2%、10%;T0突变植株经过自交重组产生T1代植株,通过测序分析T1代植株存在4种纯合的NtabMYC2基因突变类型,其分别是多一个A、T、C插入突变和一个缺失4个碱基缺失突变。为进一步研究NtabMYC2基因在烟草中的功能提供了一定的参考价值。     

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术定点编辑水稻赤霉素2氧化酶基因OsGA2ox10

通过CRISPR/Cas9基因编辑技术,以粳稻品种‘沈农265’为遗传背景对水稻赤霉素2氧化酶基因OsGA2ox10进行编辑,获得了该基因编码序列翻译提前终止纯合突变体ga2ox10-1、ga2ox10-2和ga2ox10-3。经RT-PCR检测突变体中OsGA2ox10基因表达量相比野生型极显著降低。表达模式分析显示该基因在根、茎、叶、叶鞘、幼穗中均有表达,其中在幼穗中表达量最高。亚细胞定位结果显示OsGA2ox10与GFP融合蛋白定位于细胞质中。本实验的开展为进一步明确GA2ox10基因功能和该基因在赤霉素代谢失活调控网络中的作用提供了依据。     

一个CRISPR/Cas9-VQR基因编辑系统的构建

CRISPR/Cas9系统是一种广泛应用于细菌、酵母、动物和植物中的基因组定点编辑技术,但该编辑系统的使用范围受PAM (proto-spacer-motif)位点NGG的限制。本研究通过突变Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9)编码氨基酸(1135位的天冬氨酸D突变成缬氨酸V, 1335位的精氨酸R突变为谷胱氨酸Q, 1337位的苏氨酸T突变为精氨酸R,命名该突变子为Cas9-VQR)改造其识别PAM为NGA的位点以扩大其使用范围。并使用玉米Ubi启动子启动Cas9-VQR基因、优化SpCas9的密码子、加入保守的核定位信号序列、增加单子叶植物中保守的3′UTR序列和使用水稻U6启动子启动gRNA来修饰该编辑系统。结果表明Cas9-VQR系统能够识别PAM为NGA的位点,并进行有效的切割。体外酶切活性检测结果表明Cas9-VQR的切割效率为5%～70%。水稻转化检测结果表明Cas9-VQR的切割效率约为27.5%～70.5%,平均切割效率为46.23%。本研究拓宽了CRISPR/Cas9系统在作物中的使用范围,特别是NGA PAM位点较高的作物。     

CRISPR/Cas9系统在水稻基因组编辑中的应用

CRISPR-Cas9基因组编辑技术通过向导RNA的介导和Cas9蛋白的切割来实现对靶基因的定点编辑,实际操作中只需对向导RNA起始的20个核苷酸进行修改即可完成对不同靶标基因的编辑,该技术以其简便、高效的特点,迅速成为动植物中最为广泛使用的基因组编辑工具。本研究对CRISPR-Cas9系统进行了简单的介绍,总结了CRISPR-Cas9系统在水稻基因组编辑中的应用,并针对该系统存在的脱靶效应,提出了几点策略,最后对CRISPR-Cas9基因组编辑技术与转基因技术之间的关系进行了探讨,并对CRISPR-Cas9系统在进一步扩大水稻基因组编辑范围、调控基因表达水平等方面进行了展望,以期为研究该方面工作的水稻育种家提供参考。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术的生物伦理和法律问题

CRISPR/Cas9基因编辑技术作为一项革命性的生物技术,为基因组编辑提供了高效、精准的工具,然而其广泛应用也引发了众多生物伦理和法律挑战。本研究旨在探讨CRISPR/Cas9基因编辑技术在生物伦理和法律层面所面临的问题。本研究介绍了CRISPR/Cas9技术的基本原理和其在生物学、农业等领域的应用,详细探讨了基因编辑技术可能引发的伦理问题,包括人类基因编辑的道德边界、遗传信息的安全性等,还分析了基因编辑技术在法律方面的挑战,如知识产权、监管标准和医疗法律责任等。通过综合评述生物伦理和法律领域的争议和讨论,本研究旨在促进对CRISPR/Cas9基因编辑技术应用的全面理解和审慎考虑。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物基因工程育种中的应用

作为传统基因工程育种技术,转基因技术在植物分子育种工作中的应用受到技术本身缺陷及其他风险因素的限制。CRISPR/Cas9基因编辑技术是近几年新发展起来的一种基因组定向编辑技术。本研究介绍了CRISPR/Cas9基因编辑技术的基本原理和研究进展,分别比较分析了CRISPR/Cas9系统与前两代基因编辑技术(ZFNs和TALENs)和传统转基因技术之间的差异。至今为止,CRISPR/Cas9基因编辑技术已经在多种植物中实现了定点突变诱导(插入,缺失或修饰等)。由于成本低廉、操作简易和突变诱导率高等特点,CRISPR/Cas9系统作为一项高效植物遗传改良和育种研究的分子操作技术手段,应用前景十分广阔。