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技术创建OsCOL9水稻突变体

CRISPR/Cas9系统可对植物的内源基因进行有效定点编辑,为作物的遗传育种提供了新的方向。以感病水稻品种丽江为材料,抗病基因OsCOL9为靶基因,探索该系统对水稻内源基因定点编辑效率以及获得有研究意义的突变体。OsCOL9基因CDS序列全长1 266 bp,编码一个422 aa蛋白,分子量大小约为45.6 k Da,蛋白质结构的N端含有B-box结构域,C端含有CCT(CONSTANS、CONSTANS-Like、TOC1)结构域。设计4个长20 nt的guide RNAs(gRNAs)靶点,靶向编辑OsCOL9基因的CDS起始区域以及外显子的末端,分别由U3、U6a、U6b以及U6c启动子驱动,提取T1转基因植株的基因组DNA并对编辑位点附近的DNA片段进行序列分析。结果表明,T1材料中OsCOL9的碱基缺失数最多可达59 bp,突变次数最多可达11次,取得较好的基因编辑效果。同时本试验出现了脱靶效应,因此着重探讨了降低脱靶效应的方法。由于CRISPR/Cas9系统在进行基因编辑时没有外源基因的导入,加上该技术的快捷、简便,对生物技术与传统育种的结合具有重要实践意义。     

利用CRISPR/Cas9技术突变BnaMPK6基因降低甘蓝型油菜的耐盐性

甘蓝型油菜是我国一种重要的油料作物。MPK6是一种丝裂原活化蛋白激酶, MAPK级联途径可以被各种胁迫激活,进而调节植物对胁迫的响应,在植物响应非生物胁迫过程中发挥着重要的作用,但在甘蓝型油菜盐胁迫响应过程中的功能还尚不清楚。基因结构和蛋白序列分析表明,MAPK6在十字花科芸薹属植物种间分化相对保守,基因结构相似,蛋白之间均有相同的STKc＿TEY＿MAPK结构域,与胁迫和生长发育相关。为探究其功能,本研究利用CRISPR/Cas9技术对BnaMPK6基因进行编辑,通过农杆菌介导的方法将BnaMPK6基因转入到甘蓝型油菜中,获得了BnaMPK6基因4个同源拷贝同时突变的材料:cr-bnampk6-13-1和cr-bnampk6-49-1。cr-bnampk6突变体表现出明显的盐敏感性:在100 mmol L^–1和150 mmol L^–1浓度的NaCl溶液处理下,功能缺失突变体长势明显缓慢,并且株高和鲜重显著低于野生型植株,但根长无明显差异。此外,在盐胁迫下,功能缺失突变体体内的活性氧和丙二醛含量的积累显著高于野生型对照,脯氨酸含量也明显高于野...     

利用可视化CRISPR/Cas9系统获得拟南芥Cas9-free突变体

CRISPR/Cas9是实现基因精准突变的有效工具而被广泛应用到功能基因组学研究中.通常需要在已编辑后代的基因组中剔除此编辑体系,以防Cas9进一步编辑导致复杂的脱靶效应.本研究利用可视化的CRISPR/Cas9基因编辑系统敲除拟南芥AtPAE4基因,测序结果显示AtPAE4在第一个外显子的第478号碱基前面插入了一个...     

利用CRISPR/Cas9技术创建OsIPCS家族基因突变体

肌醇磷酸神经酰胺合酶(inositol phosphoryl ceramide synthase,IPCS)是植物鞘脂合成途径中的一种关键酶,在植物生长发育和逆境适应中具有重要作用。本研究在OsIPCS基因外显子区域设计带有PAM序列的靶位点,利用PCR扩增获得OsIPCS基因sg RNA表达盒,并成功构建CRISPR/Cas9敲除载体;采用根癌农杆菌介导的遗传转化获得3个OsIPCS基因的T0代CRISPR转基因植株;通过PCR扩增和测序确定突变类型,其中2株不同突变类型的OsIPCS1突变单株,27株不同突变类型的OsIPCS2突变单株,9株不同突变类型的OsIPCS3突变单株,为进一步开展OsIPCS基因功能的研究提供科学依据。     

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...     

利用基因编辑技术改良水稻直链淀粉含量与香味

直链淀粉含量是稻米品质的理化指标之一,理想的稻米直链淀粉含量是13%~18%,有香味的稻米特别受消费者欢迎。本研究利用CRISPR/Cas9系统对Wx、Badh2(fgr)2个基因进行定突变,分别在Wx的5’UTR内含子剪切点和编码区序列(CDS)的第13外显子处设计靶点,Badh2的编码区序列(CDS)的第3和第9外显子处设计靶点,构建2个双靶点CRISPR/Cas9载体,通过遗传转化导入受体‘中早35’中,2个独立的转化事件分别得到14株和13株T0代转化苗,对T0突变情况分析表明,突变频率分别为57.1%,46.2%;对Wx基因编辑后产生的4个无转基因标记的T2代稳定株系进行直链淀粉含量测定,结果分别为12.2%、11.3%、7.4%、4.9%,比未编辑的对照‘中早35’(24.6%)大幅降低;同时对Badh2编辑后产生3个无转基因标记T2代稳定株系进行香气物质2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)含量测定,结果分别为228.16μg/kg,198.31μg/kg,2095.24μg/kg通过口嚼判断这3个株系确实有不同程度的香味,而没有香味的对照‘中早35’为0.000001μg/kg,以上所有株系的农艺性状与对照‘中早35’一致。综合结果表明,利用CRISPR/Cas9系统成功编辑水稻Wx、Badh2基因,获得了稳定遗传、较低直链淀粉含量且带有香味的突变体,为优质稻育种提供了新的种质资源和创建方法。     

大豆生物钟基因GmLNK1/2、GmRVE4/8和GmTOC1 CRISPR/Cas9组织表达分析及敲除靶点的鉴定

生物钟基因能够参与调控植物的整个生命进程,对提高作物产量具有重要的作用。LNK1(NIGHTLIGHTINDUCIBLE AND CLOCK-REGULATED 1)、LNK2、RVE4 (REVEILLE 4)、RVE8 (REVEILLE 8)和TOC1 (TIMING OF CAB EXPRESSION1)是植物中重要的生物钟基因。本研究利用BLAST同源比对和进化树分析的方法分别鉴定AtLNK1、AtLNK2、AtRVE4、AtRVE8和AtTOC1在大豆中的同源基因,通过qRT-PCR实验证明这些生物钟基因在大豆根、茎、叶等组织中均有表达。成功构建这些基因的CRISPR/Cas9敲除载体,并利用大豆根毛转化体系成功鉴定出13个基因的CRISPR/CAS9有效靶点。为进一步获得稳定的大豆突变体材料及研究其生物钟基因的功能提供了理论基础。     

CRISPR/Cas9介导的拟南芥TT1基因的敲除

在菜油品质上黄籽相较于褐籽更为优良,且更易于合成高质量的生物柴油。已有研究表明TT1(TRANSPARENT TESTA 1)基因是类黄酮代谢途径中的关键基因,为了通过CRISPR/Cas9基因编辑载体验证TT1基因在白菜型油菜中的功能,本研究先在拟南芥中进行了TT1基因的编辑。构建了CRISPR/Cas9 TT1基因编辑载体,通过农杆菌介导侵染拟南芥花序的遗传转化方式将编辑载体引入拟南芥Columbia生态型,通过表型观察发现T1代12株阳性苗中产生了11株表型株,其中1株表现为褐籽,2株表现为黄籽,9株表现为黄籽和褐籽的嵌合。测序检测分析其突变型结果发现,TT1靶位点处有单碱基缺失、单碱基插入、多个碱基缺失、碱基缺失后插入以及两个靶位点之间多个碱基缺失的多种突变类型。T2代获得一株纯合突变体,TT1两个靶位点之间产生79 bp的碱基缺失,且全株表现为黄籽。本研究为CRISPR/Cas9载体在白菜型油菜中TT1基因功能验证提供借鉴,并为其它作物TT1同源基因的功能验证提供了新的突变体材料。     

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介导靶向敲除拟南芥REVOLUTA基因突变体的鉴定

CRISPR/Cas9系统可对植物的内源基因进行定点编辑,为获得基因缺失突变体提供了新的工具.HD-Zip Ⅲ家族成员REVOLUTA(REV)是植物发育过程中的关键转录因子.本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对拟南芥REV进行特异性定点编辑,构建REV基因编辑表达载体,并利用农杆菌介导的花序浸染法将其转入拟...     

CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术及其在作物品种改良中的应用

基因组编辑技术是用特殊的核酸酶对基因组进行精准修饰的一种新兴技术。2013 年研究人员发现了CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)系统,将其中的CRISPR/Cas9 系统成功改造成RNA引导的核酸内切酶,发展了CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术。该技术能够对包括植物在内的几乎所有物种的基因组进行高效、精准的定点修饰,而且程序简易、操作方便灵活,加速了遗传工程、功能基因组学的研究,给生命科学的各个领域带来了革命性变化。本综述回顾了CRISPR/Cas9 的出现、改进与发展,简述了CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术的作用机理,归纳总结了CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术在作物品种改良、提高作物品质和产量中的应用,最后,分析了该技术在作物品种改良中的发展前景及应用价值,以期为合理利用该技术进行种质创新、品种改良提供理论依据。     

CRISPR-Cas9系统敲除亚麻FAD2基因表达载体的构建

CRISPR/Cas9系统是一种新型基因编辑工具,准确编辑目标基因,广泛应用于动植物的基因编辑中。本实验构建了油用亚麻品种‘陇亚10号’FAD2基因的CRISPR/Cas9基因编辑载体,以CRISPR/Cas9基因编辑技术为切入点,根据Gene Bank中公布的FAD2基因序列(DQ222824.1)在FAD2基因外显子部分运用sg RNA在线设计软件CRISPR-P 2.0对亚麻FAD2基因做脱靶分析,在外显子区域选取2个片段作为靶序列进行敲除。以潮霉素作为筛选标记,采用Golden Gate cloning法构建针对‘陇亚10号’FAD2基因的CRISPR/Cas9基因敲除载体,命名为p YLCRISPR/Cas9-FAD2。将pYLCRISPR/Cas9-FAD2载体导入农杆菌并检测其稳定性,保存菌种以便后期利用农杆菌介导法转化‘陇亚10号’,为深入研究亚麻FAD2基因的功能提供参考。     

靶向马铃薯StProDH1基因的CRISPR/Cas9 sgRNA表达载体构建

CRISPR/Cas9基因编辑系统已成为许多作物基因功能研究和品种改良的重要工具。脯氨酸(Pro)在植物响应干旱胁迫方面起着重要作用,脯氨酸脱氢酶ProDH是脯氨酸分解途径中的限速酶。为了研究StProDH1在马铃薯脯氨酸代谢中的作用,本研究以StProDH1为靶基因,构建了表达马铃薯脯氨酸脱氢酶g RNA的CRISPR/Cas9基因敲除系统,在StProDH1基因5'端第一个外显子上为靶标区域选择设计sgRNA,以p P1C.4为模板,克隆得到sgRNA克隆框,将得到的sgRNA克隆框通过同源重组技术连接到pP1C.4载体中,获得pP1C.4-Cas9-ProDH1-g RNA载体。通过设计引物特异性扩增以及测序进一步确定sgRNA准确地连入载体,这对马铃薯中脯氨酸累积及其培育抗旱马铃薯新品种具有重要意义。     

通过优化gRNA设计提高CRISPR/Cas9系统中基因编辑效率的方法

CRISPR/Cas9系统是一种广泛应用于动物、植物、真菌、细菌的新一代基因定点编辑技术,如何提高g RNA的编辑效率是该技术的关键点也是许多研究者关注的焦点。本研究利用CRISPR/Cas9技术对番茄miR167a前体序列进行基因编辑,根据番茄miR167a前体序列在线设计候选g RNA,同时结合体外编辑检测的方法筛选出能够在体外成功编辑的g RNA-G1,把其连接到含有荧光标记的pP1C.1C表达载体,转化番茄子叶,产生愈伤组织数116个,得到5个含有表达载体的材料,经测序发现,其中3个材料发生了编辑。结果表明,通过体外检测和在线软件设计相结合的方法来快速检测g RNA的编辑效率,能筛选出最优的g RNA用于载体的构建,与未采用体外编辑检测来设计g RNA的方法相比,显著提高了CRISPR/Cas9的编辑效率。本研究通过优化g RNA,创新了一种高效利用CRISPR/Cas9进行基因编辑的方法。