CRISPR/Cas9基因编辑技术在果树作物中的应用研究进展北大核心CSCD

成簇规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)/CRISPR相关蛋白9(Cas9)已成为一种有价值的基因组编辑工具,能够在特定选择的位点改变DNA序列,可以在作物基因组的靶点位置精确地实现删除、替换或插入特定序列,引入理想的目标性状。该工具具有简单、高效、成本低以及功能强大等特性,在柑橘、葡萄、香蕉和草莓等果树中已实现多种类型的应用,包含产生白化表型、调控童期和花期、调控果实品质以及创造矮化和抗病虫害品种等。综述了CRISPR/Cas9系统及其作用过程,介绍了新开发的精准编辑技术,包括单碱基编辑器、引导编辑及CRISPR/Cpf1多基因编辑系统,并详细阐述了CRISPR/Cas9系统在果树基因组编辑中的应用进展,包括果树种类、目标基因及目标性状等,归纳了CRISPR/Cas9系统实现高效编辑所遇到的遗传转化和再生体系、脱靶效应和启动子选择问题,最后提出了不断优化遗传转化和再生体系、合理选择靶位点和设计sgRNA、植物内源启动子及新编辑技术的解决策略。     

梨愈伤组织双靶点CRISPR/Cas9基因编辑系统的建立

为了在梨愈伤组织中建立CRISPR/Cas9基因编辑体系,将proDAM3:GUS转入‘茄梨’愈伤组织,通过构建双靶点的CRISPR/Cas9基因编辑载体,利用农杆菌介导的遗传转化法侵染proD AM3:GUS转基因梨愈伤组织,通过测序及GUS染色的方法检验敲除效果,分析靶基因突变类型。结果表明,共有4个转基因株系在靶位点处发生了基因突变,编辑效率为66.7%。对所有基因编辑株系的有效克隆进行分析,结果显示sgRNA1在靶位点GUST1的突变频率达到71.4%,高于sgRNA2在靶位点GUST2突变频率的46.4%,说明sgRNA1可以更有效地与靶位点结合。测序结果表明,4个基因编辑株系中GUS基因均被敲除,基因突变的类型包含碱基缺失、插入及两个靶点之间大片段的缺失,不存在碱基替换。GUS染色结果显示,基因敲除后的GUS转基因愈伤完全呈白色,说明利用CRISPR/Cas9多靶点基因编辑系统可以在梨愈伤组织中实现高效的基因敲除。     

利用CRISPR/Cas9技术创制番茄粉果和无绿肩材料

以栽培番茄品种（系）Ailsa Craig(AC)、B5和B9为试材，利用CRISPR/Cas9双元表达载体系统，对番茄品质调控关键基因SlGLK2和SlMYB12进行定点敲除。获得AC背景下SlGLK2和SlMYB12的基因编辑植株各9株，B5背景下SlGLK2的基因编辑植株3株，B9背景下SlMYB12的基因编辑植株4株。通过对靶点测序发现，在靶位点的PAM上游3～4 bp处发生了不同形式的碱基缺失、插入或替换，主要以1～10 bp的缺失和单碱基G和T的插入为主；也产生了两靶点间的大片段缺失，最大片段为334 bp。AC背景下敲除SlMYB12产生粉色果实，敲除SlGLK2基因，果实肩部的绿色明显变浅，B5背景下的3株基因编辑番茄均无“绿肩”。本研究中利用CRISPR/Cas9技术在不同番茄种质中成功创制了敲除SlGLK2或SlMYB12的基因编辑材料，以期为番茄品质育种提供优良种质。     

利用发根农杆菌体系检测西瓜CRISPR/Cas9系统的靶位点

西瓜遗传转化技术周期长,过程复杂,CRISPR/Cas9基因编辑系统又存在着一定的脱靶效应,为了保障所选择的靶位点的可行性,本研究选择西瓜ClSPO11-1基因(ID:Cla003301)为靶标,利用CRISPR/Cas9基因编辑系统构建双靶点的基因敲除载体,利用发根农杆菌Ar. Qual菌株侵染西瓜子叶外植体,通过简单的组培过程,使西瓜外植体长出不定根,在不定根中检测到了在靶位点1处发生了不同程度的碱基缺失,经过与野生型氨基酸序列比对分析后发现均造成了翻译提前终止和氨基酸的突变,成功实现了对西瓜不定根的基因编辑,该方法周期短,操作简便,实现了快速鉴定在西瓜中选择的靶位点的靶向效率,为研究西瓜基因功能和遗传改良提供了保障。     

利用CRISPR/Cas9技术创制高番茄红素番茄新材料

以大果型栽培番茄资源“T048”为材料,利用CRISPR/Cas9技术对滞绿基因SlSGR1进行定向编辑。对19株转基因阳性株系进行靶位点序列分析发现,共有10株发生了编辑事件,编辑效率为52.6%。通过测序分析发现,编辑类型涉及碱基的缺失、插入及替换,多数发生在PAM序列上游3～4 bp碱基处,同时也发现了两个编辑位点间共565 bp的序列倒位。表型分析发现,T1代纯合编辑株系叶片衰老减缓,果实表现为铁锈色,且番茄红素、叶绿素及β–胡萝卜素含量显著提高。对类胡萝卜素合成关键基因进行分析发现,纯合编辑株系果实中的SGR1表达量显著降低,而PSY1表达量显著提高。结果表明,通过CRISPR/Cas9技术对滞绿基因SlSGR1进行定向编辑可有效提升番茄果实中番茄红素、β–胡萝卜素等类胡萝卜素含量,进而为番茄营养品质育种提供新种质。     

利用CRISPR/Cas9系统敲除葡萄中VviEDR2提高对白粉病的抗性

利用CRISPR/Cas9系统定点编辑葡萄白粉病感病基因VviEDR2(Enhanced disease resistance2),在VviEDR2的DUF1336结构域设计靶位点VviEDR2-T1,构建CRISPR/Cas9敲除载体,通过农杆菌介导法转化‘无核白’葡萄胚性愈伤组织。对PCR阳性植株进行靶位点扩增测序,结果表明,共有8个转基因植株在靶位点处发生不同类型的双等位基因突变,编辑效率为32%;突变体植株生长势较弱,叶片较小,茎秆丛生、细弱。进一步对突变体植株进行抗病检测,结果表明,接种葡萄白粉菌(Erysiphe necator Schw.)5d后,突变体植株叶片上白粉菌孢子仅能萌发出少量较短初级菌丝,表皮细胞产生大量明显的H2O2,而野生型叶片中白粉菌萌发出大量初级菌丝、次级菌丝和吸器,无明显H2O2产生。这些结果表明,可以利用CRISPR/Cas9技术编辑葡萄感病基因VviEDR2,提高葡萄白粉菌抗性。     

遗传发育所在作物基因组单碱基编辑方法研究中取得进展

<正>单核苷酸点突变是作物许多重要农艺性状发生变异的遗传基础。单碱基的变异会导致氨基酸替换或蛋白质翻译终止,使基因功能发生改变,从而有可能产生优良的等位基因与优异性状。传统诱变及单碱基突变筛选技术(如TILLING)需要进行基因组规模的筛选,耗时、耗力且鉴定到的点突变数目和种类有限。基因组编辑技术,特别是基于CRISPR/Cas9系统的基因组编辑     

基于COI基因对两种粉蚧遗传差异的研究

以柑桔臀纹粉蚧Planococcus citri和大洋臀纹粉蚧Planococcus minor为材料,提取粉蚧基因组DNA,通过COI基因作为分子标记,初步分析了它们的遗传差异和遗传进化关系。结果表明,获得两种粉蚧线粒体COI基因序列各9条,经校对编辑后序列长度为591 bp。其中T、C、A、G碱基平均含量分别为48.3%、10.3%、36.3%和5.1%。18条COI序列共定义4个单倍型,其中检测到变异位点15个,包含单一突变位点1个、简约信息位点14个。两种粉蚧的单倍型比例均为22.2%;Kimura 2-parameter遗传距离显示,种间遗传距离范围为0.001~0.024,平均遗传距离0.012。NJ进化树及ML进化树分析,两种粉蚧各自聚为1个支系。碱基替换饱和性分析显示,两种粉蚧碱基替换成线性关系,未达到饱和状态;经Tajima’s D检验,大洋臀纹粉蚧种群内存在高频稀有等位基因,而柑桔臀纹粉蚧低频稀有等位基因占主导。说明两种粉蚧的系统发育趋于保守,从长远看两种粉蚧形态特征有较大的的区别需要较长时间的发育进化。     

CRISPR/Cas9技术在天目地黄RcPDS1基因编辑中的应用

为了研究CRISPR/Cas9技术在天目地黄基因编辑中的应用，克隆了天目地黄（Rehmannia chingii）的八氢番茄红素脱氢酶基因（Rc PDS1），利用PCR方法扩增其c DNA序列和基因组DNA序列。通过构建单靶点CRISPR/Cas9载体，利用根癌农杆菌介导的遗传转化方法侵染天目地黄无菌苗叶盘，通过TA克隆测序法分析基因编辑的类型。结果显示，克隆获得了1个天目地黄Rc PDS1的全长c DNA序列，其具有1个长度为1 743 bp的开放阅读框，编码580个氨基酸残基，基因组DNA序列长度8 041 bp，包含14个内含子和15个外显子。通过遗传转化共获得57个转基因再生株系，其中具明显白化表型的株系有20个（35.09%）。TA克隆测序结果显示，Rc PDS1靶位点突变类型主要包括碱基缺失、替换和插入。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在天目地黄中成功实现了对Rc PDS1基因的靶向敲除。     

茶树菇线粒体中间肽酶基因克隆分析及其在A交配型鉴定中的应用

以茶树菇为研究对象,依据基因组序列,通过长程PCR扩增获得YSG和AC0007菌株线粒体中间肽酶基因(mitochondrial intermediate peptidase encoding gene,mip)。结果表明:该基因与A交配位点连锁,可以其作为A交配位点克隆的靶位点。序列分析发现,该位点的C段编码区高度保守,设计的特异性引物可以在群体中获得mip基因的保守区,另外其N端编码区的变异区域可以为A交配位点鉴定提供特异的靶标,为食用菌遗传及育种研究提供重要的基础。     

辣椒SSR标记的开发和高密度遗传连锁图谱的构建

为了方便辣椒的标记辅助育种和遗传分析,我们利用辣椒基因组富集文库和公共数据库辣椒的cDNA序列,从中开发了一批非冗余的、具有2～3个碱基基序的SSR(simple sequence repeat)标记。SSR富集文库由三种限制性内切酶(AluI、HaeⅢ、RsaI)和两种生物素标记的寡核苷酸探针b(GA)15和b(CA)15共同构建而成。从6528个克隆开发了1736个基因组SSR标记,从13003个序列中获得了1344个cDNA序列来源的SSR标记。利用自交系K9-11和MZC-180的种内杂交种(K9-11×MZC-180)获得了双单倍体分离群体,并用于遗传作图。将597个标记定位到该连锁图上,其中包括265个新开发的SSR标记。将该遗传图谱命名为KL-DH,它包括12个连锁群,覆盖了2028cM的遗传距离,标记间的平均距离少于4cM。将KL-DH图谱的框架结构与已发表的COSⅡ图谱进行了比较,并利用番茄的基因组序列来整合两个图谱。COSⅡ图谱是由C.frutescens×C.annuum种间杂种的F2分离群体构建而成。本研究所建立的种内杂交KL-DH图谱和种间杂交COSⅡ图谱在图谱长度和标记分布上比较相似,表明KL-DH图谱几乎覆盖了整个辣椒基因组。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在大型真菌研究中的应用现状

大型真菌与人类生活密切相关,但大部分大型真菌缺乏高效的遗传操作系统,极大地影响了功能基因功能分析及遗传改良研究。近年来CRISPR/Cas9基因编辑技术发展迅速,已经成为生命科学研究领域不可或缺的技术之一。笔者概述了CRISPR/Cas系统的结构类型及CRISPR/Cas9系统作用机理,介绍了CRISPR/Cas9基因编辑技术在大型真菌研究中的应用现状,并针对Cas9和sgRNA的表达、遗传转化策略、靶位点选择等影响编辑效率的关键问题进行了分析讨论,旨在为该技术在大型真菌研究中的应用提供参考。     

甜瓜基因组SSR位点分布规律与多态性初探

以3个甜瓜品种"BM7"、"伽师瓜"和"Y8"为试材,选取甜瓜基因组的3个DNA区域进行SSR位点的分布规律分析,进一步通过聚丙烯酰胺凝胶电泳检验甜瓜基因组SSR位点的多态性,以期初步揭示甜瓜基因组中SSR位点的分布规律及其多态性,进而为甜瓜及其它物种开展相关研究提供参考。试验表明:甜瓜基因组中平均每1.9kb就有一个SSR位点,富含A和T的重复基序出现的频率远高于富含C和G的重复基序的频率,没有发现全部由C、G构成的重复基序;二、三、四碱基重复基序的SSR位点占绝大多数(83.3%),五、六碱基重复基序的SSR位点分布较少(16.7%)。二、三、四、五、六核苷酸重复基序SSR位点平均长度依次为21、15、14、16、20bp。设计的82对SSR引物中81对扩增出产物,多态比例最高为48.1%。试验表明,甜瓜基因组中SSR分布具有一定规律,并且可以利用SSR分子标记开展相关研究;试验同时对更好地开展SSR和ISSR分子标记的相关研究奠定了理论基础和依据。     

利用CRISPR/Ca9技术靶向编辑芥蓝BoaZDS

以芥蓝(Brassicaoleraceavar.alboglabra)为材料,以ζ–胡萝卜素脱氢酶(ζ-Carotene desaturase,ZDS)基因为目标基因,建立其CRISPR/Cas9基因组编辑体系。在BoaZDS的编码区近5′端选择靶位点,构建了CRISPR/Cas9表达载体,通过农杆菌介导的遗传转化方法获得了19个芥蓝转基因阳性植株,Sanger测序分析发现其中13株成功突变,CRISPR/Cas9载体在芥蓝上的突变效率为68.42%,且所有突变植株均表现出明显的白化表型。     

利用CRISPR/Cas9技术敲除青花菜BoSP11创制自交亲和系

通过CRISPR/Cas9技术敲除SRK基因或者SP11基因可以直接将甘蓝类蔬菜自交不亲和材料改造成自交亲和材料。本研究中根据全基因组重测序获得青花菜(Brassica oleracea var.italic) BoSP11基因序列,构建双靶位点的CRISPR/Cas9基因编辑载体,利用农杆菌介导的遗传转化法对BoSP11进行敲除。结果显示,获得的29株转基因植株中有23株发生基因突变,编辑效率为79.3%。TA克隆测序结果表明有4株为纯合突变,19株为杂合突变。统计纯合突变T₀代自交结籽情况发现花期自交亲和指数高达6.82,为目前所报道的能获得的亲和性最高指数。T₁代植株在隔离大棚中通过蜜蜂授粉平均单株采收种子24.8 g,完全实现不需要人工干预完成亲本材料的自交繁育。     

狗枣猕猴桃叶绿体基因组微卫星特征分析

利用NCBI数据库收录的狗枣猕猴桃(Actinidia kolomikta)叶绿体基因组序列,应用MISA工具对其序列中的微卫星进行查找并对其分布规律进行分析。结果表明:狗枣猕猴桃叶绿体中共有41个重复单元长度为1~6碱基的微卫星重复序列,主要分布在LSC和SSC区域。其中单碱基重复的微卫星单元最为丰富,共28个,占重复序列总数的68.3%;二碱基重复单元次之,约占重复序列总数的19.5%,三碱基重复单元和六碱基重复单元个数相同,均约占重复序列总数的4.9%;五碱基重复单元个数最少,约占2.4%。在单碱基重复、二碱基重复和三碱基重复类型中,A/T、AT/TA、AAT/ATT为最主要的重复单元。分析还发现,该研究结果中单碱基重复单元变化次数最高,说明在狗枣猕猴桃叶绿体基因组中重复单元较短的微卫星变异速率较快,而重复单元较长的微卫星变异速率较慢。研究结果可为开发猕猴桃属植物叶绿体通用引物提供理论依据。     

甜瓜果肉硬度KASP标记的开发与应用

为提高不同果肉硬度类型甜瓜材料的选择效率,以脆肉甜瓜自交系20S11和软肉甜瓜自交系20S75为亲本,构建F₂与BC₁F₁群体,分析了果肉硬度性状的遗传规律为单基因遗传,脆肉相对于软肉为显性。根据F₂分离群体构建果肉硬度极端性状混池,利用全基因组重测序结合图位克隆技术,将果肉硬度基因CmPf1定位在10号染色体上约54.71 kb的区域内。通过重测序分析发现,软肉甜瓜20S75中编码GATL3(galacturonosyltransferase-like 3)的基因MELO3C012216(CmGATL3)存在1处终止密码突变,位于编码区第567位碱基处(C–G),导致蛋白翻译提前终止,造成转移酶蛋白结构域完全缺失。利用qRT-PCR对CmGATL3进行表达模式分析,结果显示其在脆肉甜瓜20S11中的表达量显著高于软肉甜瓜20S75。基于上述变异位点,开发PF-KASP分子标记并对56份甜瓜自交系材料进行基因型检测,其中脆肉材料均表现为C︰C型,软肉材料均表现为G︰G型,标记呈共显性。进一步利用PF...     

利用mRNA差异显示技术克隆辣椒抗疫病相关基因片断

利用差异显示技术,以感病对照品种B27、中抗疫病品种A3、高抗疫病品种A11为试材,用辣椒疫霉菌诱导处理6叶期幼苗,进行接种前后基因差异表达分析.采用3条锚定引物5′dT12A/G/C 3′和20条随机引物(B0301-B0320)组合,进行反转录差异显示PCR,克隆并分析辣椒疫病抗性相关基因.共获得差异表达片段7条,经BLAST检索,发现T12C/B0312-251(GenBank登录号EU280142)与粉蓝烟草的推测编码ml基因的部分mRNA有90%的同源性;T12C/B0312-248(GenBank登录号EU280143)与辣椒编码区序列ERD15 mRNA有99%的同源性;T12G/B0312-339(GenBank登录号EU280144)与番茄mRNA序列113946R克隆有92%的同源性,片段T12C/B0307-170,T12G/B0317-374,T12A/B0320-235,T12A/B0320-195未发现其与已报导的序列有同源性.该试验所得的差异片段推测为与辣椒疫病抗性相关的基因.     

松乳菇ITS序列比较及其在乳菇属中的系统发育分析

提取江苏、云南、江西、湖南、广西、安徽、湖北地区的松乳菇(Lactarius deliciosus)、红汁乳菇(L.hatsudake)、橙色乳菇(L.akahatsu)和鲑色乳菇(L.salmonicolor)共25个子实体样本的基因组DNA,扩增ITS序列,对GenBank下载和本次及以前测序的松乳菇ITS序列的碱基组成、变异位点及碱基替换类型进行分析,从GenBank下载乳菇属其它8个种,构建乳菇系统发育树。结果显示:松乳菇ITS序列共有20 bp长度的变化,碱基C、T含量大于G、A含量。变异位点ITS共有99个(ITS1 58个、5.8S 4个、ITS2 37个),其中主要是T与C的转换,转换与颠换位点数分别为8和5。ITS1、5.8S、ITS2中转换与颠换的比值R分别为2.34、1.95、1.12。基于ITS序列计算不同地区松乳菇间的遗传距离,江西与意大利、西班牙,法国与西班牙序列间的遗传距离最大为0.012,云南和法国序列间遗传距离为0,是同源序列。系统发育树显示:松乳菇和红汁乳菇、橙色乳菇亲缘关系较近。     

羽衣甘蓝中一个突变型肉桂酸- 4 - 羟化酶基因的克隆及分析

 以羽衣甘蓝为材料, 克隆了全长2 431 bp的肉桂酸- 4 - 羟化酶基因BoC4H。它有两个内含子, mRNA为1 715 bp, 编码一个481个氨基酸的推导蛋白, 与其它植物C4H有广泛同源性。它含有细胞色素P450保守域和特征基序, 如血红素结合域、E - R - R三联体、含T的结合槽基序、酶正确定向必需的铰链基序。BoC4H具有C4H /CYP73A5的大部分特征性底物结合位点基序( SRSs) 和酶活性位点残基,但与拟南芥等植物C4H相比其编码区3′发生了C₂₂₄₂单碱基缺失和相应移码, 导致其蛋白C - 末端缺失/变异了36个残基, SRS6基序和其上的活性位点残基也相应缺失, 因此BoC4H可能无功能或活性低。BoC4H为膜蛋白, 可能定位于内质网, 其二级结构主要为α - 螺旋和随机卷曲。Swiss-Model不能预测出其三级结构。甘蓝中存在一个至少由5个成员构成的C4H基因家族。