利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得水稻OsMADS56基因突变体

OsMADS56是水稻中长日照下的开花抑制基因,与拟南芥中同时影响开花时间和花发育的SOC1同源。为了深入探究OsMADS56基因对水稻开花时间的调控功能,本研究利用反向遗传学的方法通过CRISPR/Cas9基因编辑技术对OsMADS56基因设计了2个特异性敲除靶位点,构建了OsMADS56基因敲除载体,并通过农杆菌介导的转化方法成功获得了野生型粳稻9522背景的转基因苗。鉴定结果显示9棵OsMADS56转基因苗中包含了3种纯合突变类型,包括第一个外显子第45号碱基处缺失了一个G碱基、缺失了包含了第一个起始密码子的100个碱基对以及在第5个外显子第322号碱基处插入一个A碱基。通过蛋白序列比对分析,发现这三种类型的突变均造成移码突变和蛋白翻译提前终止引起保守结构域的缺失。本研究获得的水稻OsMADS56基因的三个突变体株系对今后进一步深入研究该基因的功能具有重要意义。     

利用CRISPR/Cas9技术编辑Badh2基因改良粳稻香味

CRISPR/Cas9基因编辑技术已经成为水稻育种新型手段,香稻育种一直是水稻育种行业的研究热点,水稻香味主要由8号染色体上的甜菜碱脱氢酶基因Badh2控制。为了改良原有品种的香味性状,促进香稻育种的发展,以非香型粳稻品种东农425为试验材料,构建了2个CRISPR/Cas9敲除载体对Badh2基因进行定点编辑,第1个载体(p YLCRISPR/Cas9-B1-gRNA)的2个靶点分别位于第2和第3外显子上,第2个载体(p YLCRISPR/Cas9-B2-gRNA)的2个靶点均在第2外显子上。采用农杆菌介导法对东农425进行遗传转化,成功获得了T0纯合植株,并对其衍生出的T1植株进行T-DNA元件检测,共获得8个突变类型不同且不含有转基因成分的纯合突变株系。同时采用咀嚼法和氢氧化钾浸泡法对这8个纯合突变株系的水稻籽粒进行香味检测,结果表明,8个Badh2株系均具有不同程度的香味,总体上载体p YLCRISPR/Cas9-B1-gRNA编辑的3个株系的香味更为浓郁。对这8个纯合突变株系的主要农艺性状进行考察,发现突变株系的穗数、穗粒数、结实率及千粒质量与野生型相比均没有明显差异。综上,本研究对东农425的Badh2基因成功地进行了编辑,并获得了香味显著提高且无转基因成分的纯合突变体材料,为加快香型粳稻品种的培育提供了技术支持。     

利用CRISPR-Cas9技术制备水稻LOC＿Os01g07170突变体

在真核生物中,HORMA结构域具高度保守性,含HORMA结构的蛋白在细胞减数分裂中具有重要作用。LOC_Os01g07170蛋白具有HORMA结构域,系统进化树分析表明该蛋白与拟南芥ASY1相似度较高,且该基因在生殖器官大量表达,推测LOC_Os01g07170基因可能参与细胞的减数分裂。本研究利用CRISPR-Cas9技术对LOC_Os01g07170基因进行敲除,在该基因上设计了两个靶位点,构建LOC_Os01g07170基因敲除载体,采用农杆菌介导的方法转化水稻粳稻品种9522,获得T0代转基因苗。结果显示突变靶点1处共获得7棵转基因苗,鉴定得到3株纯合突变体,突变类型为在第3个外显子的第1 137号碱基缺失1个C碱基;突变靶点2处共获得11株转基因苗,有4株纯合突变体,突变类型为在第4个外显子的第1 501号碱基处插入1个C碱基。分析氨基酸序列,发现这2种突变株系都存在移码突变而使氨基酸翻译提前终止。本研究成功利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得了水稻LOC_Os01g07170基因的两个突变类型的株系,为进一步研究LOC_Os01g07170基因功能提供了遗传材料。     

聚合R基因Pigm和非R基因bsr-d1改良水稻稻瘟病抗性

综合利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和基因芯片技术,聚合主效R基因Pigm和非R基因bsr-d1,以改良优良食味水稻品种水晶3号的稻瘟病抗性。首先利用CRISPR/Cas9基因编辑系统,以Bsr-d1为靶基因构建重组表达载体并通过农杆菌介导法转化水晶3号,筛选获得无T-DNA元件的bsr-d1纯合突变体,包括T插入、G插入、GA缺失、CGCA缺失和CGCAGA缺失5种突变类型。以无T-DNA成分的bsr-d1纯合突变体为母本、以携带Pigm基因的金玉1号为父本杂交、回交、自交,并利用分子育种芯片同时进行Pigm基因和背景辅助选择,最终获得抗病基因(同时携带bsr-d1和Pigm基因)纯合,且背景回复率均在96%以上的水晶3号改良株系(SJ3-G1、SJ3-G2、SJ3-G3、SJ3-G4、SJ3-G5)。稻瘟病抗性鉴定结果表明,各改良株系对稻瘟病生理小种GUY11的叶瘟抗性与野生型相比均显著提高;接种稻瘟病菌后,改良株系叶片中POD活性显著低于野生型对照,H₂O₂含量则显著高于野生型对照。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术结合基因芯...     

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碱基A,导致氨基酸的移码突变而提前终止。利用种皮特异启动子控制表达的m Cherry荧光蛋白,可以在T_1代纯合突变体种子群体中分别鉴定出发荧光和不发荧光的种子家系,抗性筛选及分子检测发现不发荧光家系为Cas9-free的AtPAE4突变家系。对AtPAE4突变体的根、茎、叶进行qPCR分析发现AtPAE4在根、茎、叶上的转录水平均显著下调。这些结果表明可视化CRISPR/Cas9系统在基因编辑后代中可快速鉴定到Cas9-free突变体植株,这有助于为进一步研究靶基因功能而获得背景清晰的编辑材料。     

水稻OsCDF1基因突变效应及其基因组变异分析

开花期(又叫抽穗期)影响水稻的产量、品质和地区适应性。在拟南芥中, Cycling DOF Factor 1 (CDF1)蛋白质是CONSTANS(CO)的转录抑制因子,负向调节拟南芥的开花期。但是,水稻中的同源蛋白OsCDF1的功能尚不完全清楚。为了揭示OsCDF1在水稻中的生物学功能及其对开花期的影响,本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术设计定向敲除水稻OsCDF1基因的2个靶位点,构建OsCDF1基因的敲除载体;通过农杆菌介导的方法分别转化北方粳稻品种沈农9816,创制OsCDF1基因的突变体;分析沈农9816和oscdf1突变体在田间种植下的开花期和产量性状的差异。主要研究结果为:创制了在第1个外显子的第16bp处缺失5个碱基和在第2个外显子的338bp处单碱基A插入的oscdf1纯合突变。序列比对分析表明,这2种类型的突变均造成移码和蛋白翻译提前终止。在自然长日照条件下, oscdf1突变体的开花期比野生型沈农9816晚4 d以上,其产量高于野生型。对OsCDF1单倍型和单倍型网络分析发现, OsCDF1在不同品种中进化出高度多样性。本研究成功利用CRISPR/Cas...     

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。     

基于CRISPR/Cas9技术对水稻ALOG家族成员的基因敲除突变体的构建

ALOG (Arabidopsis LSH1 and Oryza G1)基因家族成员广泛存在陆生植物中,并在其生长发育的过程中起到关键作用。在水稻ALOG基因家族中总共有10个成员(G1, G1L1～G1L9),G1、G1L5和G1L6已经被证明是影响水稻花发育的关键基因,然而其余7个基因成员的功能还未知。本研究使用CRISPR/Cas9基因编辑系统对水稻ALOG基因家族功能未知的7个成员进行基因敲除,得到它们的突变株系,借此研究它们的基因功能并观察植株表型。在得到的所有T0代突变体植株中,G1L1、G1L2、G1L3、G1L8和G1L9经过测序和解码已经检测到各自纯合的突变株,经过对纯合突变株基因型和氨基酸序列的分析发现,它们各自的序列都发生移码并且编码的氨基酸序列都存在不同程度的突变,说明基因敲除成功。通过对T0代纯合植株的表型观测,我们在G1L1和G1L2的纯合突变株中发现了穗发育缺陷的表型,即主穗轴变长,且上面的小穗变少。本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对水稻ALOG基因家族成员进行敲除,为进一步研究水稻发育尤其是水稻花发育调控分子机制提供了重要的遗传材料。     

利用基因编辑技术培育糯性水稻

为建立糯稻品种培育新体系,本试验研究了利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对Waxy(Wx)基因定向突变进而培育糯稻的效果。在Wx基因的第2、第7、第8、第10、第11和12外显子区域设计6个靶位点,构建CRISPR/Cas9基因编辑表达载体,采用农杆菌介导法将基因编辑载体转入粳稻品种哈勃601,获得11~88株转基因再生植株。突变分析表明,转基因株突变率总体偏低(0%~30.77%),仅在第2、第7和第11外显子上发生突变,以1~2 bp的插入缺失为主,都为纯合或双等位突变。5份纯合T2突变体的稻米呈蜡质状,直链淀粉含量为由亲本的15.5%降至2.0%~2.6%,接近或达到糯稻水平,其RVA谱与糯稻对照相仿,淀粉粘滞性较亲本哈勃601显著下降。上述结果表明,通过利用CRISPR/Cas9可对Wx基因进行定向突变从而获得糯性材料,但在利用该技术培育新品种时,需要选择适当的靶位点并培育较多的突变体,才能从中选到符合国家标准的糯稻品种。本研究对利用基因编辑技术培育水稻新品种提供了科学依据。     

利用CRISPR/Cas9技术创建OsGPRP家族基因突变体

本研究利用CRISPR/Cas9技术对水稻OsGPRP家族基因进行敲除,在3个水稻OsGPRP基因的第一个外显子PAM序列区域各设计一个靶位点,并将3个靶位点的sg RNA进行串连,成功构建了3个OsGPRP基因同时敲除的CRISPR/Cas9载体;采用根癌农杆菌介导的遗传转化获得了60株T0代CRISPR转基因植株;通过PCR扩增和测序分析,我们获得了2种不同类型的OsGPRP3单基因突变材料;6种不同类型的OsGPRP2/OsGPRP3两基因突变植株;1种类型的OsGPRP1/OsGPRP3两基因纯合突变植株和4种不同类型的OsGPRP1/OsGPRP2/OsGPRP3三基因突变材料,为进一步研究OsGPRP家族基因的生物学功能及其相互关系提供遗传材料。     

基于CRISPR/Cas9技术创制宜直播香型水稻

水稻香味可显著改善稻米品质,香稻相较于普通稻米更易获得消费者青睐。为快速创制宜直播香型水稻新种质,探索提高豫南地区籼稻稻米品质新途径。本研究以宜直播籼稻品系‘直优151’和粳稻模式品种‘日本晴’为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,在水稻香味基因Badh2第2和7外显子处分别设计靶序列,构建pC1300-Cas9-E2单敲除表达载体和pC1300-Cas9-E2-E7双敲除表达载体,并分别转化‘直优151’和‘日本晴’。经筛选鉴定共获得21株‘直优151’突变株系和32株‘日本晴’突变株系,包括纯合突变、双等位突变和杂合突变类型。与野生型相比,突变体株系的株高、有效穗数、每穗总粒数、结实率和千粒重均未发生显著变化。使用气相色谱质谱法测定突变株系稻米中香味物质2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)含量,结果表明,与野生型相比各突变株系2-AP含量均极显著提高。本研究基于CRISPR/Cas9技术成功对水稻香味基因Badh2进行靶向编辑,快速创制了宜直播种植的香型‘直优151’突变株系,为豫南稻区直播籼稻提供了优质香型新种质。     

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工具分析靶位点特异性,最终构建一个双靶点的CRISPR/Cas9敲除载体。以粳稻品种‘中花11’作为受体,使用农杆菌遗传转化法转化受体获得21株T0代转化苗,通过对潮霉素抗性基因进行检测获得17株阳性苗。对17株阳性苗的2个靶位点分别进行测序分析,有13株在靶位点1发生编辑,突变频率为76.4%。全部植株都在靶位点2被成功编辑,突变频率为100%。不同靶位点发生的突变样式有较大差异。设计InDel标记用于重点株系10的分子标记辅助选择育种,最终获得无T-DNA成分的普通粳稻核不育系。本研究创制的新的rms2突变体和不含转基因成分的rms2粳稻不育系,不仅丰富了rms2的突变类型,也为进一步研究GDSL脂肪酶功能和粳型第三代杂交水稻创制了重要的材料。     

利用CRISPR/Cas9技术对水稻香味品质进行遗传改良

为了获得经济价值更高的香稻品种,利用成熟的CRISPR/Cas9技术,在水稻Badh2基因上设计sgRNA-E2和sgRNA-E3 2个靶位点,对超级稻品种龙粳31的香味品质进行改良,其中靶位点sgRNA-E2跨第2个内含子和第2个外显子,靶位点sgRNA-E3位于第3外显子区。经检测共获得有碱基突变的转基因植株6株,其中2个单株为纯合突变,4个单株为双等位突变。突变类型包括碱基缺失、插入及碱基变异,其中突变单株Badh2-E2-13有大片段缺失,为双等位突变,分别缺失64,108 bp。在转录水平上发现6个突变株系的Badh2基因表达量均比野生型显著降低(P0.05)。通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术检测T_0突变体种子的香味物质2AP含量,发现5个突变单株的2AP含量相对野生型显著提高(P0.05),2个突变单株达到阳性对照(信香粳1号)水平,其中1个相比阳性对照显著提高。通过对6个突变株系的T_1主要农艺性状的调查发现,3个株系在香味物质含量提高的同时主要农艺性状和野生型没有显著差异。进一步对T_1植株进行筛选,共获得了无转基因序列的突变单株10个。综上,利用CRISPR/Cas9技术成功对超级稻品种龙粳31的香味品质进行了遗传改良,实现了香味物质含量的显著提高,为香稻和超级稻的育种提供了基础材料。     

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。     

基于Cas9-Free的拟南芥ALB3基因编辑载体构建及验证

建立一种高效安全的基因定点编辑体系,为研究植物的光合作用途径以及生理代谢过程提供理想材料。针对拟南芥靶基因ALB3设计2个sgRNA,引导Cas9蛋白识别PAM位点,从而实现ALB3基因的大片段敲除;将荧光筛选标记基因mCherry组装到CRISPR/Cas9载体中,构建一种带有荧光筛选标记的CRISPR/Cas9载体;利用农杆菌转化法转化拟南芥,对其后代进行筛选验证,在倒置荧光显微镜下挑选便可获得Cas9-Free的纯合突变种子。测序结果表明,含有可视化筛选标记基因的拟南芥ALB3基因编辑载体序列与预期一致,由此证明载体构建成功;通过倒置荧光显微镜观察,发现阳性转化拟南芥T_0种子含有红色荧光标记,表观观测以及分子鉴定表明T_1植株得到纯合突变后代,条带大小小于野生型,白化突变性状明显。挑选T_1不含荧光的种子进行培育得到的T_2植株,经分子鉴定发现已成功实现Cas9-Free且植株白化。本研究成功构建了一种带有荧光筛选标记且可实现拟南芥ALB3基因敲除的CRISPR/Cas9载体,并获得Cas9-Free的纯合突变植株,为拟南芥基因高效编辑载体的构建以及Cas9-Free基因编辑后代的获得提供了借鉴与参考。     

利用CRISPR/Cas 9基因编辑技术提高贵州禾产量研究

以贵州禾糯稻黎平杂边禾为研究材料,设计水稻产量控制关键基因OsCKX2的CRISPR/Cas 9编辑特异性靶点序列,构建水稻OsCKX2基因的CRISPR/Cas 9定点编辑载体,并利用农杆菌介导法导入黎平杂边禾,通过潮霉素筛选及PCR分子检测,获得20个独立的转基因植株。对筛选获得的转基因T_0代植株基因进行测序比对,获得7株OsCKX2基因靶位点被编辑的突变转基因植株。对纯合的突变体T_1代植株农艺性状进行分析发现,与野生型黎平杂边禾相比,突变体的穗粒数增加16.67%,单株产量增加25.03%。本研究获得了产量增加的黎平杂边禾基因编辑的新种质。     

CRISPR/Cas9植物基因编辑系统敲除棉花GhSBP基因表达载体的构建

基因编辑技术是研究基因功能的一个有效工具。CRISPR/Cas9系统是基于细菌Ⅱ型免疫系统改造而成的一种全新的基因编辑系统。因其相对于ZFNs、TALENs更加简单高效,适用于普通分子生物学实验室。各种植物特异的CRISPR/Cas9载体被构建并快速应用于多种植物中。本实验以棉花GhSBP基因为编辑对象,构建了CRISPR/Cas9系统敲除GhSBP基因的表达载体,并利用农杆菌介导法转化棉花,以期获得敲除GhSBP基因的棉花转基因株系。     

利用CRISPR/CAS9基因编辑技术创制香型郑稻19新种质

有特殊香味的稻米深受我国消费者欢迎,是优质水稻的重要指标之一,本研究通过基因编辑创制香型优质水稻新种质。水稻中甜菜碱醛脱氢酶基因Badh2是控制香味的关键基因,以适于直播品种郑稻19为供体材料,利用CRISPR/CAS9技术定点突变水稻Badh2基因。获得T0代转基因阳性植株11株,其中9株子粒有香味,检测6个香型T1株系靶点序列,6个株系均发生突变,发现7种突变类型,5种是缺失类型,2种插入类型,其中3个株系（T1-2、T1-3和T1-7）出现双等位突变。6个T1代株系共测序22个单株,检测到纯合突变10株;T2代检测28株,其中纯合突变21株。以潮霉素抗性基因引物检测T1-2、T1-6和T1-7株系后代单株载体脱落情况,T1代3个株系未获得无载体纯合突变单株,T2代中获得8株无载体纯合突变单株,来源于T1-2株系有3株,来源于T1-7株系5株。T0代9株香型单株子粒2-AP含量1.259±0.072μg/g,T1代8个突变株系2-AP含量0.537±0.111μg/g,均显著高于对照郑稻19。考察中选T1-2、T1-7株系的农艺性状,与郑稻19无显著差异。这些无载体突变单株可作为香型种质在种质创新和育种中应用。     

利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得水稻osarf8-1杂合突变体

为了研究生长素是如何参与调控植物的生长发育过程,我们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,设计水稻生长素响应因子OsARF8的两个靶点,对水稻中的该基因进行敲除。构建基因编辑载体pBIN-sg R-Cas-Os,通过农杆菌介导转化水稻品种‘9522’。我们从潮霉素抗性筛选出的28株转基因植株中鉴定得到针对OsARF8的一种杂合突变类型,共计6棵在外显子第174号碱基处缺失一个C碱基的杂合突变类型osarf8-1,该处碱基突变所对应的是第7个氨基酸的变化,导致亮氨酸(Leu)变成色氨酸(Trp),自此处开始随后的氨基酸序列发生移码突变,并且提前终止于第123个氨基酸,正好位于Os ARF蛋白的DBD功能域的最始端(DBD为120~222个氨基酸),说明DBD功能域在该突变体中完全不能表达,ARF8蛋白的功能将受到极大的影响。本研究成功利用CRISPR-Cas9基因编辑技术精确地敲除了水稻OsARF8基因,为CRISPR技术在水稻中的应用提供了一个可供参考的范例,同时也为进一步研究OsARF8基因功能提供了重要的参考依据。