作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/27 19:56:20
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毛竹遗传转化体系建成,可实现基因组精准编辑

 

 毛竹未成熟胚离体再生过程。亚林所供图

毛竹基因组测序已于2013年完成,通过多种组学手段挖掘出大量与重要经济性状相关的候选基因。但由于缺乏稳定的遗传转化体系,目前尚未有基因在毛竹体内得以验证。

近日,中国林业科学研究院亚热带林业研究所(以下简称亚林所)在毛竹遗传转化和基因编辑技术方面取得突破性进展,并在线发表于《植物科学前沿》(Frontiers in Plant Science)。该研究成果利用毛竹未成熟胚为外植体诱导愈伤组织和不定芽分化,建立了高效离体再生及遗传转化体系。在此基础上,通过启动子优化成功实现了CRISPR/Cas9技术在毛竹基因组中的精准编辑。

论文通讯作者、亚林所副研究员乔桂荣说,竹子是重要的森林资源之一,具有非常重要的生态、经济和文化价值。由于竹类植物特殊的开花生物学特性,很难通过有性杂交育种,主要依赖于自然变异选育新品种。

项目组在前期已建立了丛生竹代表竹种麻竹的花药培养体系,于2014年首次实现了麻竹转基因技术体系的建立和应用,并获得了全球首例竹子转基因中间试验许可。

“毛竹为散生竹代表竹种,在繁殖及生长习性方面与丛生竹中有所不同,其离体再生体系较丛生竹难度更大。”乔桂荣说,利用毛竹成熟胚可以诱导愈伤组织并分化出不定芽,但仍存在外植体灭菌困难、再生频率低等问题。

因此,建立高效的毛竹遗传转化和基因编辑体系,鉴定调控毛竹重要经济性状的基因功能,并利用转基因手段获得目的性状改良的新品种,在解析调控毛竹重要经济性状的分子机理、推进毛竹分子育种进程等方面具有重要意义。

论文共同第一作者、亚林所研究员卓仁英说,该研究成果利用毛竹未成熟胚为外植体,通过不同激素浓度组合处理,最终获得了愈伤组织诱导率和不定芽分化率分别超过60%和40%的最佳培养基。通过对遗传转化条件如抗生素筛选浓度、菌液侵染浓度、侵染时间和方式等进行优化,转化率可达5%左右。

研究还克隆了2个毛竹内源U3 SnRNA启动子,通过与水稻U3启动子比较分析,发现PeU3.1启动子驱动的sgRNA显示出更高的编辑效率,进而用于毛竹基因组编辑。研究以八氢番茄红素脱氢酶基因(PDS)为例,在四个拷贝序列中设计了保守sgRNA位点,结果显示85.7%的再生植株在该sgRNA位点发生了突变,主要以缺失突变为主,42.9%的再生植株为pds1pds2纯合突变体,表现为白化表型。

该研究建立了较高的毛竹离体再生体系,在毛竹遗传转化技术方面取得了突破性进展,成功将CRISPR/Cas9技术应用于毛竹并实现了精准编辑,将极大地推动毛竹基因功能研究及转基因育种研究进程。

该研究获得“十四五”国家重点研发计划和中国林业科学研究院基本科研业务费的资助。研究结果获得授权国家发明专利1件。

相关论文信息:https://doi.org/10.3389/fpls.2022.822022

 
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