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高彩霞研究組在小麥基因組編輯遞送系統研究中取得新進展

  植物基因編輯的一個關鍵步驟是Cas9蛋白和sgRNA遞送到植物細胞中發揮作用,目前植物中的递送方式主要有农杆菌和基因枪转化两种,都需要通过较长时间的组织培养和再生才能获得完整的突变体植株。然而,组织培养和再生仍然是植物基因編輯的限速步骤,對于一些单子叶植物,尤其對于包含庞大且复杂的六倍体基因组的普通小麦,其基因组编辑尤为困难。開發無需組織培養且不受基因型限制的遞送系統是植物基因組編輯需要解決的關鍵技術問題。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队和中国农业大学李大伟团队合作开发了基于大麦条纹花叶病毒(BSMV)sgRNA遞送載體系統—BSMV-sg,在小麦中成功建立了高效、可遗传、不需要组织培养基因组编辑递送系统。该研究將sgRNA搭載到BSMVγ上構建出BSMVγ-sg系統,通過利用移動RNA元件(mAtFT, mTaFT以及tRNA) sgRNA進行修飾, 以期促進BSMV病毒向分生組織細胞的移動能力來提高可遺傳的編輯效率。結果表明,不修飾的BSMVγ-sg對小麦叶片中具有较高的侵染能力和编辑活性。进一步將BSMV-sg系统對三个小麦Cas9表達品種的三個基因分別進行編輯,發現BSMV-sg均能夠在病毒侵染植株的後代獲得高效的可遺傳突變,效率爲12.9%-100%,且純和突變體效率爲1.6%-7.7%。此外,發現超过53.8%的突變體後代均不含病毒(virus-free)。通過混合含有多個靶點的BSMV-sg農杆菌並侵染小麥, 可實現多基因編輯。最后,將BSMV-sg侵染的Cas9轉基因小麥花粉與野生型小麥進行雜交, F2代可獲得不含Cas9 (Cas9-free) 的突變體後代。BSMV-sg介導的小麥基因組編輯遞送系統具有高效、低成本、無需組織培養和再生過程的特點,可應用于小麥大規模和高通量基因組編輯,爲小麥功能基因研究和分子設計育種提供重要技術支持。 

 

  該項研究成果于2021714日在線發表于Molecular Plant雜志(DOI:10.1016/j.molp.2021.07.010)。中科院遗传发育所高彩霞研究组博士生李停栋和中国农业大学生物学院张永亮研究组博士生胡佳成为该论文的共同第一作者,中科院遗传发育所青年研究员王延鹏和中国农业大学生物学院张永亮教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了中國科學院战略性先导专项A、国家自然科学基金的资助,农业生物技术国家重点实验室开放课题以及中國科學院青年创新促进会经费的资助 

    

圖:BSMV介導的高效小麥基因編輯遞送系統 
A. BSMV基因組編輯載體示意圖; B. BSMV-sg介導的小麥基因組編輯流程示意圖; C. BSMV-sg實現高效的可遺傳編輯; D. BSMV-sg誘導小麥TaPDS靶基因突變並呈現葉片白化表型。