科學(xué)家在甘薯中利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)改良淀粉的品質(zhì)

2019-09-23，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究組在International Journal of Molecular Sciences 雜志上在線發(fā)表了題為CRISPR∕Cas9-Based Mutagenesis of Starch Biosynthetic Genes in Sweet Potato(Ipomoea batatas)for the Improvement of Starch Quality 的研究論文。該研究首次利用CRISPR-Cas9 技術(shù)在六倍體甘薯中實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)編輯，獲得了高直鏈和蠟質(zhì)淀粉，為食品加工及工業(yè)應(yīng)用提供新型原材料，也為今后甘薯的育種提供了新的思路和技術(shù)。

CRISPR∕Cas9介導(dǎo)的基因組編輯是分子育種的革命性技術(shù)，已經(jīng)成功對(duì)小麥、稻米、番茄、馬鈴薯等多種農(nóng)作物進(jìn)行了品質(zhì)改良。然而，由于甘薯基因組龐大（2n=6x=90）、遺傳背景復(fù)雜（六倍體）、自交不親和、遺傳轉(zhuǎn)化困難等特性，使得甘薯基礎(chǔ)研究嚴(yán)重滯后，新品種培育和品質(zhì)改良十分困難。

在本研究中，該團(tuán)隊(duì)選取了兩個(gè)甘薯主栽品種：淀粉型品種“徐薯22”和富含類胡蘿卜素的品種“泰中6 號(hào)”，針對(duì)淀粉生物合成途徑基因IbGBSSI 和IbSBEII 分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)sgRNA 靶點(diǎn)，對(duì)應(yīng)構(gòu)建了單個(gè)和雙個(gè)sgRNA靶點(diǎn)的CRISPR∕Cas9載體轉(zhuǎn)化甘薯。對(duì)轉(zhuǎn)基因株系的分析表明，CRISPR∕Cas9系統(tǒng)在甘薯基因組中達(dá)到良好的基因編輯效果，突變率達(dá)到了63%以上。結(jié)合測序結(jié)果，能精確地分析目標(biāo)基因中的突變位點(diǎn)（見圖a）。為驗(yàn)證目標(biāo)基因編輯后的效果，對(duì)淀粉理化性質(zhì)進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)雖然被編輯的植株總淀粉含量不變，但直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量及鏈長發(fā)生了顯著變化（見圖b,c）。甘薯自交不親合，因此在本研究中轉(zhuǎn)化2 個(gè)甘薯的不同品種，后續(xù)可以通過雜交分離來剔除T-DNA，篩選不含有轉(zhuǎn)基因成分的品質(zhì)改良新品種（系），實(shí)現(xiàn)分子育種與傳統(tǒng)育種的有機(jī)整合，加速育種進(jìn)程。本項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)CRISPR∕Cas9編輯甘薯淀粉合成基因改良了淀粉的品質(zhì)，為今后甘薯分子育種及多倍體作物基因編輯提供了新方向。

分子植物卓越中心博士王紅霞和碩士生吳銀亮為該論文的共同第一作者，博士生張延娣、中科院辰山植物科學(xué)研究中心博士范維娟、楊俊等參與了該項(xiàng)研究工作。張鵬和肯塔基大學(xué)教授袁凌為共同通訊作者。中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心朱健康研究組給予了幫助。該研究得到國家研發(fā)專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金等的資助。

科學(xué)家在甘薯中利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)改良淀粉的品質(zhì)