利用CRISPR/Cas9技術編輯OsRR22基因創(chuàng)制耐鹽水稻種質資源

牛淑琳 鞠培娜 周冠華 戴南平 周晉軍 謝先芝 鄭崇珂

摘要：水稻是重要的糧食作物之一，在鹽堿地開發(fā)和改良中發(fā)揮著重要作用。為了創(chuàng)制高耐鹽水稻種質資源，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，在水稻品種鹽豐47中對OsRR22設計3個靶位點進行基因編輯。通過PCR和測序鑒定，在To代獲得16個突變單株，其中靶位點1和靶位點2均有純合突變，靶位點3沒有檢測到突變。在T1代轉基因株系中，獲得3株純合突變且無T-DNA插入的純合突變體。對T2代進行農藝性狀分析發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，突變體的株高顯著降低，產量相關農藝性狀均無顯著變化。苗期耐鹽性鑒定結果表明，在200 mmol/L NaCI處理7天后，突變株的存活率比野生型提高30%以上。綜上，利用CRISPR/Cas9技術對水稻品種鹽豐47進行了耐鹽性改良，為耐鹽水稻新品種的培育提供了理論和材料基礎。

關鍵詞：水稻；耐鹽性；OsRR22；基因編輯

中圖分類號：S511：Q78 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2023）02-0030-06

鹽漬化一度被稱為土地的“絕癥”，目前中國的鹽堿地面積約為1億公頃，其中可改良利用的鹽堿地約667萬公頃，這是一筆“沉睡”的寶貴資源。水稻是世界上重要的糧食作物之一，也是中國種植面積最大的糧食作物，對于保障糧食安全至關重要。水稻是一種對鹽濃度中度敏感的作物，由于其特殊的栽培方式，已成為鹽堿地改良利用的先鋒作物。為了更好地發(fā)揮水稻在鹽堿地改良中的作用，提高水稻耐鹽性，培育優(yōu)質耐鹽水稻品種已經(jīng)成為提高鹽堿地利用率和保障國家糧食安全的重要手段。

植物反應調控因子RR（response regulator）是一類重要的轉錄因子，參與細胞分裂素的信號轉導，調控植物的生長發(fā)育和脅迫耐性。水稻中包括13個A型RR基因（OsRRl-OsRR13）和6個B型RR基因（OsRR21-OsRR26）。Os-RR22/ORR2編碼一個含有696個氨基酸的B型反應調節(jié)蛋白，對于水稻的正常生長發(fā)育起著重要作用，該基因突變后水稻的耐鹽性明顯提高。WoIrhen等發(fā)現(xiàn)與野生型相比rr2//22/23突變體葉片更短，更窄：穗長變短，分支數(shù)變少：根長變短，側根形成量減少：而且在rr2//22/23突變體中，花藥心皮的柱頭刷發(fā)育受到損害從而妨礙花粉捕獲，這可能是導致籽粒填充不良的原因。Zhang等利用Cas9-OsRR22-gRNA表達載體敲除OsRR22，發(fā)現(xiàn)T2純合突變株的耐鹽性較野生型（wild type，WT）植株明顯增強。玉米中ABPH基因編碼A型應答調控因子ZmRR3，ABPHI通過負向調節(jié)細胞分裂素誘導的莖分生組織的擴張限制莖尖原基的起始空間，從而控制葉的分生模式。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種準確、方便、高效的基因組編輯方法?；贑RISPR/Cas9的基因組編輯技術作為連接功能基因和遺傳改良的橋梁，越來越受到育種家的關注。Li等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯Xa13啟動子，獲得了抗白葉枯病水稻。Zeng等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)同時編輯2個與產量相關的負調控基因（OsPIN5b和CS3）和1個耐冷基因（OsMyB30），獲得了高產耐冷水稻新品種。Alfatih等利用CRISPR/Cas9技術獲得的水稻PARAQUAT TOLERANCE3（Os PQT3）基因敲除突變體具有更高的產量及抗氧化和鹽脅迫能力。

本研究利用CRISPR/Cas9技術，以黃河三角洲鹽堿地主栽品種鹽豐47為遺傳轉化受體材料，對耐鹽基因Os RR22進行編輯，獲得有育種價值的純合突變體，為培育適宜在黃河三角洲鹽堿地種植的水稻品種提供耐鹽材料。

1材料與方法

1.1試驗材料與載體

以黃河三角洲鹽堿地主栽品種鹽豐47為遺傳轉化受體材料。所有材料種植于山東省農業(yè)科學院飲馬泉試驗基地，常規(guī)水肥管理。植物CRISPR/Cas9基因編輯載體（pYLCRISPR/Cas9Pubi-H）由華南農業(yè)大學劉耀光課題組饋贈。

1.2靶位點設計與載體構建

在水稻基因組注釋計劃數(shù)據(jù)網(wǎng)站RAP（ht-tps：//rapdb.dna.affrc.go.jp/index.html）下載Os-RR22（Os06901831CO）基因組序列，利用CRISPR-GE（http：//skLscau.edu.cn/）設計OsRR22敲除靶點，選擇特異性好的候選靶位點作為目的靶位點，共選擇3個靶位點。載體構建參考單子葉敲除載體構建方法進行，針對3個靶位點，設計gRTl、gRT2、gRT3引物對，用于構建gRNA中間載體。Hpt和Cas9引物對分別用于轉基因植株篩選過程中對抗潮霉素基因Hpt和Cas9基因的篩選，OsRR22引物對用于對靶位點的重測序分析。引物（表1）合成與轉基因靶位點測序由北京擎科生物科技有限公司（青島）完成。構建好的轉化載體送至武漢伯遠生物科技有限公司進行遺傳轉化。

1.3To代轉基因株系獲得及突變位點檢測

利用CTAB法提取獲得的轉基因To代植株的基因組DNA，利用潮霉素基因Hpt進行轉基因植株的陽性檢測。利用OsRR22F2和OsRR22R2引物進行靶位點擴增，擴增片段送北京擎科生物科技有限公司（青島）進行測序。利用DNAMAN軟件進行測序結果分析。

1.4T1代無T-DNA株系篩選

將T0代自交獲得的T1代種子單株種植，分別提取DNA后用Hpt和Cas9基因檢測引物（表1）進行檢測，兩對引物都不能擴增出目的條帶，則認為該株系為無T-DNA插入株系，可用于下一步的分析。

1.5T2代純合突變體農藝性狀調查

T1代無T-DNA插入的單株自交后獲得T2代無T-DNA插入株系。每個株系種植3行，每行10株，行距×株距為25 cmx14 cm。在水稻抽穗期進行轉基因后代的抽穗期調查：待水稻完全成熟后，每個株系選擇15個單株進行株高、有效分蘗數(shù)、主穗長、主穗實粒數(shù)、千粒重等農藝性狀調查。

1.6OsRR22突變體耐鹽性鑒定

將純合的Os RR22突變體與野生型種植在96孔板上，以Yoshida營養(yǎng)液培養(yǎng)至三葉一心，參照張治振等的方法對突變體和對照進行鹽處理，具體為：水稻幼苗長到三葉一心后，用含有200mmol/L NaCl的Yoshida營養(yǎng)液處理7天，然后用不含NaCl的Yoshida營養(yǎng)液恢復培養(yǎng)7天，統(tǒng)計突變體和野生型存活單株數(shù)（有一片綠葉存活即記為存活單株），統(tǒng)計存活率。

存活率（%）=存活單株數(shù)／處理單株數(shù)×100。

2結果與分析

2.10sRR22基因編輯靶位點設計與載體構建

為提高突變效率，在OsRR22基因內部設計3個敲除靶位點，其中，在第一外顯子區(qū)設計兩個靶位點T1和T2，分別距離起始密碼子ATG 52 bp和117 bp，PAM序列均為CGG；T3靶位點位于第二外顯子區(qū)，距離ATG 522 bp，PAM序列為TGG（圖1A）。OsRR22-CRISPR敲除載體如圖1B。

2.2T0代轉基因株系的檢測及突變情況分析

將構建好的載體利用農桿菌介導法進行轉化，共獲得16株轉基因苗。用潮霉素（Hpt）引物進行檢測，所有植株均能檢測到特異條帶，說明均為轉基因陽性苗（圖2）。

利用特異性引物OsRR22F2和OsRR22R2對轉基因植株的靶位點區(qū)域進行擴增并測序分析。16個株系在靶位點Tl和12均發(fā)生突變，突變效率為100%，在T3靶位點未發(fā)生突變。其中，在靶位點T1檢測到純合突變株3株，占18.75%，雜合突變株5株，占31.25%，雙等位突變株8株，占50.00％；在靶位點T2檢測到純合突變株4株，占25.00％，雜合突變株3株，占18.75％雙等位突變株9株，占56.25%。

2.3T1代無T-DNA元件的突變植株篩選

將鹽豐47背景的To代靶位點T1為純合突變的單株自交后獲得T1代種子。隨機選取T1代種子100粒，萌發(fā)后種植在去除底部的96孔板中，以營養(yǎng)液培養(yǎng)至三葉一心期。按順序取樣后提取基因組DNA。用潮霉素鑒定引物進行篩選，獲得無潮霉素擴增的單株。然后對靶位點進行測序驗證，獲得純合突變且無T-DNA插入的單株，根據(jù)檢測到的單株排序，命名為rr22JI，rr22K1、rr22L/等（圖3）。自交留種后獲得T2代純合突變的轉基因株系，進行農藝性狀和耐鹽性分析。

2.4T2代純合突變體農藝性狀分析

對各個轉基因株系和野生型植株的調查結果表明，野生型植株和突變體植株抽穗期沒有明顯差異，突變體植株比野生型植株株高顯著降低，有效分蘗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、千粒重均無明顯差異（圖4）。說明Os RR22基因的敲除能夠顯著降低水稻株高，但對產量性狀影響不顯著。

2.5T2代純合突變體耐鹽性分析

為了鑒定突變體的耐鹽性，選擇3個T2代純合突變體（rr22J1、rr22K1和rr22L/）和野生型鹽豐47，同時種植在96孔板上進行耐鹽性試驗，結果（圖5）表明，野生型鹽豐47鹽處理后存活率只有28.81％，而突變體rr22J1、rr22K、rr22L1的存活率分別為70.71％、76.81％和58.89％，均顯著高于野生型鹽豐47，說明利用CRISPR/Cas9技術創(chuàng)制的基于OsRR22基因的突變體耐鹽性顯著提高。

3討論與結論

CRISPR技術是近年來發(fā)展迅速的基因定點編輯技術，是繼鋅指核酸酶（zine finger nuclease，ZFN）技術和轉錄激活因子效應物核酸酶（transcription activator-like effector nucleases．TALENs）之后的第三代基因標記技術，具有成本低、效率高、構建簡單、操作便捷、特異性強等特點。利用該技術能夠快速完成基因敲除、插入、替換、點突變、轉錄調控和表觀修飾等操作，在細菌、植物和動物中均有應用，如Wu等利用CRISPR/Cas9技術成功將1，4-BDO（1，4-butanediol）合成途徑插入E．coti中，實現(xiàn)了1，4-BDO在微生物中的代謝生產；Gao等采用CRISPP/Cas9技術將NRAMP1（natural resistance-associated macrophage protein-1）基因敲入奶牛中，獲得了11頭抗結核轉基因牛；Tang等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除金屬轉運體基因OsNramp5，培育出Cd積累量低且無轉基因的新稻株。在水稻中已有多個基因編輯提高水稻耐逆性、抗病性的報道。本研究結果也表明，該技術能夠有效地應用于水稻耐鹽種質創(chuàng)新中。

本研究利用CRISPR/Cas9技術對粳稻品種鹽豐47進行耐鹽基因OsRR22的定點編輯，以期獲得具有育種利用價值的純合突變材料。結果發(fā)現(xiàn)在獲得的16個To代轉基因株系中單個靶位點純合突變率最高為25％，以堿基插人為主（頻率為80％）：沒有發(fā)現(xiàn)兩個靶位點同時變異的純合株系：靶位點3沒有出現(xiàn)變異，可能是靶位點設計不合理或該靶位點在鹽豐47基因組中與參考基因組存在序列差異，導致打靶失敗。選擇靶位點1純合突變的株系自交繁殖后獲得T1代群體，靶位點測序顯示是與To代靶位點突變一致的株系，說明CRISPR技術編輯產生的突變能夠穩(wěn)定遺傳給下一代。通過潮霉素標記篩選，將無T-DNA插入且靶位點純合突變的3個轉基因株系進行農藝性狀分析，結果發(fā)現(xiàn)除了株高有降低外，抽穗期和產量相關性狀均沒有明顯差異。通過苗期鹽處理后存活率統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，轉基因后代的耐鹽性顯著提高（增幅超過30個百分點）。因此對OsRR22基因進行定點編輯，能在不影響水稻產量的同時顯著提高水稻的耐鹽性：同時CRISPR/Cas9技術為水稻抗逆種質的創(chuàng)新提供了有利工具。