中國科學(xué)院科學(xué)家利用基因編輯轉(zhuǎn)座子改良水稻性狀

　　轉(zhuǎn)座子（TEs）是真核生物基因組中廣泛存在的DNA重復(fù)序列，約占水稻基因組的35%。轉(zhuǎn)座子是植物產(chǎn)生遺傳變異的重要來源，通過多種機(jī)制調(diào)控基因表達(dá)及表型變異。水稻的泛轉(zhuǎn)座子變異圖譜研究表明，轉(zhuǎn)座子在水稻馴化和育種性狀改良方面發(fā)揮重要作用。

 

　　近日，中國科學(xué)院院士、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，聯(lián)合崖州灣國家實驗室的研究人員，在《植物生物技術(shù)雜志》（Plant Biotechnology Journal）上在線發(fā)表了題為Generation of OsGRF4 and OsSNAC1 alleles for improving rice agronomic traits by CRISPR/Cas9-mediated manipulation of transposable elements的研究論文。該研究通過對水稻基因OsGRF4或OsSNAC1的非編碼區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)座子編輯，實現(xiàn)了對目的基因表達(dá)的精確調(diào)控。同時，該研究創(chuàng)制的優(yōu)良等位基因為作物遺傳育種提供了新策略。

 

　　微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座子（MITEs）是短小而非自主的DNA轉(zhuǎn)座子，是水稻基因組中數(shù)量較多的轉(zhuǎn)座元件，且與至少58%的水稻基因相關(guān)。研究表明，MITEs是水稻基因表達(dá)變異的主要驅(qū)動因素之一，而利用MITE插入多態(tài)性進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究有助于挖掘并控制農(nóng)藝性狀的潛在基因。

 

　　該研究推測，通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)設(shè)計基因非編碼區(qū)的MITEs轉(zhuǎn)座子分布可以上調(diào)或下調(diào)目標(biāo)基因的表達(dá)，從而創(chuàng)制新的基因等位基因型以改良水稻性狀。為驗證這一設(shè)想，科研人員選擇水稻中的生長調(diào)節(jié)因子4基因OsGRF4和脅迫響應(yīng)基因OsSNAC1進(jìn)行研究。研究顯示，OsGRF4可正向調(diào)控水稻產(chǎn)量的相關(guān)性狀，在其終止密碼子下游的1200bp內(nèi)插入一個294-bp的PIF/Harbinger超家族MITE；OsSNAC1可以增強(qiáng)水稻的耐鹽性，但在其上下游非翻譯區(qū)未檢測到MITE。研究發(fā)現(xiàn)，水稻某些基因下游非編碼區(qū)中的MITE可以介導(dǎo)靶基因的翻譯抑制。因此，研究認(rèn)為，通過CRISPR/Cas9技術(shù)刪除OsGRF4下游非翻譯區(qū)中的MITE，可以創(chuàng)制出過表達(dá)的等位基因型。研究針對OsGRF4基因的MITE靶區(qū)域，設(shè)計構(gòu)建了2個CRISPR/Cas9 sgRNAs，并對其進(jìn)行編輯?？蒲腥藛T對得到的無轉(zhuǎn)基因的純合突變體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，OsGRF4基因的MITE刪除，提高了OsGRF4mite突變體中靶蛋白的豐度，并改善了與產(chǎn)量相關(guān)的農(nóng)藝現(xiàn)狀。水稻基因上游非翻譯區(qū)中的一些MITEs可作為增強(qiáng)子，如miniature Ping （mPing） TE可以增強(qiáng)鹽脅迫響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄水平。因此，研究人員嘗試將430-bp的mPing插入耐鹽基因OsSNAC1的上游非翻譯區(qū)。進(jìn)而，科研人員剖析得到的純合突變體發(fā)現(xiàn)，OsSNAC1基因的MITE插入，提升了鹽脅迫下OsSNAC1MITE突變體中靶基因的轉(zhuǎn)錄水平，并增強(qiáng)了它的耐鹽性。

 

　　上述成果為轉(zhuǎn)座子驅(qū)動的作物遺傳育種提供了新途徑。

 

　　研究工作得到科技創(chuàng)新2030-重大項目、國家自然科學(xué)基金及海南省相關(guān)項目的支持。