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棉花团队在基因组编辑和抗虫研究取得新进展

文章作者:来源:www.slofcard.com时间:2020-01-31



南湖网讯(记者司佳王曦梁彭城)近日,我校棉花研究团队在异源四倍体棉花应用CRISPR/Cas9技术方面取得新进展。相关结果在线发表在名为《Plant Biotechnology Journal》的主流植物学学术期刊《High efficient multi-sites genome editing in allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum) using CRISPR/Cas9 system》上。该研究依托团队高效的遗传转化平台,拓展了CRISPR技术在多倍体作物中的应用,为棉花功能基因分析提供了重要的技术手段。论文的合着者是博士生王鹏程和硕士生张军,张献龙教授和金双霞教授是论文的合着者。

自2013年在真核生物中成功应用以来,CRISPR/Cas9系统已成为生命科学研究的焦点和近年来最流行的基因组编辑系统。该系统具有稳定性强、效率高、操作简单的特点。CRISPR/Cas9技术可以在基因组水平上成功实现基因敲除、基因转录调控和修饰。目前,该技术广泛应用于动物细胞,并广泛应用于水稻、拟南芥、玉米等植物模式作物,但较少应用于棉花、油菜等多倍体植物。原因是目前生产中种植的棉花是具有52条染色体的异四倍体。基因组巨大而复杂(2.5 Gb,是拟南芥基因组的20倍,是水稻基因组的6倍),有许多同源重复(约70%),同一基因有多个拷贝。很难获得有效的单基因突变体。目前,棉花中常规的基因功能研究方法是RNAi技术,它经常导致同源基因(基因家族)沉默表达,并产生意想不到的表型。同时,RNAi技术往往不能完全沉默靶基因,沉默效应不稳定甚至在后代中消失。因此,开发棉花新的功能基因组研究方法势在必行。

我校棉花团队自2013年开始棉花基因编辑的研究工作,包括构建适合棉花遗传转化系统的TALEN载体和三套CRISPR-Cas9系统。本研究中使用的载体是我们实验室使用的第三个CRISPR-Cas9系统。该系统是对水稻现有CRISPR/Cas9表达载体的修饰,使用棉花内源U6启动子和合适的抗生素筛选标记。利用获得外源报告基因DsRed2(红色荧光蛋白基因)作为二次转化受体的材料,实现了两个靶位点的同时缺失,再生植株的红色荧光完全消失。此外,以内源棉花叶绿素合成相关基因GhCLA1为靶标设计的3对sgRNA也被成功敲除,每个靶标位点的编辑效率达到66.7%-100%,再生植株产生显着的白化苗表型。T0代植物及其后代的遗传分析表明,靶基因可以无缺失效应地突变,并且该突变可以稳定地传递给后代。

本研究的创新之处在于充分结合了第二代高通量测序技术,实现了大量再生植株突变位点的快速鉴定,大大提高了转基因植株突变鉴定的效率,为CRISPR/Cas9系统中棉花基因突变库的创建和功能基因组研究奠定了坚实的基础。目前,这种高效的棉花基因编辑载体已经通过合作研究分发给来自10多家国内外科研机构的同事,包括澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)、浙江大学、南京农业大学、华中科技大学、华中师范大学、西南大学、山东农业大学、石河子大学、中国棉花研究所等。共同促进棉花基因组编辑。

此外,《New Phytologist》杂志最近在网上公布了我校张献龙教授领导的棉花小组和雷梁超教授领导的农业害虫小组合作研究的最新结果。本研究通过在转基因棉花中表达害虫靶基因的dsRNAs实现了对盲蝽科的有效防治。罗静博士和梁思佳博士是这篇文章的共同主要作者。农业害虫研究小组的陈丽贞副教授和棉花小组的金双霞教授是

害虫一直是棉花产量下降的主要原因之一。近年来,由于作物种植结构变化的综合影响,BT棉花的广泛种植和广谱农药的大量减少,棉花中非BT靶标害虫盲蝽已成为一种主要害虫。目前,我国BT棉区黑虫猖獗,迫切需要制定新的黑虫防治策略。植物介导的RNAi利用宿主植物表达靶基因的dsRNA。高表达的dsRNA可被植食性昆虫摄取,然后在昆虫中诱导相应基因的RNAi效应,从而成功干扰目标昆虫目标基因的表达,达到抑制害虫生长发育甚至杀死它们的目的。与目前可用的杀虫剂和BT有毒蛋白相比,植物介导的RNAi技术是一种更安全、特异和有效的植物保护新策略。

经过大量室内显微注射实验,最终选择影响盲蝽科卵巢发育的AsFAR基因作为最佳靶标,通过农杆菌介导的遗传转化获得了目的基因dsRNA高表达的转基因棉花。连续两年的室外害虫抗性试验表明,转基因棉花对盲蝽科表现出较强的抗性,降低了对棉花的危害程度。本研究创造的转基因棉花不仅为盲蝽科的防治提供了新的策略,而且可以与BT棉花杂交,为害虫多抗性棉花的研究奠定了基础。

上述研究得到了国家自然科学基金、转基因作物专项和国家作物遗传改良重点实验开放项目的支持。

文章连接:

1。http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.12755/full

2。http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14636/full

书评人:金双霞