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高彩霞研究组利用基因组编辑精细调控草莓糖分含量

  无性繁殖植物在农业生产中具有重要的地位,但是长期无性繁殖导致性状多样性的严重匮乏极大的阻碍了无性繁殖作物的育种发展。在育种设计中,对数量性状的精细调控可以避免产生剧烈的性状变化,并且可以极大的丰富性状多样性,对推进精准育种有重要意义。基因组编辑技术通过对调控元件的遗传操作可以实现对数量性状的改良。对于无性繁殖的植物,纯合和杂合基因型都可以通过无性繁殖稳定遗传,可以获得更多可稳定遗传的基因型,进一步丰富性状多样性,对数量性状实现更加精细的调控。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组发现对基因上游转录起始位点(uORF)进行编辑可以显著提高基因翻译效率,建立了基因组编辑调控植物内源基因翻译效率技术体系(Nature Biotechnology2018; Nature Protocols2020)。利用这一技术,最近高彩霞研究组在无性繁殖作物草莓中实现了对数量性状的精细调控并获得了多种不同糖分含量的草莓。 

 

  研究人员首先建立了高效的草莓胞嘧啶单碱基编辑技术体系,利用本实验室开发的植物高效胞嘧啶碱基编辑器(A3A-PBENature Biotechnology2018)首次在草莓中实现碱基编辑,转基因草莓植物中碱基编辑效率高达100%A3A-PBE具有效率高和编辑窗口宽的特点,在草莓中,其编辑窗口宽度达到15bp。研究人员利用A3A-PBE对草莓FvebZIPs1.1基因的保守的uORF进行编辑,在T0代获得7种不同的新uORF突变。七种新uORF突变的纯合突变体中果实糖含量出现了不同程度的提高,而且植物生长未受影响。为了进一步丰富基因型和性状多样性,研究人员对T0代突变体进行了自交和杂交,组合不同的等位基因并分离转基因成分。T1代共计获得了35种不同基因型的草莓,而且这些草莓均无外源基因。不同基因型对草莓果实糖含量产生了不同程度的影响,极大的丰富了性状多样性,实现了对数量性状的精细调控。尤为重要的是,所有的新基因型和性状都可以通过无性繁殖稳定传递给后代。 

 

  该工作为无性繁殖作物提供了新的育种策略。这一研究成果于202093日在Genome Biology杂志发表(DOI:10.1186/s13059-020-02146-5)。高彩霞研究组博士后邢思年和副研究员陈坤玲为该论文的共同第一作者,高彩霞研究员为该论文通讯作者。相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院等基金资助。 

    

图:精细调控草莓糖分含量。(abZIP基因转录后调控机制及编辑uORF调控糖含量示意图。(b)基因组编辑编辑产生的七种类型的uORF突变。(c)野生型与七种纯合突变体中糖含量。(d)通过有性繁殖丰富基因型并通过无性繁殖固定基因型示意图。(e)野生型与35种不同基因型突变体中糖含量。