数量遗传变异的基因组编辑与育种应用

【作者】 刘燕华； 俞英萍； 郭小浩； 周鑫； 蒋萌； 谭瑗瑗； 舒庆尧；

【机构】 浙江大学作物科学研究所水稻生物学国家重点实验室/浙江省种质资源重点实验室；

【摘要】 【研究背景】在作物育种实践中,作物产量、品质、耐逆性等重要性状多为数量性状,需要通过创制数量遗传变异来实现育种目标。这些性状除受微效数量性状位点(QTL)控制外,还受特定基因的表达和酶活性水平控制。基因的转录和酶活力既受外显子也受启动子调控元件等序列的控制,如谷类作物直链淀粉含量主要受糯性基因的各类复等位基因控制,其含量可以从接近零到25%以上。基因编辑技术是创制遗传变异的最新手段,可对基因开展靶向突变,但迄今的研究主要集中在外显子遗传变异的创制上,对其它区域的编辑效果目前还很少有报道。【材料与方法】以水稻为例,根据分子遗传调控知识,对影响基因转录和翻译水平的元件进行分析,从中确定创制数量遗传变异的主要靶点,设计基因编辑载体并采用遗传转化技术导入水稻基因组,对其后代的表达水平和表型进行分析,确定编辑效果。【结果与分析】首先阐述了调控基因转录和翻译的分子机制,包括影响转录水平的启动元件,影响转录本剪切的外显子-内含子序列特异性,影响转录本稳定和翻译效率的5’和3’非翻译区(untranslated region,UTR),调控主效(primaryORF,pORF)翻译的上游ORF(upstreamORF,uORF),以及对影响靶标基因表达的小RNA等;介绍了目前预测重要调控元件的生物信息学方法和应用软件,如预测启动子核心区域的网站NNPP和BIMAS,预测启动元件的Plant CARE、PLACE等,预测uORF/pORF的ExPASy,EMBOSS和getorf等;以控制水稻直链淀粉含量的Wx基因为例,获得了Wx基因启动子编辑水稻植株,发现其Wx基因转录水平发生了变化,其直链淀粉、淀粉粘滞性等表型性状发生了数量变异;以影响抗逆性的转录因子(OsNRF2)及其调控基因(OsKEAP1)为例,获得了Oskeap1的5’UTR编辑单株,证实其转录水平皆发生了变化,并对其植株生长和抗逆性产生影响。【结论】通过对重要基因的调控元件的编辑从而影响其转录或翻译水平,可以创制受其控制的作物品质、耐逆性等育种目标数量变异,从而精准培育作物新品种。更多还原