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精准育种!CRISPR编辑CLE基因启动子,可增加玉米产量
来源: iPlants 发布时间:2021-03-10

近期多篇文章报道通过基因组编辑建立合成的无融合生殖用于克隆繁殖F1代杂交性状,重新驯化或从头驯化野生物种或孤儿作物【Nature/Science】系统介绍植物无融合生殖研究进展Cell 重磅!李家洋团队等实现四倍体野生稻快速驯化: 启动人类新农业文明【Nat Biotech】意外!在狗尾巴草中发现新的种子落粒基因,重现谷子驯化初期过程。因此,随着革命性的基因组编辑技术和对生物学特性的不断了解,通过人工设计进行知识驱动的育种已成为现实。知识驱动的育种,可以精确地修改农作物的性状,并可以创造新的性状,甚至是新的农作物,以满足不断增长的人类需求和新的农业模式。

2021年2月25日,Nature Plants在线发表了来自美国冷泉港实验室David Jackson团队题为“Enhancing grain-yield-related traits by CRISPR–Cas9 promoter editing of maize CLE genes”的研究论文,该论文通过CRISPR–Cas9基因编辑手段微调CLAVATA-WUSCHEL(CLV-WUS)信号通路中的基因可以增加分生组织的大小,并增加了多种与玉米产量相关的性状,为作物改良中的基因组编辑提供了巨大的潜力。
玉米产量是由籽粒数量和籽粒重量共同决定的,而籽粒数量很大程度上取决与花序分生组织(IM)的发育。以往研究发现,CLV-WUS负反馈通路维持IM活性,可以协调花序分生组织中的干细胞的增殖与分化。促进干细胞的转录因子WUS在分生组织的中心表达,并激活分泌CLV3多肽的表达,之后CLV3多肽通过其受体CLV1和/或CLV2进行转导信号,又进而抑制WUS表达,形成一个负反馈信号通路。因此,操纵CLV-WUS途径可能具有提高作物产量的巨大潜力。以前的研究表明,ZmCLE7和ZmFCP1两大CLE基因在玉米中控制IM,但是突变它们的功能会导致分生组织过度增殖,并产生无法在育种中使用性状。那么是否可以使用CRISPR–Cas9对基因启动子进行编辑,从而只是降低表达量,来实现增加产量,又不影响其他性状的目的呢?

该研究首先利用了ATAC-seq和MNase-seq数据,确定编辑了ZmCLE7和ZmFCP1的启动子区域,以达到能有效操纵基因表达的目的。研究产生了两个基因的多个弱等位基因,其中ZmCLE7和ZmFCP1表达减少,但是能够维持正常的IM结构,而并增加籽粒行数和籽粒产量,而不会破坏其他重要的农艺性状。

另一方面,该研究海鉴定了玉米中新的CLE基因ZmCLE1E5,该基因在Zmcle7突变体中表现出补偿性上调。该研究编辑了ZmCLE1E5的编码区,并获得了两个功能缺失的等位基因。研究结果表明, Zmcle1e5的突变表现出正常的IM发育,但是可以定量增强与谷物产量相关的性状,表现出与ZmCLE7弱启动子等位基因相似的作用。
综上所述,该研究采用适当的策略操纵CLV-WUS途径可以产生新的等位基因,并进一步平衡分生组织的活性并定量地改变性状,从而提高农作物的产量,表明了编辑启动子以产生多样的顺式调控等位基因进行选择将可能成为设计育种玉米的一种实用且常规的策略。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00858-5

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00864-7


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