要吃多甜的草莓你來定，我國科學家實現精密調控草莓糖分含量

2020-09-07 BioArt植物

Genome Biology | 中科院遺傳發育所高彩霞研究組利用基因組編輯精細調控草莓糖分含量


來源 | 中科院遺傳發育所網站

編輯 | 奕梵


無性繁殖植物在農業生產中具有重要的地位，但是長期無性繁殖導致性狀多樣性的嚴重匱乏極大的阻礙了無性繁殖作物的育種發展。在育種設計中，對數量性狀的精細調控可以避免產生劇烈的性狀變化，並且可以極大的豐富性狀多樣性，對推進精準育種有重要意義。基因組編輯技術通過對調控元件的遺傳操作可以實現對數量性狀的改良。對於無性繁殖的植物，純合和雜合基因型都可以通過無性繁殖穩定遺傳，可以獲得更多可穩定遺傳的基因型，進一步豐富性狀多樣性，對數量性狀實現更加精細的調控。


中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組發現對基因上遊轉錄起始位點（uORF）進行編輯可以顯著提高基因翻譯效率，建立了基因組編輯調控植物內源基因翻譯效率技術體系（Nature Biotechnology, 2018; Nature Protocols, 2020）。利用這一技術，最近高彩霞研究組在無性繁殖作物草莓中實現了對數量性狀的精細調控並獲得了多種不同糖分含量的草莓。相關研究成果以Fine-tuning sugar content in strawberry為題於近日發表在Genome Biology上。



研究人員首先建立了高效的草莓胞嘧啶單鹼基編輯技術體系，利用本實驗室開發的植物高效胞嘧啶鹼基編輯器（A3A-PBE, Nature Biotechnology, 2018）首次在草莓中實現鹼基編輯，轉基因草莓植物中鹼基編輯效率高達100%。A3A-PBE具有效率高和編輯窗口寬的特點，在草莓中，其編輯窗口寬度達到15bp。研究人員利用A3A-PBE對草莓FvebZIPs1.1基因的保守的uORF進行編輯，在T0代獲得7種不同的新uORF突變。七種新uORF突變的純合突變體中果實糖含量出現了不同程度的提高，而且植物生長未受影響。


為了進一步豐富基因型和性狀多樣性，研究人員對T0代突變體進行了自交和雜交，組合不同的等位基因並分離轉基因成分。T1代共計獲得了35種不同基因型的草莓，而且這些草莓均無外源基因。不同基因型對草莓果實糖含量產生了不同程度的影響，極大的豐富了性狀多樣性，實現了對數量性狀的精細調控。尤為重要的是，所有的新基因型和性狀都可以通過無性繁殖穩定傳遞給後代。該工作為無性繁殖作物提供了新的育種策略。


圖：精細調控草莓糖分含量。（a）bZIP基因轉錄後調控機制及編輯uORF調控糖含量示意圖。（b）基因組編輯編輯產生的七種類型的uORF突變。（c）野生型與七種純合突變體中糖含量。（d）通過有性繁殖豐富基因型並通過無性繁殖固定基因型示意圖。（e）野生型與35種不同基因型突變體中糖含量。


高彩霞研究組博士後邢思年和副研究員陳坤玲為該論文的共同第一作者，高彩霞研究員為該論文通訊作者。相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院等基金資助。


論文連結：

https://doi.org/10.1186/s13059-020-02146-5

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