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顺式调节元件编辑可以产生数量性状变异,从而减轻与编码序列突变相关的极端表型和有害的多效性.近日,来自美国加州伯克利创新基因组学研究所的Brian J. Staskawicz研究团队在Plant Biotechnology Journal发表研究成果“Engineering quantitative stomatal trait variation and local adaptation potential by cis-regulatory editing”,该研究应用多重CRISPR/Cas9方法,利用生物信息学数据集,在水稻气孔密度的正调控因子OsSTOMAGEN启动子中产生基因型变异.生成的变异体在气孔密度、气孔导度、碳同化和内在水分利用效率方面表现出广泛的变异.在干旱条件下,某些编辑的启动子等位基因表现出减少的气孔密度重编程能力.该研究展示了顺式调控元件编辑在优化作物性状以适应多样化环境中的潜力.
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图1 基因编辑的OsSTOMAGEN启动子等位基因的气孔密度和大小变化.
Figure 1主要展示了通过编辑水稻OsSTOMAGEN基因启动子区域产生的气孔密度和大小的变化.用CRISPR/Cas9技术编辑OsSTOMAGEN基因的启动子区域,生成不同的启动子等位基因.然后通过显微镜观察和测量这些基因编辑植株的气孔密度和大小.结果表明,不同的启动子等位基因展示了广泛的气孔密度变化,包括比野生型更低和更高的气孔密度.此外,气孔大小也存在显著差异.这为研究气孔密度与植物生理功能之间的关系提供了新的工具.![]()
图2 水稻气孔密度与气体交换生理特性之间的关系
Figure 2主要展示了水稻气孔密度与气体交换生理特性之间的关系.使用红外气体分析仪测量叶片气孔导度(a)和碳同化作用(b),结果表明,气孔密度与气孔导度及碳同化速率呈现强正线性关系.碳同化速率与气孔导度的比值作为内在水分利用效率(iWUE),气孔密度与iWUE呈现强负线性关系.同时测定了光系统II的量子产量(ΦPSII),气孔密度与ΦPSII呈现强正线性关系.总体结论:气孔密度显著影响水稻的气体交换生理特性,气孔密度越高,气孔导度、碳同化速率和ΦPSII越高,但iWUE越低.![]()
图3 对动态环境条件的生理反应
Figure 3主要讲述了在动态光照条件下,不同气孔密度的水稻基因编辑株系的气体交换表型.图3a:展示了野生型水稻在动态光照条件下气孔导度的响应曲线.结果显示气孔导度在高光照下呈现多峰响应.图3b:点图展示了在整个动态光照条件下的累积气孔导度.结果表明不同基因编辑株系的气孔导度存在显著差异.图3c:点图展示了累积碳同化作用.结果显示碳同化作用与气孔密度呈正相关.图3d:堆叠条形图展示了在稳态和动态光照条件下的内在水分利用效率(iWUE).结果表明,动态光照条件下的iWUE低于稳态测量值.图3e:点图展示了从高光到低光过渡期间气孔导度的关闭速率常数.结果显示低密度、大气孔的株系关闭速率最慢.结论:不同气孔密度的基因编辑株系在动态光照条件下表现出显著的气体交换差异,低密度株系在动态光照下的水分利用效率较低,气孔关闭速率较慢.这些结果表明,气孔密度和大小的调整可能是提高动态田间条件下水分利用效率的有效机制.![]()
图4气孔变异体对植物干旱的生理和发育响应.
Figure 4主要讲的是不同stomatal变异体在植物遭受干旱胁迫时的生理和发育反应.图4a和4b:这些图表展示了在充分浇水和5天干旱处理后,不同基因型植物的气孔导度.结果显示,除了stomagen突变体外,所有基因型在干旱处理后气孔导度都有所降低.图4c:反应归一化图展示了每种基因型在不同浇水条件下的气孔导度变化.结果表明,干旱处理后,stomagen突变体的气孔导度变化最小.图4d:展示了干旱处理后气孔密度的变化.结果显示,野生型植物在干旱处理后气孔密度增加,而stomagen突变体的气孔密度变化很小.结论:不同基因型植物在干旱胁迫下的气孔导度和气孔密度反应不同,stomagen突变体表现出较低的气孔导度变化和气孔密度重编程能力.综上:本文章主要探讨了通过顺式调控元件编辑来生成定量气孔性状变异和局部适应潜力.主要结论:1.顺式调控元件编辑可以生成广泛的气孔密度变异,从而优化气孔形态与生理功能之间的关系.2. 编辑后的基因型在干旱条件下表现出不同的生理和发育响应,表明顺式调控元件编辑在适应多变环境中的潜力.研究结果为在不同环境中优化作物性状提供了基础,特别是在气候变化背景下提高作物抗逆性的潜力.
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14464
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