New phytologist|对NF-YC4启动子的基因编辑提高了高蛋白水稻和大豆的产量

文摘   2024-10-02 06:37   湖南  
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2024年8月28日,来自美国密西西比大学和新疆石河子大学的科研团队在国际知名植物学期刊New Phytologist发表题为 “CRISPR/Cas9-based editing of NF-YC4 promoters yields high-protein rice and soybean”的研究论文,重点阐述了对NF-YC4基因启动子编辑能够通过消除基因转录抑制进而提高水稻和大豆蛋白含量的品种总产量效应。

通过多种效果的基因编辑造成特定的表型,已经是在生物育种方面开展大量实践和运用的尝试。作者的目标是通过位点特异性酶借助CRISPR-Cas9手段编辑启动子抑制子元件,达到提高目标基因的表达并产生无转基因筛选标记的品种。

作者前期通过对拟南芥QQS基因的研究找到NF-YC4基因,发现NF-YC4能够在多种植物产生效果。作者首先验证了OsNF-YC4过表达植株的表型,结果发现过表达这个基因能够提高叶片和种子的蛋白含量。统计发现不同的过表达OsNF-YC4株系均能提高蛋白含量,减少植株的淀粉含量。
图1. 通过荧光素报告系统和EMSA实验揭示OsWRKY121能够结合OsNF-YC4启动子发挥转录调控作用
作者进一步利用启动子分析和荧光素报告系统结合EMSA实验,揭示发现其启动子第二个W-box区域能够特异性受到OsWRKY121转录因子结合。与此同时,作者通过同源比对,找到了大豆的GmNF-YC4基因以及启动子序列,通过设计荧光素报告系统以及启动子分析和EMSA实验,作者同样验证了GmWRKY27能够特异性结合P3,P5和P6靶点。
随后,作者针对水稻和大豆的NF-YC4的这些有效靶点分别设计了基因敲除位点,通过启动子编辑株系的检测和体外EMSA实验,结果表明在这些株系中OsWRKY121无法再结合OsNF-YC4启动子,解除了这个转录因子对OsNF-YC4的转录抑制效应,基因转录水平显著上调。与之相对应的是,启动子编辑株系干重、鲜重、蛋白含量等显著上升。在大豆的启动子编辑株系也是表现出相似的表型,从分子角度出发,启动子编辑株系GmCR1解除了GmRAV1结合位点,P2和P5位点不再能够被GmRAV1结合。
从表型出发,启动子编辑株系的GmNF-YC4转录水平显著提高,干重增加、植株淀粉含量下降。最后,作者通过结合启动子结合实验和启动子编辑技术,创制了能够提高叶片和种子的水稻和大豆启动子编辑株系。为未来生物育种提供新的材料。

图2. 通过启动子编辑针对性位点提高水稻叶片和种子蛋白含量,减少水稻淀粉含量


解读供稿:水稻所  辰亭笙

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