利用线粒体基因编辑系统培育植物雄性不育系的方法
文献发布时间:2023-06-19 11:08:20
技术领域
本发明属于植物基因工程育种领域。
背景技术
植物雄性不育系,是雄蕊发育不正常但雌蕊发育正常的植物品系,不能产生正常功能的花粉,但能接受正常花粉而结实。
植物不育系在植物育种,尤其是农作物育种中具有重要地位。其可降低杂交种子生产成本,提高杂种质量,扩大杂种优势的利用范围。著名的三系杂交水稻就使用了胞质雄性不育系。
雄性不育系中有一种特殊表型称为雄蕊瓣化表型,在园艺领域具有较为重要的地位。雄蕊瓣化是雄蕊发育成花瓣的现象,该现象能使花卉产生重瓣(重瓣牡丹、重瓣百合均在此列),增加观赏性。
胞质雄性不育系,即细胞质的基因引起的雄性不育,通常为线粒体内基因突变引起的雄性不育。植物atp9基因是线粒体基因,使用RNAi敲低atp9可形成无雄蕊的胞质雄性不育植株(陶瑶.orf25和atp9基因干扰对烟草雄性不育性的影响[D].江西农业大学.2017)。但RNAi敲低产生的表型不能随着传代稳定维持下来,在育种工作中的应用意义不大。
近年来发展起来的基因组编辑技术,因其在DNA特异位点引入突变,且表型能较稳定地遗传,成为功能基因组研究和精准育种的有力工具。基因组编辑技术的原理是利用可修饰的核酸内切酶在基因组特异位点引入DNA双链断裂,并利用细胞的修复机制实现目的基因组区域的DNA序列改变。
第一代和第二代基因编辑系统分别为ZFNs系统和TALENs系统,都是依赖经过设计的、序列特异性的DNA结合元件和非特异性的DNA切割结构域组成的核酸酶分子,对特定序列进行切割。这两种基因编辑系统由于需要复杂的序列特异性的DNA结合元件,并获得特异性的融合蛋白,流程较为复杂,成本较高。
第三代基因编辑系统为CRISPR/Cas系统(以CRISPR/Cas9系统为代表),其依赖gRNA与Cas酶形成复合体,对靶基因进行编辑,设计更为简单,成本更低,而且编辑效率高,是目前最为流行的基因编辑系统。
尽管与ZFNs和TALENs系统相比具有较强的优势,CRISPR/Cas系统却很难对植物线粒体进行基因编辑。
基于上述原因,目前尚未见使用CRISPR/Cas系统对植物线粒体基因进行编辑的技术,更未见使用CRISPR/Cas系统构建胞质雄性不育系的研究,对植物线粒体的基因编辑技术主流仍是复杂的TALENs系统。
发明内容
本发明要解决的问题是:
1)提供一种利用CRISPR/Cas系统编辑植物线粒体基因的方法;
2)提供一种利用该原理培育胞质雄性不育系的方法;
3)提供一种利用CRISPR/Cas系统培育雄蕊瓣化不育系的方法。
本发明的技术方案如下:
一种用于植物线粒体基因编辑的质粒,所述质粒包括如下2个表达框:
(1)表达Cas9蛋白的表达框,由启动子、靶向线粒体的信号肽基因、Cas9基因和终止子组成;
(2)表达sgRNA的表达框,由启动子、靶点序列和gRNA序列组成;
所述靶点序列是与待编辑靶基因同源的长度16~24bp的序列;所述的“同源”指序列一致。
进一步地,所述Cas9基因序列如SEQ ID NO.6所示;
和/或,所述表达框(1)中的信号肽基因如SEQ ID NO.5所示。
进一步地,所述表达框(1)中的启动子为35S启动子;
和/或,所述表达框(1)中的终止子为nos终止子;
和/或,所述表达框(2)中的启动子为拟南芥U3启动子。
进一步地,所述表达框(2)中靶点序列的靶基因为植物atp9基因;
优选地,所述靶点序列如SEQ ID NO.1所示。
进一步地,所述质粒包括序列如SEQ ID NO.2所述的序列;
优选地,所述质粒为将所述表达框(1)、(2)连入线性化的pCambia1300载体骨架中所得质粒。
一种线粒体基因编辑试剂盒,所述试剂盒包括前述的质粒。
一种重组菌,所述重组菌含有前述质粒。
一种培育植物雄性不育系的方法,包括如下步骤:
1)将前述质粒(所述表达框(2)中靶点序列的靶基因为植物atp9基因)转染进入植物组织;
2)将步骤1)的组织培养成再生植株;
3)通过花器官变异筛选不育系。
进一步地,所述植物为烟草。
进一步地,所述不育系为雄蕊瓣化植株。
本发明的有益效果如下:
本发明在表达Cas酶的质粒中构建靶向线粒体的信号肽片段,使Cas酶能够进入线粒体内部,实现植物线粒体基因的编辑。
通过本发明的方法编辑植物atp9基因,可得到一定比例的雄性不育系,对育种具有较良好的意义。
本发明的方法虽然导致烟草叶片atp9基因的低表达,但意外地导致烟草花中atp9高表达,进而引起雄蕊瓣化,可用于培养观赏花卉的新品种。
显然,根据本发明的上述内容,按照本领域的普通技术知识和惯用手段,在不脱离本发明上述基本技术思想前提下,还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式,对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1:CRISPR/mtCas9载体和atp9基因靶位点的示意图。a.CRISPR/mtCas9载体示意图;b.atp9基因靶位点所在位置示意图。RB:右边界;35S:35S启动子;HPT:潮霉素磷酸转移酶基因;PolyA:PolyA终止子;MtLP:靶向线粒体的信号肽;pCas9:根据植物密码子偏爱性优化后的Cas9序列;Tnos:nos终止子;AtU3:拟南芥的U3启动子;T:靶点序列,用于结合靶DNA;gRNA:sgRNA的锚定序列,用于结合Cas9蛋白。
图2:烟草花器官突变类型及种子。注:WT为野生型;SAF为雄蕊瓣化型;APT为花粉败育型;竖线为标尺,均为5cm。
图3:野生型和突变型烟草叶片中线粒体的相对拷贝数。
图4:atp9基因的序列比对。
图5:atp9基因在叶片和花中的相对表达量。
具体实施方式
实施例1烟草雄性不育系的构建
1.CRISPR/mtCas9表达载体构建
去除密码子优化后的Cas9基因核苷酸序列两端核定位序列,并在其5’端加入靶向线粒体的信号肽核苷酸,利用组成型启动子35S驱动Cas9基因表达,为mtCas9表达框;在线粒体基因atp9的5’端编码区设计靶点序列,并置于gRNA片段的5’端,利用拟南芥U3启动子驱动sgRNA表达,为sgRNA表达框。mtCas9表达框和sgRNA表达框全长为5500bp,由金唯智生物科技有限公司进行基因合成。合成的基因片段名为mtCas9-sgRNA,mtCas9-sgRNA经HindⅢ和KpnI酶切后,连入线性化的pCambia1300载体骨架中,得到了靶向线粒体基因编辑的表达载体CRISPR/mtCas9(图1)。
所述靶点序列(SEQ ID NO.1)为:
GCTTCAGCGGGAGCTGCTAT
mtCas9-sgRNA的序列(SEQ ID NO.2)为:
序列中的标识释义:
(1):35S(SEQ ID NO.3);(2):5’UTR(SEQ ID NO.4);(3):MtLP(SEQ ID NO.5);(4):pCas9(SEQ ID NO.6);(5):Tnos(SEQ ID NO.7);(6):LacZ(SEQ ID NO.8);(7):AtU3(SEQ ID NO.9);(8):T(SEQ ID NO.1);(9):gRNA(SEQ ID NO.10)。
2.转基因烟草的获得与表型观察
转基因烟草的获得:将CRISPR/mtCas9载体通过冻融法转入农杆菌LBA4401中,携带CRISPR/mtCas9载体的农杆菌培养物侵染小块烟草幼嫩叶片后,经共培养、恢复培养、愈伤筛选和再生筛选培养,获得76株烟草再生植株。提取烟草叶片的基因组DNA,并以基因组DNA为模板,利用HYG引物进行PCR检查,结果显示76株烟草再生植株均为转基因植株。
转基因烟草的表型:76株转基因烟草中68株表型与野生型一致,而另外8株转基因烟草的花器官发育异常。花器官的变异类型两种:第一种为雄蕊瓣化型(SAF),瓣化的雄蕊上有发育异常的花药,授粉后蒴果可以发育,成熟蒴果比野生型小,结实率下降了23.6%-48.3%;第二种为花粉败育型(APT),花丝变短,花药开裂异常,花粉量少,授粉后蒴果基本上没有发育,果实内没有种子,结实率为0(图2)。在8株花器官异常发育的转基因烟草中,每株烟草具有的花器官类型均有差异,突变株Nmu44、Nmu52、Nmu70和Nmu80同时具有野生型和雄蕊瓣化型,Nmu43和Nmu46同时具有雄蕊瓣化型和花粉败育型,而Nmu58和Nmu81只有花粉败育型(表1)。
表1转基因烟草的花器官类型
注:WT为野生型;SAF为雄蕊瓣化型;APT为花粉败育型;--为无;+为有。
上述结果表明,本发明的方法可以成功得到一定比例的雄性不育植株,其中包括一定数量的雄蕊瓣化植株。
3.Hi-TOM基因编辑位点检测
为了分析线粒体在野生型和突变型烟草中拷贝数的变化,分别提取了野生型、Nmu43、Nmu58和Nmu80烟草的叶片DNA,将其作为为荧光定量PCR的模板。在线粒体不同区域分别设计两对引物,以Tubulin为内参,进行荧光定量PCR,计算烟草叶片中线粒体的相对拷贝数。结果显示野生型、Nmu43、Nmu58和Nmu80烟草叶片中的线粒体拷贝数差异不显著,表明野生型烟草和突变型烟草线粒体拷贝数基本一致(图3)。
分别提取野生型、Nmu43、Nmu58和Nmu80烟草的叶片基因组DNA和花基因组DNA,并以其为模板,利用atp9基因特异性引物(携带Bridging sequence)进行第一轮PCR扩增,之后以第一轮PCR产物做模板,加入Hi-TOM Mix,进行第二轮PCR扩增。回收的PCR扩增产物由天津诺禾致源生物信息科技有限公司进行高通量测序。测序数据上传到Hi-TOM网址(http://www.hi-tom.net/hi-tom/)进行解析。结果显示在野生型烟草叶片中野生型atp9基因(wtatp9)的比例为79.94%,而Nmu43、Nmu58和Nmu80叶片的比例分别为58.34%、52.06%和64.81%。在野生型烟草花中wtatp9的比例为81.63%,而Nmu43、Nmu58和Nmu80花的比例分别为57.00%、53.11%和49.77%(表2)。与野生型烟草相比,突变型烟草叶片和花中的wtatp9比例均有明显的下降,下降比例15.13%-31.86%。
前述结果说明突变型烟草中有15%-32%wtatp9拷贝的序列发生了突变。
表2 Hi-TOM基因编辑位点检测结果
注:WT为野生型;SAF为雄蕊瓣化型;APT为花粉败育型。
4.atp9基因的TA克隆及测序
为了检测atp9基因的编辑位点,利用atp9基因的特异性引物扩增野生型烟草和花粉败育型烟草Nmu80基因组DNA的atp9基因片段,进行TA克隆,分别挑取50个阳性克隆送至上海生物工程有限公司进行测序。
测序结果分析发现有Nmu80中有两个克隆在靶位点有95个碱基的缺失(图4),并且这种变异的atp9基因类型在野生型中没有。
该结果进一步表明,线粒体atp9基因被成功地编辑。
5.atp9基因的表达量鉴定
为了分析atp9基因在野生型和突变型烟草中相对表达量的变化,分别提取了野生型、Nmu43、Nmu58和Nmu80烟草的叶片和花的RNA,反转录为cDNA,以其为荧光定量PCR的模板。根据atp9基因的序列,设计荧光定量PCR所需引物。以Tubulin为内参,进行荧光定量PCR,并计算样品的相对表达量。
结果显示,与野生型烟草相比,突变型烟草叶片中atp9基因的表达量均下降,分别为野生型烟草的47%、56%和38%;而突变型烟草花中atp9基因的表达量显著增加,分别为野生型烟草的9.2倍、9.3倍和2.1倍(图5)。
花中atp9基因表达量增加与瓣化相关,已在Szklarczyk等(Mitochondrial atp9genes from petaloid male-sterile and male-fertile carrots differ in theirstatus of heteroplasmy,recombination involvement,post-transcriptionalprocessing as well as accumulation of RNA and protein product[J].Theoretical&Applied Genetics,2014.)在胡萝卜瓣化不育系的研究中被阐明。但是,本发明使用基因敲除的手段原本目的是敲除atp9基因,但反而导致花器官内atp9表达的提升,最终引起雄蕊瓣化,这是事先未曾预料到的。
发明人推测由于在突变型烟草中atp9基因的序列变异,导致功能正常的ATP9蛋白量下降,而在需要大量能量的花器官中,可能存在一种负反馈调控机制,增加了atp9基因的表达量。
综上,本发明的方法可以成功地对植物线粒体基因进行编辑,使其产生雄性不育表型,并包括了雄蕊瓣化表型。当将本发明的方法应用于其他植物,和/或改变靶基因、替换质粒转染方式(例如电转、基因枪等),其中心构思并未改变,均在本发明的范围内。
SEQUENCE LISTING
<110> 中国科学院西北高原生物研究所
<120> 利用线粒体基因编辑系统培育植物雄性不育系的方法
<130> GY417-2020P0112116CC
<160> 10
<170> PatentIn version 3.5
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<212> DNA
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<212> DNA
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agggcaattg agacttttca acaaagggta atatccggaa acctcctcgg attccattgc 120
ccagctatct gtcactttat tgtgaagata gtggaaaagg aaggtggctc ctacaaatgc 180
catcattgcg ataaaggaaa ggccatcgtt gaagatgcct ctgccgacag tggtcccaaa 240
gatggacccc cacccacgag gagcatcgtg gaaaaagaag acgttccaac cacgtcttca 300
aagcaagtgg attgatgtga tatctccact gacgtaaggg atgacgcaca atcccactat 360
ccttcgcaag acccttcctc tatataagga agttcatttc atttggagag gacgtcgaga 420
gttctcaaca caacatatac aaaacaaacg aatctcaagc aatcaagcat tctacttcta 480
ttgcagcaat ttaaatcatt tcttttaaag caaaagcaat tttctgaaaa ttttcaccat 540
ttacgaacga tagccatgct ttcactacgt caatctataa gatttttcaa gccagccaca 600
agaactttgt gtagctctag atatctgctt cagcaaaaac ccgtggtgaa aactgcccaa 660
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tactccatcg gcctcgacat cggcaccaac agcgtcggct gggcggtgat caccgacgag 840
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aagaacctca tcggcgccct cctcttcgac tccggcgaga cggcggaggc gacccgcctc 960
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atcttctcca acgagatggc gaaggtcgac gactccttct tccaccgcct cgaggagtcc 1080
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tctactgata aggctgatct tcgtctcatc taccttgctc tcgctcacat gatcaagttc 1260
cgtggtcact tccttatcga gggtgacctt aaccctgata actccgacgt ggacaagctc 1320
ttcatccagc tcgtccagac ctacaaccag ctcttcgagg agaaccctat caacgcttcc 1380
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cagtacgctg atctcttcct tgctgctaag aacctctccg atgctatcct cctttcggat 1680
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ttcgataacg gctctatccc tcaccagatc caccttggtg agcttcacgc catccttcgt 2040
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ggtgcttccg cccagtcctt catcgagcgc atgaccaact tcgacaagaa cctccccaac 2280
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gatgagcttg tcaaggttat gggtcgtcac aagcctgaga acatcgtcat cgagatggct 3060
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gaggagggta tcaaggagct tggttctcag atccttaagg agcaccctgt cgagaacacc 3180
cagctccaga acgagaagct ctacctctac tacctccaga acggtaggga tatgtacgtt 3240
gaccaggagc tcgacatcaa caggctttct gactacgacg tcgaccacat tgttcctcag 3300
tctttcctta aggatgactc catcgacaac aaggtcctca cgaggtccga caagaacagg 3360
ggtaagtcgg acaacgtccc ttccgaggag gttgtcaaga agatgaagaa ctactggagg 3420
cagcttctca acgctaagct cattacccag aggaagttcg acaacctcac gaaggctgag 3480
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aggcagatta ccaagcacgt tgctcagatc ctcgattcta ggatgaacac caagtacgac 3600
gagaacgaca agctcatccg cgaggtcaag gtgatcaccc tcaagtccaa gctcgtctcc 3660
gacttccgca aggacttcca gttctacaag gtccgcgaga tcaacaacta ccaccacgct 3720
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ggtgacctta accctgataa ctccgacgtg gacaagctct tcatccagct cgtccagacc 600
tacaaccagc tcttcgagga gaaccctatc aacgcttccg gtgtcgacgc taaggcgatc 660
ctttccgcta ggctctccaa gtccaggcgt ctcgagaacc tcatcgccca gctccctggt 720
gagaagaaga acggtctttt cggtaacctc atcgctctct ccctcggtct gacccctaac 780
ttcaagtcca acttcgacct cgctgaggac gctaagcttc agctctccaa ggatacctac 840
gacgatgatc tcgacaacct cctcgctcag attggagatc agtacgctga tctcttcctt 900
gctgctaaga acctctccga tgctatcctc ctttcggata tccttagggt taacactgag 960
atcactaagg ctcctctttc tgcttccatg atcaagcgct acgacgagca ccaccaggac 1020
ctcaccctcc tcaaggctct tgttcgtcag cagctccccg agaagtacaa ggagatcttc 1080
ttcgaccagt ccaagaacgg ctacgccggt tacattgacg gtggagctag ccaggaggag 1140
ttctacaagt tcatcaagcc aatccttgag aagatggatg gtactgagga gcttctcgtt 1200
aagcttaacc gtgaggacct ccttaggaag cagaggactt tcgataacgg ctctatccct 1260
caccagatcc accttggtga gcttcacgcc atccttcgta ggcaggagga cttctaccct 1320
ttcctcaagg acaaccgtga gaagatcgag aagatcctta ctttccgtat tccttactac 1380
gttggtcctc ttgctcgtgg taactcccgt ttcgcttgga tgactaggaa gtccgaggag 1440
actatcaccc cttggaactt cgaggaggtt gttgacaagg gtgcttccgc ccagtccttc 1500
atcgagcgca tgaccaactt cgacaagaac ctccccaacg agaaggtcct ccccaagcac 1560
tccctcctct acgagtactt cacggtctac aacgagctca ccaaggtcaa gtacgtcacc 1620
gagggtatgc gcaagcctgc cttcctctcc ggcgagcaga agaaggctat cgttgacctc 1680
ctcttcaaga ccaaccgcaa ggtcaccgtc aagcagctca aggaggacta cttcaagaag 1740
atcgagtgct tcgactccgt cgagatcagc ggcgttgagg accgtttcaa cgcttctctc 1800
ggtacctacc acgatctcct caagatcatc aaggacaagg acttcctcga caacgaggag 1860
aacgaggaca tcctcgagga catcgtcctc actcttactc tcttcgagga tagggagatg 1920
atcgaggaga ggctcaagac ttacgctcat ctcttcgatg acaaggttat gaagcagctc 1980
aagcgtcgcc gttacaccgg ttggggtagg ctctcccgca agctcatcaa cggtatcagg 2040
gataagcaga gcggcaagac tatcctcgac ttcctcaagt ctgatggttt cgctaacagg 2100
aacttcatgc agctcatcca cgatgactct cttaccttca aggaggatat tcagaaggct 2160
caggtgtccg gtcagggcga ctctctccac gagcacattg ctaaccttgc tggttcccct 2220
gctatcaaga agggcatcct tcagactgtt aaggttgtcg atgagcttgt caaggttatg 2280
ggtcgtcaca agcctgagaa catcgtcatc gagatggctc gtgagaacca gactacccag 2340
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tacctctact acctccagaa cggtagggat atgtacgttg accaggagct cgacatcaac 2520
aggctttctg actacgacgt cgaccacatt gttcctcagt ctttccttaa ggatgactcc 2580
atcgacaaca aggtcctcac gaggtccgac aagaacaggg gtaagtcgga caacgtccct 2640
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attacccaga ggaagttcga caacctcacg aaggctgaga ggggtggcct ttccgagctt 2760
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gaggtcaagg tgatcaccct caagtccaag ctcgtctccg acttccgcaa ggacttccag 2940
ttctacaagg tccgcgagat caacaactac caccacgctc acgatgctta ccttaacgct 3000
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ggtaagtcga agaagctcaa gtccgtcaag gagctcctcg gcatcaccat catggagcgc 3540
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atcaccggtc tttacgagac tcgtatcgac ctttcccagc ttggtggtga ttag 4134
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 7
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<212> DNA
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at 122
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<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 10
gttttagagc tagaaatagc aagttaaaat aaggctagtc cgttatcaac ttgaaaaagt 60
ggcaccgagt cggtgctttt ttt 83
- 利用线粒体基因编辑系统培育植物雄性不育系的方法
- 植物雄性不育系及其恢复系的培育方法