虽然不透明蛋白2(Opaque2,o2)突变增加了玉米的赖氨酸含量,但o2是一种转录因子,可以调节玉米蛋白以外的广泛基因网络,从而导致多效性和不良影响。此外,19kDa和22kDa α-玉米蛋白(α-zein)的急剧减少导致面粉粒不适合农业用途。优质蛋白玉米(QPM)通过修饰等位基因的渗入克服了不良的籽粒结构。然而,QPM仍然缺乏一个功能性的o2转录因子,o2突变对非赖氨酸氨基酸有影响。基因编辑技术CRISPR/Cas9能够直接靶向人们感兴趣的基因,是玉米品质研究的重要手段。
2023年11月21日,Hurst等人在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal发表了题为“Editing the 19kDa alpha-zein gene family generates nonopaque2-based quality protein maize”的研究论文。该研究使用CRISPR/cas9对α-玉米蛋白基因家族的19kDa亚类进行编辑,创制了非转基因、不基于Opaque2转录因子的优质蛋白玉米品系。
该研究利用基因编辑技术CRISPR/Cas9特异性靶向19kDa的α-玉米蛋白基因家族。通过仅靶向19kDa亚类,希望实现蛋白质组的再平衡,同时对蛋白体造成最小的结构降解。他们设计了6个gRNA,靶向 z1A (Chr04)和z1B (Chr07)亚家族中的21个基因拷贝。编辑后的等位基因通过PCR筛选,最终获得无转基因品系。他们将初级转化体与含有27kDa的γ-玉米蛋白(含o2修饰位点)重复的玉米系杂交,解释了胚乳质地的潜在损失。
该研究显示,编辑部分19kDa玉米蛋白(但不是全部)可使赖氨酸含量增加30%,硬质胚乳也增强。而完全敲除19kDa导致赖氨酸几乎没有增加,作者将其解释为22kDa的α-玉米蛋白的明显再平衡,即:在没有o2突变和α-玉米蛋白完全敲除的情况下能够发生蛋白质组再平衡。
基因编辑株系的赖氨酸含量比野生型增加了30%,虽然不像QPM那样增加55%的赖氨酸,但与QPM相比,基因编辑系对其他氨基酸水平的影响很小。此外,包含部分减少的19kDa的编辑系显示出具有完全19kDa敲除的种子结构的优势。这些结果证明了单独编辑19kDa的α-玉米蛋白家族可以在保留硬质胚乳和功能性O2转录因子的同时增强赖氨酸的概念。
这里采用的编辑策略是一种概念证明,它可以在保留硬质胚乳的同时,将优质杂交玉米转化为优质蛋白玉米。田间试验可以测试这些品系在产量和抗病性等指标上是否优于含o2的QPM。此外,该研究产生的分离体对进一步研究玉米蛋白体形成、胚乳发育和蛋白质组再平衡具有价值。