Genome Biology | 华中农大/石河子大学开发高效碱基编辑器定向进化GhTFL1基因创制理想株型棉花

2024年2月28日 0条评论 268次阅读 0人点赞

在漫长的作物人工选育过程中，人类通过人工选择的方式定向选育具有优良性状的基因突变株。然而，基因的自然变异速率低，无法满足当今人类社会发展对农作物的需求。植物的定向进化（Directed Evolution）则是通过创制靶标蛋白的突变文库，在施加一定选择压力下快速获得目的突变体。碱基编辑器的出现，为植物功能基因的定向进化提供了工具。利用碱基编辑工具可以同时靶向成千上万个基因，在短时间内创制大量的新等位基因材料，用于育种实践。后期可以剔除外源T-DNA成分，快速地将感兴趣的功能变异位点导入到栽培品种中，进行品种的快速升级换代。目前在动植物上已有使用碱基编辑工具定向进化功能蛋白从而获得具有重要功能的突变位点和关键氨基酸。

棉花是重要的经济作物和天然纤维的重要来源。近年来，我国棉花生产向新疆转移。新疆的气候条件及高度机械化等因素决定了棉花品种需具备早熟、株型紧凑、吐絮集中等特性。植物成花素（FT）和抗成花素（TFL1）激素系统协同调控营养生长和生殖生长，最终决定植物的株型结构。目前成花素-抗成花素系统在棉花育种改良中的应用还不成熟。通过CRISPR/Cas9敲除抗成花素基因GhTFL1，得到的是极端矮化，极早开花的极端突变体，不具备育种利用价值。

近日，华中农业大学金双侠教授课题组联合新疆石河子大学聂新辉教授课题组通过优化腺嘌呤脱氨酶，在棉花中建立了高效的腺嘌呤碱基编辑器GhABE8e，并利用GhABE8e对GhTFL1进行高密度的碱基突变，从而获得大量中间表型的突变体材料，并从中发掘出控制棉花理想株型的新遗传位点，创制出株高适中、果枝缩短、株型紧凑以及生育期缩短的棉花新种质，实现GhTFL1基因的快速定向进化。

图2 碱基编辑器定向进化GhTFL1的流程图

基于高活性的GhABE8e，该研究进一步针对棉花抗成花素GhTFL1基因的启动子区和基因编码区，设计了高密度sgRNA，实现GhTFL1基因的定向进化（图2）。通过对编辑材料进行表型鉴定，在所创制的突变体中发现GhTFL1L86P表现出果枝缩短，主茎顶端成簇开花，从而形成自封顶的表型。后代表现出更加明显的株高降低，果枝直接着生于主茎的零式果枝表型。GhTFL1K53G+S78G也表现出果枝缩短，且主茎顶端成簇开花的表型（图3）。

图3 GhTFL1L86P和GhTFL1K53G+S78G突变体T1代的表型及基因型分析

该研究进一步对jin668、GhTFL1L86P以及本研究创制的GhTFL1的CRISPR/Cas9敲除材料（Ghtfl1）进行转录组测序和分析，结果发现GhTFL1L86P和Ghtfl1材料中GhAP1基因的表达量上调以及Gh14-3-3基因的表达量下调。进一步通过Y2H、LCI以及BiFC实验证明GhTFL1突变前和GhTFL1L86P均能与GhAP1、Gh14-3-3互作，但GhTFL1L86P与GhAP1、Gh14-3-3之间的互作强度降低（图4）。

图4 GhTFL1L86P和GhTFL1K53G+S78G突变体调控植物株型的分子机制

该研究根据棉花机械化产业发展的重大需求，聚焦阻碍棉花株型育种的限制因素，从生物技术平台建设与株型育种两个方面入手，首先构建和优化适用于棉花的高效的ABE碱基编辑系统，随后构建靶基因高密度文库，并围绕碱基编辑定向进化辅助筛选棉花理想株型开展了一系列的研究工作，为株型精准调控提供重要理论基础，以及为获得高产、高效、优质的机采棉提供重要育种基础材料。

上述研究成果已于近日在国际知名学术期刊Genome Biology在线发表，题目为Precise fine-turning of GhTFL1 by base editing tools defines ideal cotton plant architecture。华中农业大学金双侠教授、张献龙院士和石河子大学聂新辉教授为共同通讯作者，华中农业大学博士后王冠英为第一作者。该研究获得国家杰出青年科学基金和中国博士后科学基金等项目支持。

第三排左1：第一作者王冠英博士；

第一排左三：共同通讯作者张献龙院士;

第一排左四：共同通讯作者金双侠教授.

棉花生物技术与抗虫基因工程课题组介绍：

课题组负责人：金双侠，华中农业大学教授，国家杰出青年基金获得者，教育部青年长江学者。2007年至2012年在美国宾夕法尼亚大学Henry Daniell教授实验室从事博士后研究，主攻方向是植物叶绿体（质体）基因工程和合成生物学。回国后该课题组继续攻坚棉花生物技术和抗虫基因工程研究，创制了高体细胞胚胎发生能力的棉花基因型-YZ-1和Jin668，开发了CRISPR/Cas9, Cas12a, 12b, Cas13a, 13b,13d, 13Rx，ABE, CBE碱基编辑器，dCas-TV转录激活及RNA m6A表观修饰等10多套基因编辑工具，在植物生物技术领域持续发表高水平研究论文，形成了较大学术影响力，是国际上棉花生物技术开发的主要研究力量。目前担任Plant Biotechnology Journal 执行主编、Genome Biology 编委和Crop Journal副主编。

文章来源：植物生物技术Pbj

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