利用CRISPR/Cas9技术创建甘蓝型油菜染色体联会紊乱突变体

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减数分裂是有性生殖生物世代交替的关键环节,在此过程中同源染色体完成识别、配对、联会、非姊妹染色单体间的片段交换及分离等一系列重要事件。配对的同源染色体间会形成联会复合体,交换于此完成。模式植物拟南芥中,AtZYP1是形成联会复合体的横向细丝蛋白。zyp1突变体减数分裂中,联会复合体不能形成,同源染色体间的交换数量显著减少,但是部分同源染色体间的交换增加。甘蓝型油菜(Brassica napus L)为异源四倍体,基因组复杂,且由于缺少相关突变体,减数分裂遗传调控方面的研究较少。本研究中,我们利用CRISPR技术,对甘蓝型油菜ZYP1的四个同源基因进行编辑,获得突变体材料,研究其在甘蓝型油菜减数分裂中的功能。利用这些突变体为中间材料,也可能促进油菜染色体与近缘种染色体间的交换,从而将近缘种优异基因导入油菜中。主要研究结果如下:(1)利用拟南芥AtZYP1序列进行同源比对,在白菜、甘蓝与甘蓝型油菜中分别发现2、2与4个同源基因。以这些基因序列为基础,构建了同时靶向甘蓝型油菜BnZYP1四个拷贝的双靶点CRISPR/Cas9载体,利用农杆菌介导法转化甘蓝型油菜Westar,T0代共获得143个独立转化株,其中62个为Cas9阳性植株,测序分析发现所有单株均至少有一个拷贝被成功编辑,突变率100%。(2)序列分析发现,T0代植株突变的类型在不同靶点间、不同拷贝间存在较大差异。靶点1发生替换的概率平均为55.9%,插入为10%,缺失为8.8%;靶点2则分别为34.6%、40.6%和10%。T0代BnaA07g20670D、BnaA07g34050D、BnaC06g20530D和BnaC06g38690D各拷贝的突变率分别为100%、88.7%、74.2%、80.6%;BnaA07g20670D替换的概率平均为50.4%,插入为19.5%,缺失为7.1%;BnaA07g34050D分别为54.4%、25.2%、7.8%;BnaC06g20530D分别为35.5%、46.8%、17.7%;BnaC06g38690D分别为21.2%、27.3%、12.1%。T0代未获得四个拷贝纯合突变单株。(3)对来自于4个T0代单株的32个T1代植株进行突变位点的鉴定,结果发现T0代的突变可以稳定遗传;同时Cas9蛋白在T1代也会切割产生新的突变,概率为2.34%。32个T1代植株中,四个拷贝在氨基酸水平均发生突变的有19株,且其中2株四个拷贝均为纯合突变。(4)对突变株的表型考察发现,T0代有7个单株较野生型植株花粉可染率显著降低(63.9%-82.7%),另有4个单株,雄蕊干瘪皱缩,表现为雄性败育,未获得自交和杂交种子。T1代2个突变体单株同样表现为雄蕊干瘪皱缩,无可染、饱满的花粉产生,另有3个T1代突变体植株花粉可染率在25%左右。上述突变体花粉母细胞在减数分裂I中期、减I后期、减Ⅱ中期和减Ⅱ后期出现大量染色体落后现象。
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