CRlSPR/Cas9技术编辑普通烟草NtBRI1基因及其生物学效应研究

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烟草是我国重要经济作物,植株的生长发育直接关系到烟叶的品质。油菜素内酯(BRs)是一种重要的、对植物生长发育有着多方面调控作用的激素。油菜素内酯受体BRI1是一个单次跨膜的富含亮氨酸重复序列的类受体蛋白激酶(leucine-rich repeat receptor-like protein kinase,LRR-RLKs),该蛋白是BR信号转导途径的关键组分,目前对普通烟草中NtBRI1基因的研究较少,对BRI1的功能机制尚不明晰。因此,本实验利用CRISPR/Cas9 基因编辑技术编辑普通烟草NtBRI1基因,对T0突变体的NtBRI1基因进行生物信息学分析,筛选关键结构域改变的突变体测定其 NtBRI1 基因表达量和观察其表型,以期初步解析普通烟草NtBRI1基因的生物学效应,为后续研究创制新的遗传材料。研究结果如下:  (1)CRISPR/Cas9定点突变NtBRI1基因  利用CRISPR/Cas9技术编辑NtBRI1基因,获得26株突变体,突变效率为25.7%(26/101)。靶位点 1编辑效率为 43.8%(91/208);靶位点 2编辑效率为71.2%(148/208)。突变以1-5bp的短片段的删除、插入或替换为主,也有 2 个克隆分别发生33bp和68bp的删除。在位点 1碱基发生突变的情况主要以碱基替换为主(75/208);在位点2碱基突变类型较多,以单碱基插入为主。  (2)T0突变体NtBRI1基因的生物信息学分析  筛选突变类型不同的T0突变体B-2、B-3、B-4、B-10、B-20、B-21、B-24做NtBRI1 基因的生物信息学分析。结果表明,突变体NtBRI1基因功能结构域相同,在 N端(52 - 87)都含有一个富含亮氨酸的重复序列,中间(194–207、243–301、312–372)含有亮氨酸重复序列。与野生型相比,中间的亮氨酸重复序列减少,无经典亚型亮氨酸重复序列,C端无蛋白激酶结构域。各突变体NtBRI1基因的蛋白二级结构以无规卷曲为主,还包括α螺旋和延伸链。各突变体NtBRI1 基因蛋白三级结构相似,与野生型 NtBRI1 基因蛋白三级结构差异较大。T0突变体NtBRI1基因的编辑导致其关键结构域即蛋白激酶结构域(Protein kinase domain)缺失,从而使其三级结构与野生型差异明显。  (3)T0突变体NtBRI1基因表达差异分析及其表型观察  通过对T0突变体NtBRI1基因表达差异分析,发现突变体NtBRI1基因表达量均低于野生型,说明NtBRI1基因的编辑影响了NtBRI1基因的表达。NtBRI1基因表达量下降最明显的B-4、B-20和 B-24,突变位点一致,表明相同突变位点的突变对NtBRI1基因表达的影响相似。  观察T0突变体表型,发现突变体株高、节距均小于野生型,且突变体和野生型的差距随着植株生长在不断增大。不同突变体出现的性状存在差异,包括叶片数增多、现蕾期推迟、低叶位多分杈等。所获得的 T0突变体表型各有差异,为后续研究创制了丰富的遗传材料。
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