利用CRISPR/Cas9技术敲除水稻miRNA

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水稻(Oryza sativa)是重要粮食作物,且是单子叶模式植物,研究水稻基因功能对提高作物产量及其他农艺性状意义重大。CRISPR/Cas9是近年来快速发展起来的基因编辑技术,可以实现对编码基因的定向和快速敲除。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创造水稻突变体,已经成为利用反向遗传学研究水稻基因功能的重要手段,也是创造优良水稻遗传种质资源的重要方式。micro RNAs(mi RNAs)是长度为20-24个核苷酸(nucleotide,nt)的一类小分子RNA,主要通过剪切靶m RNA和抑制靶蛋白翻译方式,调控植物生长发育和响应环境胁迫等生物学过程,近来水稻中也发现长度为24-nt的mi RNA,可以通过DNA甲基化方式在转录水平调控靶基因表达。mi R408是植物保守21-nt mi RNA,研究表明,过量表达mi R408可以提高水稻产量,但其调控机制仍不明确;mi R1876和mi R1850前体可以产生水稻特异24-nt mi RNA,但其生物学功能尚不清楚。获得mi RNA缺失突变体对研究水稻mi RNA功能和作用机制必不可少。本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了水稻mi R408、mi R1850和mi R1876功能缺失突变体并对其后代植株进行了表型分析。主要研究结果如下:1.针对mi RNA前体序列,分别设计两个靶位点,并根据CRISPR-GE网站评估脱靶率,设计最优靶序列。2.利用CRISPR/Cas9植物基因编辑系统分别构建了Osmi R408Cas9、Osmi R1850Cas9和Osmi R1876Cas9双元转化载体,并将其导入农杆菌,利用农杆菌转化法转化水稻,获得了大量转基因植株,转基因阳性率达到50%以上。3.对阳性转基因植株进行突变效率验证发现mi R408、mi R1850和mi R1876的前体突变效率分别是34.5%、68.9%、15.4%,而且突变测序结果显示U6a启动子驱动sg RNA的编辑效率显著高于U3启动子。4.获得了敲除mi R408、mi R1850和mi R1876的T1代突变体植株,通过与野生型比较发现,mi R408Cas9转基因植株发芽率变低,长势变弱;而mi R1850Cas9和mi R1876Cas9转基因植株根系增大,长势较好,表明CRISPR/Cas9敲除上述mi RNA可以显著影响水稻生长发育。本研究一方面证明了利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除水稻内源mi RNA的可行性,另一方面也为水稻mi RNA功能研究和水稻株型改良工作提供了突变体遗传材料。
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