《遗传发育所等在优质牧草羊草基因组演化与育种方面取得进展》

  • 来源专题:生物育种
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2023-11-10
  •     我国各类天然草原草地约占国土面积的41%,是耕地面积的三倍。草种业被认为是国家战略性产业,也是确保草地生态与草牧业可持续发展的关键。随着国内经济水平的不断提高,我国对高质量蛋白质来源如肉、蛋、奶等的需求逐渐增加,对牧草的需求也相应增长。因此,研究和发展国内草地的乡土草种,对推动草种业的发展具有重要意义。

        羊草,一种属于禾本科小麦族的优质牧草,被誉为“禾草之王”,也是我国重要的乡土草种和欧亚草原上的优势草种之一。羊草以发达的根状茎而著称,具备耐寒、耐旱、耐盐碱、防风固沙等特点。同时,羊草具有高营养价值和适口性而成为优质牧草,具有重要的生态价值和经济价值。然而,由于羊草基因组庞大且存在高度杂合性,导致羊草基因组学研究及其特性的解析颇具挑战性。

        中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队解析了羊草基因组,揭示了其演化规律,并通过羊草基因组编辑体系提高了羊草生物量相关性状,助力草种业进入以“大数据+生物技术”为特征的智慧育种新时代。10月24日,相关研究成果以Genome evolution and initial breeding of the Triticeae grass Leymus chinensis dominating the Eurasian Steppe为题,发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS,DOI:10.1073/pnas.2308984120)上。

        该研究选取了东北羊草草场(125°42′-130°10′E,44°04′-46°40′N)中具有较强根状茎的单株进行基因组组装(被命名为Lc6-5)。研究利用最新测序技术和方法组装获得了羊草基因组。它的大小约8 Gb,搭载染色体的contig N50超过300 Mb,重复序列占全基因组87.76%。由于羊草基因组的高杂合性,该工作进行了单倍型水平的组装。上述成果为更深入的研究提供了基因组资源。?基于精准的基因组信息及small RNA数据,科研人员鉴定出禾本科特异的microRNA,并通过表达图谱确定MIR528在叶片具有很高的表达丰度。该研究进一步利用实验室建立的羊草Lc6-5的CRISPR/Cas9编辑体系,对MIR528进行敲除。结果发现,羊草的分蘖数目及生长速率均有明显升高。该团队组装的羊草基因组以及创建的适用于羊草的基因组编辑体系,为提升羊草产量与品质提供了可能,并为羊草的快速改良和基因组育种创立了先例。

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    • 编译者:季雪婧
    •     基因编辑技术在植物中的开发和应用,为分子设计育种带来了革命性的变化。基于基因编辑技术建立基因精细调控的方法对于精准设计育种至关重要。目前应用最广泛的基因表达调控方法如CRISPR-Cas、CRISPRi和RNAi等技术,只能实现对基因的完全敲除或将基因的表达抑制到不可预测的水平。利用CRISPR-Cas9技术对启动子区域进行编辑,可以在转录层面将基因的表达调控至不同的水平,并产生大量不可预测的数量性状变异。而这种方法将耗费大量精力用以筛选理想的突变体。因此,开发新的能够可预测地精细调控基因表达的方法可以拓展现有的基因表达调控工具箱,为作物遗传改良提供有力的技术支撑。   上游开放阅读框(upstream open reading frame,uORF)是真核生物mRNA上普遍存在的翻译调控元件,对基因主效开放阅读框(primary open reading frame,pORF)的翻译具有抑制作用。2018年,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组率先利用CRISPR-Cas9技术对uORF进行编辑,建立了精细上调内源基因翻译的方法,并利用该方法培育出维生素C含量显著提高的生菜种质(Zhang et al., Nat. Biotechnol., 2018;Si et al., Nat. Protoc., 2020)。2020年,高彩霞研究组将这一技术应用于草莓的遗传改良,获得了梯度糖分的系列草莓新种质(Xing et al., Genome Biol., 2020)。近日,高彩霞研究组基于既往研究,进一步开发出能够可预测地精细下调目标基因蛋白表达的新方法。   uORF的长度及uORF与pORF之间的距离等多种因素均影响uORF对pORF翻译的抑制能力。因此,研究设想可通过以下两种策略抑制目标基因的翻译:一是在目标基因的5’ 非翻译区(5' untranslated region, 5’ UTR)从头产生新的uORF;二是原位突变内源uORF的终止密码子以延伸其表达框长度。原生质体瞬时系统的结果表明,这两种策略可以有效地将pORF的翻译抑制到不同的水平,且对其mRNA的表达量几乎没有影响。此后,研究利用碱基编辑和引导编辑系统获得了含有新创制uORF或内源uORF被延伸的水稻突变体植株,通过对突变体植株的蛋白表达水平和表型进行检测,发现突变体中引入的uORF变体对目标蛋白表达和表型的影响与瞬时系统结果一致。   为了实现对目标基因的表达进行连续的梯度下调,本研究结合以上两种策略,分别在水稻的OsTCP19、OsTB1和OsDLT基因的5’ UTR区域设计了一系列具有不同抑制能力的uORFs,瞬时系统的结果表明pORF的翻译水平被梯度地抑制到了原始水平的2.5-84.9%,实现了对基因的梯度敲降。OsDLT基因编码GRAS蛋白家族成员,参与水稻油菜素内酯信号转导途径,调控水稻株高、分蘖数、种子大小等多个重要农艺性状。该研究以OsDLT基因为靶标,通过编辑OsDLT基因的5’ UTR,获得了一组具有不同叶夹角、株高和分蘖数的突变体,且突变体的表型变化趋势与瞬时系统预测结果一致。
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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
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