1 农业与生物经济中心,未来环境研究所,昆士兰科技大学(QUT),布里斯班,QLD 4001,澳大利亚 2 ARC 自然与农业植物成功卓越中心,布里斯班,QLD 4001,澳大利亚 3 现地址:动物科学中心,昆士兰农业与食品创新联盟(QAAFI),昆士兰大学,布里斯班 QLD 4072 澳大利亚。 4 意大利国家新技术、能源和可持续经济发展局(ENEA),Casaccia Res Ctr,Via Anguillarese 301,00123 Roma 意大利。 5 基因组学技术,Corteva Agriscience,约翰斯顿,IA 50131,美国。 6 植物分子与细胞生物学研究所 (IBMCP)、高等科学研究委员会 (CSIC)、巴伦西亚理工大学、Camino de Vera s/n, 46022 巴伦西亚,西班牙。 7 米兰大学,Via Celoria 26, 20133 米兰,意大利。 8 林肯大学农业与生命科学学院葡萄酒食品与分子生物科学系,邮政信箱 85054,林肯 7647,坎特伯雷,新西兰 *对本手稿有同等贡献 摘要
摘要基于 CRISPR 结构的转录调控因子扩展了我们重新编程植物内源基因表达的能力。它们的潜在应用之一是通过激活给定代谢途径中的选定酶来定制植物代谢组。使用之前描述的可多路复用的 CRISPR 激活剂 dCasEV2.1,我们测定了烟草叶中四种不同黄酮类化合物(即柚皮素、圣草酚、山奈酚和槲皮素)的选择性富集。在仔细选择目标基因和引导 RNA 组合后,我们为这四种代谢物中的每一种创建了成功的激活程序,每个程序激活 3 到 7 个基因,单个基因激活水平范围为 4 到 1500 倍。对每个多基因激活程序的黄酮类化合物谱进行代谢分析显示,目标代谢物及其糖基化衍生物的富集明显且具有选择性。值得注意的是,非目标代谢谱的主成分分析根据其活化处理清楚地区分了样品,而层次聚类将样品分成五组,对应于预期的四个高度富集的代谢物组和一个未活化的对照。这些结果表明,dCasEV2.1 是一种强大的工具,可以重新引导代谢通量以积累感兴趣的代谢物,为植物中代谢内容的定制设计打开了大门。
图 1 本研究针对的四种脯氨酰-4-羟化酶-4 ( NbP4H4 ) 基因、用于靶向它们的 gRNA 以及显示关键元素的二元载体 pBV113 的一部分的示意图。基因以示意图形式绘制,左下图中扩大了前三个外显子(框)和内含子(虚线),以显示八个 gRNA 的靶位。G3(红色)靶向所有四个基因,而其他七个基因(G1、G2、G5 和 G6 为绿色,表示它们未用于稳定转化实验,G4 为蓝色,G7 为粉色,G8 为橙色)则特定于 NbP4H4_1 和 NbP4H4_2 。右下图显示了二元载体 pBV113 的一部分,其中显示了 NbP4H4_1 中 gRNA 位点周围的关键元素。包含 G3 的编辑盒由黄叶卷曲病毒 (CmYLCV) 启动子驱动,并插入二元载体的 SapI 位点。处理系统包括 Csy4 位点以及优化的 gRNA 支架 (osgRNA)
1 瓦伦西亚理工大学高等科学研究委员会植物分子和细胞研究所,ES-46022 瓦伦西亚,西班牙; gapizzio@gmail.com (差距); crimaru1@ibmcp.upv.es (CM); lojujo@ibmcp.upv.es(JL-J.); vicgarb4@upvnet.upv.es(VG-C.); marvazvi@ibmcp.upv.es(MV-V.); dorzaez@ibmcp.upv.es (DO) 2 工厂生产系,瓦伦西亚理工大学,ES-46022 瓦伦西亚,西班牙; sergonne@ebvg.upv.es 3 PMI 研发部,菲利普莫里斯产品公司,Quai Jean Renaud 5,CH-2000 Neuchâtel,瑞士; kacper.kaminski@pmi.com(KPK); nikolai.ivanov@pmi.com (NVI) 4 圣地亚哥德孔波斯特拉大学有机化学系单一分子研究中心 (CiQUS),15782 圣地亚哥德孔波斯特拉,西班牙; juancarlos.estevez@usc.es 5 西班牙马德里岩石与矿物学研究所,晶体结构生物学系,CSIC,ES-28006; mrmoreno@iqfr.csic.es(MR-M.); xalbert@iqfr.csic.es (AA) * 通信地址:prodriguez@ibmcp.upv.es;电话:+34-963-877-860