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94 个 CRISPR-Cas9 表达 T0 转基因烟草株系的基因编辑谱揭示了目标基因的高嵌合编辑频率
摘要：嵌合编辑是基因编辑中经常报道的技术。为了评估嵌合编辑的普遍情况，我们构建了携带标记β-葡萄糖醛酸酶基因（gusA）的转基因烟草品系，并将CRISPR-Cas9编辑载体引入转基因烟草品系中以敲除gusA，然后研究T0代及后续代中gusA的编辑效率。编辑载体携带一个由花椰菜花叶病毒35S启动子驱动的Cas9基因，以及两个引导RNA，gRNA1和gRNA2，分别由拟南芥U6（AtU6）和U3（AtU3）启动子驱动。两个gRNA被设计用于敲除gusA编码区的一个42个核苷酸的片段。利用农杆菌介导的转化和潮霉素选择将编辑载体转化到含有gusA的烟草叶中。使用抗潮霉素的独立 T 0 转基因株系通过组织化学 GUS 测定、聚合酶链式反应 (PCR) 和 PCR 扩增子的下一代测序来评估 gusA 编辑效率。94 个 T 0 转基因株系的靶序列图谱显示，这些株系是由未经编辑的细胞再生而来的，随后进行了编辑，并在再生期间或之后在这些株系中产生了嵌合编辑细胞。其中两个株系的 42 bp 核苷酸对的靶片段被去除。详细分析表明，在 4.3% 和 77.7% 的 T 0 转基因株系中分别发现了 AtU6-gRNA1 位点和 AtU3-gRNA2 位点的靶突变。为了解决 T 0 株系中编辑效率极低的问题，我们从嵌合株系进行了第二轮芽诱导，以提高获得所有或大多数细胞都经过编辑的株系的成功率。 T 0 转基因系中的突变谱为理解利用组成型表达的 CRISPR-Cas9 和 gRNA 进行植物细胞中的基因编辑提供了宝贵的信息。
LbCas12a-D156R 有效编辑 LOB1 效应结合元件，以产生抗溃疡病的柑橘植物
摘要：由柑橘黄单胞菌（Xcc）引起的柑橘溃疡病是全球大多数柑橘产区的重要经济病害。Xcc 分泌一种转录激活因子样效应物 (TALE) PthA4，与溃疡病易感基因 LOB1 启动子区的效应物结合元件 (EBE) 结合，激活其表达，从而引起溃疡症状。利用 Cas9/gRNA 编辑 EBE 区域已用于生成抗溃疡病的柑橘植株。然而，生成的大多数 EBE 编辑株系含有 1–2 bp 的插入/缺失，这更有可能通过 PthA4 适应来克服。TALE 的适应能力与与 EBE 的错配数量呈负相关。已知 LbCas12a/crRNA 产生的缺失比 Cas9 更长。在本研究中，我们使用了一种耐高温且更高效的 LbCas12a 变体 (ttLbCas12a)，该变体含有单个替换 D156R，用于修改 LOB1 的 EBE 区域。我们首先构建了 GFP-p1380N-ttLbCas12a:LOBP，经证实，该变体在柚子 (Citrus maxima) 叶片中通过 Xcc 促进的农杆菌渗滤而发挥功能。随后，我们在柚子中稳定表达了 ttLbCas12a:LOBP。生成了八个转基因株系，其中七个株系显示 EBE 的 100% 突变，其中一个株系是纯合的。EBE 编辑株系具有高达 10 bp 的 ttLbCas12a 介导的缺失。重要的是，这七个株系具有抗溃疡病性，并且未检测到脱靶。综上所述，ttLbCas12a 可有效利用来生成具有短缺失的双等位基因/纯合柑橘突变系，从而为柑橘的功能研究和育种提供有用的工具。
补充图1
补充图 1 | ERD7 转基因拟南芥突变株系的生成和表征。（A）根据 TAIR 提供的信息，描绘了拟南芥 ERD7 ORF (AT2G17840.1) 的插图，左侧为 5' 端。标示了 ERD7 基因外显子（框）和内含子（线）以及在相应的单拷贝、T 3 纯合 erd7-1 和 erd7-2 突变株系中针对 CRISPR/Cas9 基因组编辑的 T-DNA 插入和 sgRNA 区域的相对位置。还显示了 (C) 中用于基因分型和 RT-PCR 分析的引物对的相对位置。 (B) 野生型和 erd7-2 突变株系中 ERD7 基因和蛋白质的核苷酸和推导多肽序列的比较，表明 ERD7 基因（和相应的转录本）中预期有 1711 个核苷酸缺失，导致 erd7-2 突变株系中编码蛋白质有 398 个氨基酸缺失。ERD7 野生型和 erd7-2 突变体 DNA 序列中 CRISPR/Cas9 原间隔区相邻基序带下划线。使用 ClustalO 算法 (ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo) (Madeira et al., 2019) 对野生型和突变型 ERD7 蛋白质的推导氨基酸序列进行比对。(C) erd7-1 和 erd7-2 突变株系的 PCR 和 RT-PCR 分析。图中显示的是从 15 天大的 WT、erd7-1 和 erd7-2 植物的莲座叶中提取的 gDNA 的 PCR 分析（上图）和 mRNA 的 RT-PCR 分析（下图），并使用所示引物对进行评估；引物对的位置参见 (A)。有关用于生成和表征两个 erd7 突变系的所有引物序列，另请参阅补充表 1。通过 DNA 凝胶电泳和溴化乙锭染色分析 PCR 产物和 RT-PCR 产物。注意，在两个突变系中均不存在分别对应于 ERD7 基因和 ERD7 表达（即转录本）的 PCR 和 RT-PCR 产物，而 erd7-1 突变体中存在 T-DNA，这与预期一致。拟南芥 TUB4 用作内源对照。
通过农杆菌介导的基因转移获得的编辑植物的分子表征综合方法
摘要 农杆菌介导的基因转移——实际上是基因改造植物最常用的方法——可能导致植物基因组中整合多个 T-DNA 拷贝，以及形成由改造细胞和野生型细胞组成的嵌合组织。因此，对转化株系进行分子表征是一种很好的做法，可以选出最好的株系进行进一步研究。如今，有几种定量和半定量技术可用于估计转基因植物中 T-DNA 的拷贝数 (CN)。在本研究中，我们比较了基于 (1) 实时聚合酶链式反应 (qPCR)、(2) 液滴数字 PCR (ddPCR) 和 (3) 下一代测序 (NGS) 的三种方法，对葡萄编辑株系进行分子表征。这些株系含有通过 CRISPR/Cas9 技术获得的敲除突变，该突变与植物对两种重要的葡萄霉菌病的易感性有关。根据我们的结果，qPCR 和 ddPCR 的输出在准确性方面基本一致，尤其是对于低 CN 值，而 ddPCR 的结果比 qPCR 更精确。关于 NGS 分析，用这种方法检测到的 CN 通常与 qPCR 和 ddPCR 计算的 CN 不一致，并且 NGS 无法区分十个品系中的三个的整合点。尽管如此，NGS 方法可以肯定地识别 T-DNA 截断或串联/倒置重复的存在，从而提供有关转基因整合资产的独特和相关信息。此外，Cas9 和单向导 RNA (sgRNA) 的表达分析以及靶位点的测序增加了与 CN 数据相关的新信息。这项工作通过报告葡萄编辑品系的实际案例研究，探讨了最先进的诊断技术在早期选择合适的转基因材料方面的优缺点。结果可能对开发新转基因品系的科学家和负责转基因控制的实验室都感兴趣。
通过 CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑改善水芹 (Lepidium campestre) 的脂肪酸组成
野生种田芥（Lepidium campestre）有潜力成为适合北欧气候的新型覆盖作物和油籽作物。然而，由于多不饱和脂肪酸 (PUFA) 和芥酸 (C22:1) 含量高，其种子油目前不适合大多数食品、饲料和工业应用。由于这些不良脂肪酸的生物合成受一些众所周知的主要显性基因控制，因此使用 CRISPR/Cas9 敲除这些基因将更有效地提高种子油的质量。为了提高所需油酸 (C18:1) 的含量，并降低 PUFA 和 C22:1 的含量，我们利用基于原生质体的 CRISPR/Cas9 基因敲除系统，针对三个重要基因脂肪酸延长酶 1 ( FAE1 )、脂肪酸去饱和酶 2 ( FAD2 ) 和还原油酸去饱和酶 1 (ROD1 )。通过敲除 FAE1 ，我们获得了一个几乎没有 C22:1 的突变株系，但 C18:1 增加到 30%，而野生型为 13%。敲除 ROD1 导致 C18:1 增加到 23%，PUFA 含量中等但显著降低。 FAD2 的敲除与杂合 FAE1fae1 基因型相结合，产生了突变株系，其 C18:1 含量高达 66%，PUFA 含量极低，C22:1 显著降低。我们的研究结果清楚地表明，CRISPR/Cas9 具有快速改良水芹性状的潜力，这将加快其驯化过程。本研究产生的突变株系可用于进一步育种，以将水芹培育成可行的作物。
研究菥蓂、菥蓂的种子大小和含油量
莨菪是一种耐寒的覆盖作物，在秋季玉米收获和春季大豆种植之间提供生态系统服务，例如减少土壤侵蚀和养分流失。与传统的覆盖作物不同，田间莨菪在晚春产出成熟的油籽，使农民一年内可以收获两种经济作物。野生莨菪品系已被证明可产出 >1,000 千克/公顷 1 。莨菪种子平均含油 33%（按重量计算），油是一种极好的生物燃料原料。然而，尽管有这些环境和经济效益，莨菪目前受到种子小（1 毫克/粒）的限制，这可能会使种子的种植、收获和处理变得复杂。增加种子大小也会提高油提取效率。除了改进种子大小外，增加种子中的油含量也会提高种植和加工莨菪作为生物燃料原料的经济效益。我们收集了代表北美、欧洲和西亚遗传多样性的野生荠菜种质 2 。通过表征这些种质的种子大小和含油量，我们可以鉴定出有用的改良变种。在美国农业部国家油脂研究所的资助下，我们之前开发了几种 EMS 诱导的荠菜突变株系，这些突变株系表现出关键的驯化性状，如种荚破碎减少、开花提早和脂肪酸谱改善 3 。我们还通过生成种子油中芥酸含量无法检测到的荠菜株系，开发并展示了荠菜农杆菌介导的植物转化和 CRISPR-Cas9 基因组编辑的效用 4 。利用这些最近开发的技术和种质，我们的目标是鉴定和表征可提高荠菜作为生物燃料原料物种的效率和效用，并使种子更易于生产者处理的性状。最后，我们会将这些性状渗入我们的优良育种株系，以开发出油量和种子产量更高的新型荠菜品种。为了实现这些目标，我们编制了一个包含 319 个基因型（267 个冬季型和 52 个春季型个体）的葎草关联作图面板。该面板种植在圣路易斯。
Zaxinone 合酶控制水稻丛枝菌根定植水平
据称，水稻类胡萝卜素裂解双加氧酶 OsZAS 可产生一种促进植物生长的脱辅基类胡萝卜素——扎西酮。zas 突变株系表现出丛枝菌根 (AM) 定植减少，但这种行为背后的机制尚不清楚。在这里，我们研究了 OsZAS 和外源扎西酮处理如何调节菌根形成。微摩尔外源供应扎西酮可挽救根部生长，但无法修复 zas 突变株的菌根缺陷，甚至可降低野生型和 zas 基因型的菌根形成。在接种 AM 真菌后 7 天，zas 株系的独脚金内酯 (SL) 水平并未像野生型植物那样出现增加。此外，用合成的 SL 类似物 GR24 进行外源处理可挽救 zas 突变菌根表型，表明 zas 较低的 AM 定殖率是由相互作用早期阶段 SL 缺乏引起的，并表明在此阶段需要 OsZAS 活性来诱导 SL 产生，这可能是由 Dwarf14-Like (D14L) 信号通路介导的。OsZAS 在含丛枝细胞中表达，OsPT11-prom::OsZAS 转基因株系（其中 OsZAS 表达由在丛枝细胞中活跃的 OsPT11 启动子驱动）与野生型相比表现出更高的菌根化。总的来说，我们的结果表明，在植物体内对 OsZAS 活性进行基因操作会对 AM 共生产生与外源 zaxinone 处理不同的影响，并证明 OsZAS 影响 AM 定植的程度，充当涉及 SL 的调控网络的组成部分。
GRUSP 是一种通用应激蛋白，参与赤霉素依赖的拟南芥开花诱导
摘要 — 研究了 T-DNA 插入拟南芥 At3g58450 基因（该基因编码与发芽相关的通用应激蛋白 (GRUSP)）的 3'-UTR 区域的影响。研究发现，在长日照条件下，该突变会延迟 grusp-115 转基因株系的开花转变，这是因为与野生型植物 (Col-0) 相比，内源生物活性赤霉素 GA1 和 GA3 的含量降低。外源 GA 加速了这两个株系的开花，但没有改变 Col-0 和 grusp-115 之间开花开始时间的差异。除了 GA 代谢的变化之外，grusp-115 显然在诱导开花信号的实现方面存在干扰。开花整合因子 FLOWERING LOCUS T ( FT ) 和开花抑制因子 FLOWERING LOCUS C ( FLC ) 的基因表达结果证实了这一点，它们是关键的开花调节因子，作用相反。我们假设，由于 FLC 表达上调，FT 表达水平较低也会影响 grusp-115 表型的形成。
利用 CRISPR 敲除八氢番茄红素去饱和酶基因
在新型植物育种技术 (NPBT) 中，CRISPR/Cas9 系统是用于靶基因编辑的有用工具，可快速改良植物的性状。该技术允许同时靶向一个或多个序列，以及通过同源定向重组引入新的遗传变异。然而，CRISPR/Cas9 技术对于某些多倍体木本植物来说仍然是一个挑战，因为必须同时靶向需要突变的所有不同等位基因。在这项工作中，我们描述了改进的方案，使用农杆菌介导的转化将 CRISPR/Cas9 系统应用于高丛蓝莓 (Vaccinium corymbosum L.)。作为概念验证，我们靶向编码八氢番茄红素去饱和酶的基因，该基因的突变会破坏叶绿素的生物合成，从而可以直观评估敲除效率。离体培养的蓝莓 cv. 的叶片外植体。 Berkeley 已用 CRISPR/Cas9 构建体进行转化，该构建体包含两个针对 pds 两个保守基因区域的向导 RNA（gRNA1 和 gRNA2），随后在富含卡那霉素的选择培养基中维持。在选择培养基中培养 4 周后，分离出卡那霉素抗性株系，并通过 Sanger 测序对这些株系进行基因分型，结果显示基因编辑成功。一些突变株系包括白化表型，即使两种 gRNA 的编辑效率都很低，gRNA1 的编辑效率在 2.1% 到 9.6% 之间，gRNA2 的编辑效率在 3.0% 到 23.8% 之间。这里我们展示了一种非常有效的高丛蓝莓商业品种“伯克利”的不定芽再生协议，以及在 Vaccinium corymbosum L. 中使用 CRISPR/Cas9 系统的进一步改进，为通过生物技术方法介导的育种开辟了道路。
构建CRISPR/CAS9载体沉默番茄CIF1基因 Dao Quang Ha 1, Nguyen Thi Bich Ngoc 1, Huynh Thi Thu Hue 1,2* 1 研究所
收到日期：2021 年 11 月 8 日 番茄 ( Solanum lycopersicum ) 是一种营养丰富的食物，含有各种次生化合物，对健康有很大益处。番茄果实的糖含量部分是通过调节和分解果实和发育过程中的蔗糖来控制的。细胞壁转化酶 (CWI) 将蔗糖水解成单糖并将其运输到细胞质中，这意味着番茄的糖含量受 CWI 调控。同时，由于这种基因抑制是由 CIF1 基因的产物诱导的，因此 CIF1 基因的失活可能会增强番茄中的糖合成。目前，CRISPR/Cas9 系统是一种最先进的技术，在基因编辑方面具有广泛的应用和高精度。在本研究中，设计了适合 CIF1 基因的 gRNA 来构建表达构建体。将 pRGEB31-CIF1G2 质粒中的该表达系统引入到 DH10B 大肠杆菌菌株中。随后，携带该表达系统的载体成功转移到EHA105农杆菌菌株中。进一步地，含有载体pRGEB31-CIF1G2的农杆菌株系可用于在基因编辑的Tiny-Tim番茄株系中产生所需性状。