基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术研究进展及其在植物中的应用

CRISPR/Cas9技术是利用RNA靶向引导Cas9核酸酶对基因组中的目标基因进行编辑的生物技术。近年来, 该技术的多种新型基因编辑器更新迅猛, 编辑效果愈加精细和高效, 在作物定向分子设计育种中展现出巨大的应用前景。该文对CRISPR/Cas9及其相关编辑器的技术原理、编辑效果和应用情况进行综述, 并探讨了该技术在应用中面临的问题、应对措施和发展前景, 旨在为相关领域的科研工作者提供参考。     

水稻黄绿叶调控基因YGL18的克隆与功能解析

叶色突变体往往伴随着叶绿素含量变化及叶绿体结构异常, 是研究叶绿体发育与光合作用相关基因功能的重要材料。该研究通过甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻(Oryza sativa subsp. indica)品种华占(HZ)获得黄绿叶突变体, 将其命名为ygl18 (yellow-green leaf 18)。与野生型相比, 黄绿叶突变体ygl18自三叶期起叶片开始变黄且程度不断加深, 同时伴随着光合速率与叶绿素含量下降, 且结实率、千粒重及有效穗数均显著降低。透射电镜观察结果显示, ygl18的叶绿体结构紊乱, 基质片层疏松, 发育受到抑制, 与叶片出现黄绿色表型一致。遗传分析表明, ygl18突变性状受1对隐性等位核基因控制, 这对等位基因位于水稻第3号染色体长臂标记InDel2和InDel3之间115.2 kb范围内。进一步研究发现该突变体表型是编码铁氧还蛋白FdC2的基因LOC_Os03g48040的5'UTR发生突变所致。通过CRISPR转基因实验验证了该基因对表型的控制作用。研究结果揭示了叶色调控网络的遗传基础, 可为今后选育高光效水稻品种提供新线索。     

天童山阔叶木本植物叶片大小与叶脉密度及单位叶脉长度细胞壁干质量的关系

叶片大小是植物生态策略中的一个关键性状, 而叶脉是叶内主要的支撑和输导结构, 对叶片的生长发育具有重要的影响。该研究以天童山38种阔叶木本植物为研究对象, 以叶片面积、干质量和周长表征叶片大小, 采用标准化主轴估计(SMA)方法和系统发育独立比较(PIC)分析主脉密度、细脉密度和总叶脉密度, 以及各级叶脉单位长度的细胞壁干质量与叶片大小之间的关系, 拟从叶片内部结构和资源分配策略的角度探明叶片大小与叶脉结构之间的变化关系及生态学意义。研究结果显示: (1)叶片大小与主脉密度极显著负相关, 细脉密度以及总叶脉密度与叶片大小关系不显著, 表明叶片越小, 主脉密度越高, 而细脉密度与叶片大小无关; (2)单位主脉长度的细胞壁干质量与叶片大小极显著正相关, 单位细脉和总叶脉长度的细胞壁干质量与叶片大小的相关性均不显著, 表明随着叶片的增大, 单位主脉长度的细胞壁干质量显著增加, 而细脉的细胞壁干质量与叶片大小无关; (3)主脉密度与单位主脉长度的细胞壁干质量之间是斜率显著大于-1的负异速生长关系, 表明主脉密度随单位主脉长度的细胞壁干质量增加而显著下降, 两者之间存在权衡关系, 而单位细脉长度的细胞壁干质量与细脉密度关系不显著。上述结果表明, 与大叶片相比, 小叶中通常具有较高的主脉密度, 这不仅是叶片发育过程中叶形变化调控的结果, 也是单位叶脉长度的细胞壁干质量调控的结果, 单位叶脉长度的细胞壁干质量是导致叶片大小与主、细脉密度之间不同变化关系的直接因素。该研究结果为我们理解全球范围内叶片大小变化的生物地理分布模式以及植物对环境的适应策略提供了参考。     

色素生物合成相关PigE基因的缺失对紫色红曲霉Mp-21黄色素种类和产量的影响

红曲色素（MPs）是红曲霉次生代谢过程中产生的具有多种生物活性的天然色素,广泛应用于食品、化妆品和保健品行业。[目的]本研究从紫色红曲霉Mp-21中克隆了一个红曲色素产生相关PigE基因,并对其功能进行了鉴定。[方法]利用同源重组原理对PigE基因进行敲除,从表型、显微结构、生长速率、红曲色素、桔霉素等方面分析基因缺失前后的生物学特征变化。[结果]PigE基因的缺失主要导致黄色素产量的提高和种类的增多。与野生型Mp-21菌株以产生红色素为主的色素混合物相比,△PigE丧失了产生红色素的能力,并且新产生了至少5种新的黄色素。△PigE液体发酵13 d后,红曲色素的总色价达到了3548.2 U/g,约为野生型Mp-21菌株的4.82倍;而△PigE桔霉素的产量没有显著变化,但产生的时间延迟。[结论]PigE基因的缺失可能阻断了黄色素向橙色素的转化途径,使△PigE更趋向于黄色素的形成。由于红色素的形成需要较复杂的条件,如培养基中的氨基酸和适宜的pH值等,△PigE更倾向于先合成黄色素,丧失了产生红色素的能力。本研究为高产黄色素基因工程红曲霉菌株的构建提供了一种可能的途径。     

班氏跳小蜂对新寄主资源的寄生适合度

【目的】班氏跳小蜂Aenasius bambawalei是扶桑绵粉蚧Phenacoccus solenopsis的伴迁性天敌,迄今已知该寄生蜂只能寄生扶桑绵粉蚧,但是我们发现该寄生蜂还能成功寄生另一种外来有害生物——石蒜绵粉蚧P. solani。本研究旨在明确班氏跳小蜂对该新寄主资源的寄生适合度,为今后充分开发、利用该寄生蜂提供科学依据。【方法】在实验室条件下,以马铃薯Solanum tuberosum块茎作为粉蚧的寄主植物,测定了班氏跳小蜂对不同龄期石蒜绵粉蚧的寄生适合度,并在非选择条件下测定了上述两种寄主上僵蚧形成时间以及该寄生蜂羽化时间、寿命、后足胫节长度、寄生率、羽化率及子代性比。【结果】班氏跳小蜂可寄生石蒜绵粉蚧的雌成虫及2龄和3龄若虫,但只有寄生雌成虫才能正常羽化出蜂。分别以石蒜绵粉蚧与扶桑绵粉蚧为寄主时,最适合的蜂蚧比分别为2∶15和2∶20。不同寄主对僵蚧形成时间及班氏跳小蜂的羽化时间无显著影响,但显著影响班氏跳小蜂的寿命以及雌蜂后足胫节长度,尤其是扶桑绵粉蚧上羽化的寄生蜂的寿命比以石蒜绵粉蚧上的长约20 d。而且,班氏跳小蜂对扶桑绵粉蚧的寄生率(54.0%)显著高于对石蒜绵粉蚧的(25.3%),但班氏跳小蜂在这两种寄主上的羽化率均在90%以上,差异不显著;寄生扶桑绵粉蚧的雌蜂比例高于寄生石蒜绵粉蚧的雌蜂比例。【结论】班氏跳小蜂能寄生石蒜绵粉蚧,且只在雌成虫上完成世代发育;与在更适寄主扶桑绵粉蚧上比较,石蒜绵粉蚧上羽化的班氏跳小蜂在寿命及雌蜂个体大小上有劣势。     

一种简便的遗传转化技术在大麦中的应用

本文报导一种简便实效的以大麦的愈伤组织小细胞团做为受体,进行ＰＥＧ＋电击法的双重强化转化新途径,并对如何提高转化效率进行了探索。     

水稻蒸煮品质相关QTL定位及候选基因分析

挖掘与稻米蒸煮品质相关的数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)，分析候选基因，并通过遗传育种手段改良稻米蒸煮品质相关性状，可有效提升稻米的口感。以籼稻华占(Huazhan, HZ)、粳稻热研2号(Nekken2)及由其构建的120个重组自交系(recombinant inbred lines, RILs)群体为实验材料，测定成熟期稻米的糊化温度(gelatinization temperature, GT)、胶稠度(gel consistency, GC)和直链淀粉含量(amylose content, AC)。结合高密度分子遗传图谱进行QTL定位，共检测到26个与稻米蒸煮品质相关的QTLs (糊化温度相关位点1个、胶稠度相关位点13个、直链淀粉含量相关位点12个)，其中最高奇数的可能性(likelihood of odd, LOD)值达30.24。通过实时荧光定量PCR (quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR)分析定位区间内候选基因的表达量，发现6个基因在双亲间的表达量差异显著，推测LOC_Os04g20270和LOC_Os11g40100的高表达可能会极大地提高稻米的胶稠度，而LOC_Os01g04920和LOC_Os02g17500的高表达以及LOC_Os03g02650和LOC_Os05g25840的低表达有助于降低直链淀粉含量。这些结果为培育优质水稻新品种奠定了分子基础，并为揭示稻米蒸煮品质的分子调控机制提供了重要的遗传资源。     

中国樱桃CBF/DREB转录因子PpcCBF的克隆与表达分析

低温诱导中国樱桃(Prunus pseudocerasus)花芽休眠解除是一个非常复杂的过程。研究花芽响应低温的分子生物学机制将是揭示这一问题的关键。CBF/DREB转录因子在植物低温响应过程中发挥着重要作用。为此,本研究从"短柄"樱桃中克隆了一个CBF/DREB转录因子,命名为PpcC BF。生物信息学分析表明,Ppc CBF基因的开放阅读框为720 bp,编码239个氨基酸。Ppc CBF具有典型的CBF/DREB转录因子的结构特征,AP2结合域高度保守,聚类分析发现李属植物CBF/DREB转录因子亲缘关系较近。实时定量表达分析发现,Ppc CBF受低温诱导表达,且不依赖ABA。在花芽休眠解除过程中,随着低温积累而表达上调,休眠解除临界期之后下调表达,与花芽休眠解除具有极大相关性。     

种植Bt水稻后的土壤对赤子爱胜蚓生长发育及酶活性的影响

【背景】转基因作物种植的安全问题一直备受关注。关于Bt蛋白对地下非靶标生物影响的研究是转基因作物安全评价的重要内容。【方法】在转Bt基因水稻收割后的稻田里分别种植豌豆、紫云英和油菜作为后茬作物。分别于2013年1、3和6月3次采集不同后茬作物田中的土壤作为材料,于室内饲养赤子爱胜蚓,4周和7周后,测定蚯蚓的生长发育指标、存活率以及体内酶活性的变化情况。此外,还测定了不同深度土壤中Bt蛋白的含量以及用Bt蛋白直接饲喂的赤子爱胜蚓的存活率。【结果】与种植过非转基因水稻MH63的土壤相比,分别种植过含cry2A和cry1C基因水稻后的土壤对赤子爱胜蚓的生长发育、存活率及体内酶活性无显著影响。1月份和3月份转cry2A基因水稻田以及1月份转cry1C基因水稻田采集的表层土样中的Bt蛋白含量显著高于地下10 cm和地下20 cm土壤中的含量,地下2层土样中的Cry2A蛋白含量之间无差异。3月份转cry1C基因水稻田以及6月份转cry2A和转cry1C基因水稻田的土壤中Bt蛋白的含量均不受土壤深度的影响。种植的后茬作物对土壤中的Bt蛋白无显著消解作用。室内模拟土壤最高Bt蛋白浓度的条件下,Cry2A蛋白处理的蚯蚓存活率为96.7%,Cry1C蛋白处理的蚯蚓存活率为95.0%,两者与对照相比无显著差异。【结论与意义】转cry2A和cry1C基因Bt水稻的种植对蚯蚓的生长发育和体内酶活性无显著影响。本研究为转基因水稻的安全评价提供了一定的依据。     

杉木人工林冰雪灾害受灾和萌生情况调查及影响因子分析

以九龙山国家级自然保护区的主要公益林杉木人工林作为研究对象,选择具有代表性的受灾区域,自海拔700 m至900 m设置样地,共10块样地,总面积4 000 m2。分析其受2008年初严重冰雪灾害破坏及灾后萌生情况与胸径、树高、尖削度、海拔之间的关系。结果表明： 1）杉木人工林损害严重,其中断冠、断干植株比例较高,而掘根和冻死植株相对较少;杉木具有极强的萌生能力,以断冠杉木的萌生能力最强。2）不同胸径、树高、尖削度的杉木对于冰雪灾害的抵御能力及萌生能力存在一定差异,小径级矮小的个体受灾较重,易被冻死和掘根,大径级的较高个体受灾相对较轻,主要表现为断冠和断干危害,且不同径级下的受灾杉木上部萌生均占较大比例。3）杉木的抵御能力和萌生能力与海拔存在一定的关系,高海拔地区杉木受灾较重,而中海拔地区的杉木萌生能力相对较强。