基于CRISPR/Cas9技术的粳稻耐盐性以及产量性状改良

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水稻(Oryza sativa L.)是世界上主要的粮食作物之一,全球有一半以上的人口以稻米为主食。盐胁迫是制约水稻生长发育的重要环境因素,高浓度的盐胁迫会阻碍水稻的生长和水分利用,造成水稻大幅度减产。近年来,我国盐渍土总面积正在呈现逐渐扩大的趋势,因此,提升水稻耐盐性,提高水稻产量对我国粮食安全具有重要意义。Os DST、Os EIL1和Os EIL2是水稻中的转录因子,前人研究表明,这三个基因突变会导致水稻的耐盐性提升,此外,Os DST基因突变还会使水稻产量提升。CRISPR/Cas9技术可以在水稻基因组中实现快速定点突变,在水稻遗传改良中被广泛应用。本研究以粳稻品种东农427为试验材料,利用CRISPR/Cas9技术,构建两个转化载体分别对Os DST以及Os EIL1和Os EIL2基因进行敲除,通过农杆菌介导法遗传转化体系,以及转基因检测和突变检测的方法,成功获得了耐盐性提升和产量增加的突变体材料。研究结果如下:1.构建载体CRISPR/Cas9-DST敲除Os DST基因,CRISPR/Cas9-EIL1-2载体敲除Os EIL1和Os EIL2基因,利用农杆菌介导法将两个载体分别转化至受体材料东农427中。在T0代分别获得26株和25株阳性植株。2.设计特异性引物对转化两个载体的阳性植株进行PCR扩增测序。得到了21株Os DST基因突变体,其中,1株发生纯合突变(4.8%),6株发生杂合突变(28.6%),13株发生双等位突变(61.9%),1株发生嵌合突变(4.8%)。以及5株Os EIL1和Os EIL2基因突变体,其中,4株发生杂合突变(80%),1株发生双等位突变(20%)。T0代突变体的脱靶分析结果表明,21株Os DST基因突变体的6个潜在脱靶位点和5株Os EIL1、Os EIL2基因突变体的5个潜在脱靶位点均未发生脱靶效应。3.在T1代,将突变体dst-25、dst-17以及eil1/2-9种成株行,利用特异性引物在T1代继续筛选纯合突变体。利用Hyg-F/R和Cas9-F/R引物在纯合突变体中筛选出无T-DNA元件的突变体。经筛选,共获得了3种Os DST基因纯合突变且不含T-DNA元件插入的突变体,分别有12株、6株和5株,以及1种Os EIL1、Os EIL2基因纯合突变且不含T-DNA元件插入的突变体,有4株。将这些植株在T2代种植成株系,并分别命名为dst HM1、dst HM2、dst HM3和eil1-2HM。4.在T2代,水培法培养野生型和突变体幼苗。将培养至12天大的幼苗用200 m M的Na Cl溶液处理4天。处理后,所有突变体的长势均明显好于野生型,植株鲜干重下降比率以及地上部和地下部钠钾比均显著低于野生型。盐胁迫后进行恢复处理,5天后野生型大部分萎蔫死亡,而所有突变体仍具有较高的存活率,dst HM1、dst HM2和dst HM3突变体的存活率分别为84.33%、81.33%和85.00%,其野生型对照组的存活率为7.00%。eil1-2HM突变体的存活率为65.06%,其野生型对照组的存活率为3.03%。5.在成熟期对突变体的产量性状进行了调查,三个dst HM突变体的有效穗数、一次枝梗数、二次枝梗数、和单株产量均显著高于野生型。eil1-2HM突变体的产量性状与野生型无明显差异,这些结果表明,Os DST基因突变也可以提升水稻的产量,而Os EIL1和Os EIL2基因突变后不会影响水稻的产量性状。
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