园艺学报 ›› 2024, Vol. 51 ›› Issue (2): 253-265.doi: 10.16420/j.issn.0513-353x.2023-0782
杨亮1,2,3,4, 刘欢1,3,4, 马燕勤1,2,3,4, 李菊1,2,3,4, 王海娥1,4, 周玉洁1,3,4, 龙海成1,3,4, 苗明军1,2,3,4, 李志1,2,3,4,*(), 常伟2,3,4,5,*(
)
收稿日期:
2023-12-07
修回日期:
2024-01-06
出版日期:
2024-02-25
发布日期:
2024-02-26
通讯作者:
基金资助:
YANG Liang1,2,3,4, LIU Huan1,3,4, MA Yanqin1,2,3,4, LI Ju1,2,3,4, WANG Hai'e1,4, ZHOU Yujie1,3,4, LONG Haicheng1,3,4, MIAO Mingjun1,2,3,4, LI Zhi1,2,3,4,*(), CHANG Wei2,3,4,5,*(
)
Received:
2023-12-07
Revised:
2024-01-06
Published:
2024-02-25
Online:
2024-02-26
摘要:
以大果型栽培番茄资源“T048”为材料,利用CRISPR/Cas9技术对滞绿基因SlSGR1进行定向编辑。对19株转基因阳性株系进行靶位点序列分析发现,共有10株发生了编辑事件,编辑效率为52.6%。通过测序分析发现,编辑类型涉及碱基的缺失、插入及替换,多数发生在PAM序列上游3 ~ 4 bp碱基处,同时也发现了两个编辑位点间共565 bp的序列倒位。表型分析发现,T1代纯合编辑株系叶片衰老减缓,果实表现为铁锈色,且番茄红素、叶绿素及β-胡萝卜素含量显著提高。对类胡萝卜素合成关键基因进行分析发现,纯合编辑株系果实中的SGR1表达量显著降低,而PSY1表达量显著提高。结果表明,通过CRISPR/Cas9技术对滞绿基因SlSGR1进行定向编辑可有效提升番茄果实中番茄红素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素含量,进而为番茄营养品质育种提供新种质。
杨亮, 刘欢, 马燕勤, 李菊, 王海娥, 周玉洁, 龙海成, 苗明军, 李志, 常伟. 利用CRISPR/Cas9技术创制高番茄红素番茄新材料[J]. 园艺学报, 2024, 51(2): 253-265.
YANG Liang, LIU Huan, MA Yanqin, LI Ju, WANG Hai'e, ZHOU Yujie, LONG Haicheng, MIAO Mingjun, LI Zhi, CHANG Wei. Creating High Lycopene Fruit Using CRISPR/Cas9 Technology in Tomato[J]. Acta Horticulturae Sinica, 2024, 51(2): 253-265.
用途 Aim | 引物名称 Primer name | 引物序列(5′-3′) Primer sequence |
---|---|---|
载体构建Construction vector | SGR1-target1-F | ATATATGGTCTCGTTTGAGATGAAGTTGTTGCAGAGGTTTTAGAGCTAGAAATAG |
SGR1-target2-R | ATTATTGGTCTCGAAACCCAGTGAGTGTTATGCCTTCCAAACTACACTGTTAGATTC | |
阳性克隆验证Identification of the positive clones | M13-F | GTAAAACGACGGCCAGT |
SGR1-target2 | CCAGTGAGTGTTATGCCTT | |
转基因株验证Identification of the transformation plants | Cas9-F | AGGTCACGGTTAAGCAGCTC |
Cas9-R | CCCTTCTGCGTGGTCTGATT | |
靶位点检测 Detection target | SGR1-Seqtarget-F | GTTTGATTTGCAGTTGCAAGGTT |
SGR1-Seqtarget-R | AATGCTGCTTCCACAAACCC | |
Real-time PCR | SlACTIN-RT-F | GGGATGGAGAAGTTTGGTGGTGG |
SlACTIN-RT-R | CTTCGACCAAGGGATGGTGTAGC | |
SGR1-RT-F | GGGTCCACTCAGAGATGCAA | |
SGR1-RT-R | ACTCACTGGGGGAAAGCAAC | |
PDS-RT-F | AAGGCGCTGTCTTATCAGGAAA | |
PDS-RT-R | TAAACTACGCTTGCTTCCGACA | |
ZDS-RT-F | ACCGTACAACTACGCTACAATGG | |
ZDS-RT-R | CATCTGGCGTATAGAGGAGATTG | |
PSY1-RT-F | TATTTGCTGGAAGGGTGACC | |
PSY1-RT-R | TAGCTGAGCTCAATTCTGTC |
表1 本研究中所使用引物
Table 1 The primers used in this study
用途 Aim | 引物名称 Primer name | 引物序列(5′-3′) Primer sequence |
---|---|---|
载体构建Construction vector | SGR1-target1-F | ATATATGGTCTCGTTTGAGATGAAGTTGTTGCAGAGGTTTTAGAGCTAGAAATAG |
SGR1-target2-R | ATTATTGGTCTCGAAACCCAGTGAGTGTTATGCCTTCCAAACTACACTGTTAGATTC | |
阳性克隆验证Identification of the positive clones | M13-F | GTAAAACGACGGCCAGT |
SGR1-target2 | CCAGTGAGTGTTATGCCTT | |
转基因株验证Identification of the transformation plants | Cas9-F | AGGTCACGGTTAAGCAGCTC |
Cas9-R | CCCTTCTGCGTGGTCTGATT | |
靶位点检测 Detection target | SGR1-Seqtarget-F | GTTTGATTTGCAGTTGCAAGGTT |
SGR1-Seqtarget-R | AATGCTGCTTCCACAAACCC | |
Real-time PCR | SlACTIN-RT-F | GGGATGGAGAAGTTTGGTGGTGG |
SlACTIN-RT-R | CTTCGACCAAGGGATGGTGTAGC | |
SGR1-RT-F | GGGTCCACTCAGAGATGCAA | |
SGR1-RT-R | ACTCACTGGGGGAAAGCAAC | |
PDS-RT-F | AAGGCGCTGTCTTATCAGGAAA | |
PDS-RT-R | TAAACTACGCTTGCTTCCGACA | |
ZDS-RT-F | ACCGTACAACTACGCTACAATGG | |
ZDS-RT-R | CATCTGGCGTATAGAGGAGATTG | |
PSY1-RT-F | TATTTGCTGGAAGGGTGACC | |
PSY1-RT-R | TAGCTGAGCTCAATTCTGTC |
图2 番茄SlSGR1基因编辑T0代阳性株系鉴定 M:DL2000 DNA marker;1 ~ 26:生根株系样本;WT:野生型;+:阳性对照。
Fig. 2 Identification of positive transgenic lines in SlSGR1 edited T0 generation plants M:DL2000 DNA marker;1-26:Rooted plants;WT:Wild type;+:Positive control.
图4 番茄SlSGR1基因编辑T0代10个阳性株系突变序列分析 Ho:纯合突变;He:杂合突变;Bi:双等位突变;Ch:嵌合突变;WT:野生型;d:碱基缺失;i:碱基插入;s:碱基替换。
Fig. 4 Mutation sequence analysis of ten SlSGR1 edited T0 generation plants Ho:Homozygous mutation;He:Heterozygous mutation;Bi:Biallelic mutation;Ch:Chimeric mutation;WT:Wild type;d:Base deletion;i:Base insertion;s:Base substitution.
图5 番茄SlSGR1基因编辑株系(sgr1-4、sgr1-12和sgr1-22)的T1代无外源T-DNA纯合材料筛选(A)及靶位点序列分析(B)
Fig. 5 Screening of T1 exogenous T-DNA-free homozygous lines in SlSGR1 edited plants (sgr1-4, sgr1-12 and sgr1-22)(A)and sequence analysis of their target sites(B)
图6 番茄SlSGR1基因编辑株系(sgr1-4-10、sgr1-12-1和sgr1-22-12)叶片和果实的表型
Fig. 6 Phenotypes of leaves and fruits in SlSGR1 edited plants(sgr1-4-10,sgr1-12-1 and sgr1-22-12)
基因编辑株系 Genome editing plant | 番茄红素/(μg • g-1) Lycopene | 叶绿素/(μg • g-1) Chlorophyll | β-胡萝卜素/(μg • g-1) β-carotenoids | 抗坏血酸/(μg · g-1) Vitamin C | 可溶性固形物/% Soluble solids | |
---|---|---|---|---|---|---|
野生型Wild type | 53.70 ± 9.54 b | 4.28 ± 1.24 b | 38.44 ± 3.98 b | 251.64 ± 11.58 a | 4.77 ± 0.40 a | |
sgr1-4-10 | 73.21 ± 9.56 a | 29.60 ± 1.50 a | 53.32 ± 2.74 a | 246.43 ± 17.73 a | 5.13 ± 0.85 a | |
sgr1-22-12 | 75.08 ± 9.11 a | 37.20 ± 6.30 a | 59.71 ± 1.13 a | 254.73 ± 7.27 a | 4.87 ± 0.15 a |
表2 番茄SlSGR1基因编辑阳性株系的类胡萝卜素、叶绿素及营养品质
Table 2 Content of carotenoids,chlorophyll and nutritional quality traits in SlSGR1 edited plants
基因编辑株系 Genome editing plant | 番茄红素/(μg • g-1) Lycopene | 叶绿素/(μg • g-1) Chlorophyll | β-胡萝卜素/(μg • g-1) β-carotenoids | 抗坏血酸/(μg · g-1) Vitamin C | 可溶性固形物/% Soluble solids | |
---|---|---|---|---|---|---|
野生型Wild type | 53.70 ± 9.54 b | 4.28 ± 1.24 b | 38.44 ± 3.98 b | 251.64 ± 11.58 a | 4.77 ± 0.40 a | |
sgr1-4-10 | 73.21 ± 9.56 a | 29.60 ± 1.50 a | 53.32 ± 2.74 a | 246.43 ± 17.73 a | 5.13 ± 0.85 a | |
sgr1-22-12 | 75.08 ± 9.11 a | 37.20 ± 6.30 a | 59.71 ± 1.13 a | 254.73 ± 7.27 a | 4.87 ± 0.15 a |
图7 番茄SlSGR1基因编辑株系sgr1-4-10和sgr1-22-12果实类胡萝卜素合成途径关键基因的相对表达量 MG:绿熟期;Br:破色期;Br + 4:破色后4 d;Br + 10:破色后10 d。不同小写字母表示同一时期材料间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 7 Relative expression of key genes of carotenoid synthesis pathway in four fruit development stages of different genome editing tomato plants MG:Mature green stage;Br:Break stage;Br + 4:Four days after break stage;Br + 10:Ten days after break stage.Columns with different lowercase letters indicate significant differences among lines in the same stage(P < 0.05).
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