编辑ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因的串联DsRed荧光表达盒的CRISPR/Cas9系统的构建及验证

CCT家族基因影响植物开花,在玉米中,ZmCCT10、ZmCCT9基因是光周期敏感基因,ZmGhd7基因是与开花期相关的基因。利用CRISPR/Cas9技术靶向编辑ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因为研究基因的功能和快速改良玉米的开花期提供了可能。本研究以玉米ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因为编辑对象,以KN5585为稳定转化受体、以CML312SR、LCL-1、LCL-2为预改良的晚熟材料受体,首先通过Sanger测序验证了3个基因靶标区域在4份玉米材料中的保守性,其次根据sgRNA设计原则选择了1个sgRNA复合编辑3个基因,并利用同源重组方法构建了将由胚特异性启动子Zm3896驱动的DsRed表达盒和由ZmU6-2启动子驱动的sgRNA表达盒串联的CRISPR/Cas9基因编辑敲除载体CCT-CPD,然后采用酶切法和Sanger测序法分析T0代KN5585中3个基因的突变率和突变类型,验证了该系统的基因编辑效果,最后通过对稳定遗传转化植株所结籽粒在籽粒水平、组织水平进行DsRed荧光标记表型鉴定,验证了该系统中DsRed荧光筛选标记的有效性。在此基础上,通过杂交育种法以晚熟材料为母本、以T1代KN5585阳性株为父本获得F1并经过DsRed荧光筛选获得含有有效编辑转基因元件的晚熟材料。本研究构建的编辑ZmCCT10/ZmCCT9/ZmGhd7基因的串联DsRed荧光表达盒的CRISPR/Cas9系统为创制单基因突变体,双基因突变体,三基因突变体奠定了基础,该系统中DsRed荧光筛选标记的应用可以快速筛选区分有无转基因成分的玉米籽粒,成本低,鉴定效率高,具有大规模籽粒筛选的潜力,本研究为鉴定ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7三个基因的功能和创制玉米光周期钝感材料奠定了材料基础和高效的技术基础。

玉米ZmCCT10耐低氮功能研究

【目的】土壤氮素缺乏影响玉米的产量和品质,是中国玉米生产面临的重大问题。ZmCCT10编码转录因子,具有一因多效性,ZmCCT10是调控玉米生长发育和响应非生物胁迫重要的调节因子。解析玉米耐低氮的分子机制、聚合抗性基因,为培育耐低氮和氮高效玉米品种奠定基础。【方法】通过比较ZmCCT10近等基因系在低氮胁迫和完全营养水培条件下与耐低氮胁迫相关的性状,分析低氮胁迫后ZmCCT10的表达模式,选择ZmCCT10在近等基因系表达量差异最大的部位与时间点,进行转录组测序。发掘玉米ZmCCT10响应耐低氮反应的特征,探究其参与耐低氮反应的分子机制。【结果】在低氮胁迫条件下,ZmCCT10近等基因系Y331-ΔTE和Y331的根长性状、生物量、氮素生理指标显著差异。其中,ZmCCT10不带有转座子插入的单倍型Y331-ΔTE的总根长、主胚根长、侧根长均显著长于Y331;根干重、地上部干重、氮积累量、硝酸还原酶活性也显著高于Y331。在低氮胁迫后,ZmCCT10在根部和叶片的表达量均显著高于对照处理,且近等基因系间的表达量也具有显著差异,根部和叶片的表达模式也不同。胁迫处理3 h后,ZmCCT10在根部的表达量达到峰值,而在叶片的表达量随胁迫处理时间的增加而持续升高,在胁迫处理后6 h达到峰值。选取0.04 mmol·L^(-1)低氮胁迫处理3 h的根部样品进行转录组测序,生物学重复间的相关系数达0.9以上。GO富集分析表明,低氮胁迫后,参与胺化物合成过程和细胞氮化物代谢过程的基因在近等基因系间的表达量差异显著。结合差异基因的表达量和表达模式,筛选ZmCCT10调控参与玉米耐低氮反应的候选基因。经qRT-PCR验证,转录组测序获得的与耐低氮相关的ZmMPK5、ZmNS2等基因在近等基因系胁迫前后的表达量差异显著。【结论】ZmCCT10是一个以转录调控的方式参与玉米耐低氮反应的候选基因。

基因编辑快速改良玉米开花期研究

为获得早熟玉米种质,选择水稻光周期敏感基因Ghd7的同源基因ZmCCT10作为研究目标,利用基因编辑技术针对该基因的CDS区域进行敲除,获得相关材料后,选择其中表型较为明显的2种,进行生育期及植株表型等相关性状的数据调查与分析,发现敲除该基因后,在长日照的情况下,与野生型相比,编辑后的材料明显提前开花,并出现矮化等明显有利性状。ZmCCT10在玉米的开花调控网络中起抑制作用,敲除该基因可明显解除抑制。