東北地理所在利用基因編輯調(diào)控水稻抽穗期方面取得新進(jìn)展
水稻抽穗期是決定水稻種植的區(qū)域和季節(jié)適應(yīng)性的重要農(nóng)藝性狀。通過對抽穗期的調(diào)節(jié)，可以擴(kuò)大優(yōu)良品種的種植面積。調(diào)控水稻抽穗期基因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，目前認(rèn)為在水稻中存在2條相對保守的調(diào)控途徑（Hd1-Hd3a/RFT1）和（Ghd7-Ehd1-Hd3a/RFT1）。Ehd1通過調(diào)控成花素基因Hd3a和RFT1的表達(dá)來控制水稻開花，Ehd1作為開花途徑的核心因子，受多種因子調(diào)控，其中DTH3、OsMADS51、OsMADS56、Ehd2和Ehd4等正調(diào)控Ehd1，而Hd2、Hd4、Hd5、OsCOL4、OsCOL10和OsLFL1等通過抑制Ehd1來發(fā)揮功能。
CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)作為高效創(chuàng)造變異的手段，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)改良。東北地理所水稻分子育種學(xué)科組前期研究中通過對Hd2、Hd4和Hd5等開花抑制基因的基因編輯，高效的縮短水稻抽穗期。但是如何高效的延遲品種的抽穗期，還值得進(jìn)一步探索。理論上，可以通過減弱開花促進(jìn)因子或者增強(qiáng)開花抑制因子的功能來達(dá)到。但實(shí)踐上，直接對Ehd1、Hd3a和RFT1等開花促進(jìn)因子進(jìn)行基因編輯，會導(dǎo)致水稻極度晚花甚至不開花的現(xiàn)象，因此，該團(tuán)隊(duì)擬采取適當(dāng)增強(qiáng)開花抑制因子作用的手段，來達(dá)到適度延遲水稻開花的目的。
為了利用基因編輯手段提高靶基因的表達(dá)量，該團(tuán)隊(duì)擬對基因的上游開放閱讀框架(open reading frames, uORFs)進(jìn)行編輯。研究表明，uORFs可以抑制開放閱讀框架(primary ORFs, pORFs)的翻譯，通過編輯和突變這些uORFs可以達(dá)到提高pORFs的蛋白水平的目的。本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)Hd2是控制東北水稻開花最重要的抑制子之一，序列分析發(fā)現(xiàn)Hd2在5'UTR區(qū)域存在3個uORF，因此，該研究團(tuán)隊(duì)針對3個uORF分別設(shè)計3個靶位點(diǎn)進(jìn)行基因編輯，獲得了多種不同編輯類型，抽穗期統(tǒng)計結(jié)果顯示，突變體出現(xiàn)不同程度晚花（4.6天-11.2天），其中第一個uORF突變的晚花效果最明顯。突變體中，抽穗期基因Ehd1、Hd3a和RFT1的表達(dá)量都低于野生型，與其晚花表型一致。進(jìn)一步將Hd2 uORF與4種突變類型uorf插入到35S啟動子與LUC報告基因之間，瞬時轉(zhuǎn)化原生質(zhì)體，發(fā)現(xiàn)Hd2 uORF的突變與否并不影響報告基因LUC的轉(zhuǎn)錄水平，但是Hd2 uORF的插入顯著降低了LUC的熒光信號，而uorf的突變可以不同程度的恢復(fù)LUC的蛋白量，證實(shí)了Hd2 uORF的突變可以通過提高Hd2 pORF的翻譯達(dá)到增強(qiáng)Hd2功能的效果，從而實(shí)現(xiàn)不同程度延遲開花的目的，這表明對于Hd2 uORF的編輯突變可以作為未來微效改變水稻開花性狀的有效靶點(diǎn)。
東北地理所水稻分子育種學(xué)科組幾年來利用基因編輯技術(shù)改良水稻熟期、香味、直鏈淀粉含量及粒型等多個性狀，在Plant Biotechnology Journal, Journal of Genetics and Genomics, Rice Science等期刊發(fā)表多篇文章，本研究是該課題組在利用基因編輯技術(shù)改良水稻重要農(nóng)藝性狀方面的重要研究進(jìn)展。
該項(xiàng)研究以“Fine-tuning Flowering Time via Genome Editing of Upstream Open Reading Frames of Heading Date 2 in Rice”為題發(fā)表在Rice期刊 。東北林業(yè)大學(xué)客座研究生劉欣欣、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)劉化龍副教授和黑龍江大學(xué)客座研究生張?jiān)盀椴⒘姓撐牡谝蛔髡撸钚惴逯硌芯繂T和卜慶云研究員為論文通訊作者。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金和黑龍江省基金的資助。
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