基于CRISPR/Cas9介导抗旱耐盐PagHyPRP1基因编辑杨树获得及抗性评价1

CRISPR/Cas9-mediated mutations of PagHyPRP1 improves drought and salt tolerance in poplar2

来源:中文会议(科协)
中文摘要英文摘要

[目的]由于干旱、半干旱和盐碱地区生态环境恶劣,植树造林和植被恢复困难,因此迫切需要创造抗逆林木新品种实现困难立地的栽培利用。[方法]本研究利用CRISPR/Cas9系统对模式树种 84K杨(Populus alba×P.glandulosa)根部主要表达的盐和干旱胁迫响应负调控因子富含脯氨酸蛋白等位基因PagHyPRP1(PagHyPRP1A和PagHyPRP1B)进行多位点基因组精准编辑。利用PCR产物测序和单克测序技术对编辑植株靶点进行编辑类型分析。通过氧化损伤水平、抗氧化和渗透调节能力对 4 种不同基因型编辑株系进行抗逆性评价,通过根系离子流速测定及根系离子转运相关基因表达分析解析编辑株系干旱和盐胁迫下ROS信号变化机制。[结果]共获得 9株(5种基因型)PagHyPRP1编辑植株,编辑效率高达60%,包括2个纯合、2个等位基因突变和 5个嵌合突变系。编辑位点编辑类型分析结果显示,靶点 1 bp的插入或 1-4 bp 有效导致PagHyPRP1A和PagHyPRP1B蛋白质编码序列的移码突变。对4个靶点突变率 1000%的编辑植株(等位突变:prp-1;纯合突变体:prp-2,prp-4;嵌合突变体:prp-6)进行组培无性扩繁后检测发现,缺失结构稳定,无性繁殖并没有发生新的突变,因此选用这 4个株系进行后续抗逆性评价。与野生 84K相比,编辑株系的PagHyPRP1的表达水平无论在正常生长条件下还是盐和干旱胁迫下均显著低于,过表达OE株系的PagHyPRP1 表达水平则相反,证实杨树PagHyPRP1 基因在干旱和盐碱胁迫下的负调控作用。在干旱和盐胁迫下,paghprp1 突变株系株高、茎径、茎重、根干重和根冠比显著增加,耐盐性和抗旱性显著增强。此外,与WT对照相比,paghyprp1 突变株系表现出更高的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性以及脯氨酸含量,更低的过氧化氢(H2O2)、超氧根离子(O2-)以及活性氧(ROS)的积累;较高的Na+外排(盐胁迫下)、Ca2+内流量(干旱胁迫下)和H+内流量,更少的K+外排,而OE株系表现出相反的结果。说明paghyprp1 突变株系可以通过提高POD、SOD等抗氧化酶活性、降低ROS、H2O2等活性氧的积累、减少细胞的膜质氧化程度、促进根系生长,同时维持根系Na+、K+、H+和Ca2+离子平衡,稳定根系渗透平衡,来提高编辑植物抗旱耐盐能力。[结论]本研究首次证实了杨树富含脯氨酸蛋白等位基因PagHyPRP1 为盐和干旱胁迫响应负调控因子基因,paghypp1 突变株系通过减少ROS积累、促进根系生长和维持根系离子稳态来提高耐旱性和耐盐性。本研究为林木抗逆性基因编辑提供了具有重要育种价值的候选基因,为应用CRISPR/Cas9系统创造林木突破性抗逆性新种质提供了经验证据和技术参考。

[Objective]Due to the adverse ecological environment in arid,semi-arid and saline-alkali areas,afforestation and vegetation restoration are difficult.It is urgent to create new varieties of stress-resistant trees to realize the cultivation and utilization of difficult sites.[Method]The CRISPR/Cas9 system was used for multilocus genome editing of PagHyPRP1(including alleles PagHyPRP1A and PagHyPRP1B),a negative regulator of salt and drought stress response in the important cultivated varieties Populus alba×P.glandulosa(84K poplar).PCR and single gram sequencing were used to analyze the editing type of editing targets.Oxidative damage level,antioxidant and osmoregulation capacity were measured in leaves to evaluate the tolerance to drought and salt stress of PagHyPRP1mutants.Key ion flux and related genes expression in roots were measured and analysed to investigate the ROS signalling alteration of the mutant in response to drought and salt stress.[Result]9 mutant plants with 5 genotypes were obtained with 60%mutation efficiency,including two homozygous,two allelic,and five chimeric mutant lines.1 bp insertion or 1-4 bp deletions that led to frameshift mutations were detected in mutants.The mutation type of four mutants(allelic mutant:prp-1;homozygous mutant:prp-2,prp-4;chimeric mutant:prp-6)with 100%mutation is stably,without the occurrence new mutations through asexual propagation,which were selected for drought and salt tolerance evaluation.Compared with 84K,the expression level of PagHyPRP1 in mutants was significantly lower under normal growth conditions,salt and drought stress,which was opposite in OEs,suggesting that PagHyPRP1 play the negative regulatory rol in poplar under drought and salt alkali stress.Under salt and drought stresses,the paghyprp1 mutant lines showed significantly increased plant height,stem diameter,stem weight,root dry weight and root to shoot ratio than the wild-type 84K poplar,with significantly enhanced salt and drought tolerance.In addition,the paghyprp1 mutant lines exhibited higher superoxide dismutase and peroxidase activities and proline content;lower accumulation of hydrogen peroxide,superoxide anions,and reactive oxygen species;higher Na+ efflux(under salt stress),Ca2+ influx(under drought stress)and H+ influx;and less K+ efflux,while the overexpression lines showed the opposite results.All above indicate that the paghyprp1 mutant lines had improved drought and salt tolerance by reducing ROS accumulation,promoting root growth and maintaining root ion homeostasis.[Conclusion]PagHyPRP1 was confirmed as a negative regulator of the salt and drought stress response in poplar,and the paghyprp1 mutant lines had improved drought and salt tolerance by reducing ROS accumulation,promoting root growth and maintaining root ion homeostasis.This study provides candidate genes with important breeding value for forest tree stress resistance gene editing and provides empirical evidence and technical reference for the application of CRISPR/Cas9 system to create new germplasm for breakthrough stress resistance in forest trees.

张伟溪;张腾倩;丁昌俊;胡赞民;范成明;张静;李政宏;沈乐;张冰玉;刘桂丰;苏晓华;

林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091##林木遗传育种国家重点实验室 东北林业大学 哈尔滨 150040;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;遗传与发育生物学研究所 中国科学院 北京 100101;遗传与发育生物学研究所 中国科学院 北京 100101;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;林木遗传育种国家重点实验室 东北林业大学 哈尔滨 150040;林木遗传育种国家重点实验室 国家林业和草原局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;

第八届中国林业学术大会

CRISPR/Cas9 杨树 HyPRP1 干旱胁迫 盐胁迫 ROS 离子流

CRISPR/Cas9 poplar HyPRP1 salt stress drought stress ROS ion flux

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