中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (6): 1023-1033.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.06.001
雷建峰1(), 尤扬子2, 张锦恩2, 代培红2, 于莉2, 杜正阳1, 李月2, 刘晓东2(
)
收稿日期:
2023-09-04
接受日期:
2023-11-03
出版日期:
2024-03-16
发布日期:
2024-03-25
通信作者:
联系方式:
雷建峰,E-mail:kyleijianfeng@163.com。
基金资助:
LEI JianFeng1(), YOU YangZi2, ZHANG JinEn2, DAI PeiHong2, YU Li2, DU ZhengYang1, LI Yue2, LIU XiaoDong2(
)
Received:
2023-09-04
Accepted:
2023-11-03
Published:
2024-03-16
Online:
2024-03-25
摘要:
【目的】 AGL16是棉花MADS-box基因家族中一个重要的转录负调控因子,在抵御干旱和盐胁迫过程中发挥着重要作用。利用病毒介导的基因编辑技术(virus-induced gene editing,VIGE)筛选靶向敲除棉花GhAGL16的sgRNAs,并验证这些sgRNAs的特异性,为定向创制棉花agl16突变体奠定重要基础。【方法】 根据在棉花YZ-1中A亚组和D亚组上实际克隆GhAGL16的基因组序列,预测了3个能靶向敲除GhAGL16的sgRNAs;基于棉花叶皱缩病毒(cotton leaf crumple virus,CLCrV)介导的VIGE系统,构建3个CLCrV-AtU6-26::GhAGL16-sgRNAs表达载体;利用qPCR检测Cas9超表达(Cas9 over-expression,Cas9-OE)植株中Cas9的表达量,确定Cas9是否稳定遗传表达;将3个CLCrV-AtU6-26::GhAGL16-sgRNAs表达载体分别转化Cas9-OE棉花子叶,并通过PCR/RE方法检测3个靶点的突变情况;利用生物信息学方法分析3个GhAGL16-sgRNAs的二级结构;对突变植株进行Hi-TOM高通量测序,明确基因编辑效率。同时,对转化GhAGL16-sgRNA2的突变植株进行脱靶率鉴定,检测基因编辑的特异性。【结果】 成功构建了3个能同时靶向敲除GhAGL16-A亚组和GhAGL16-D亚组序列的sgRNAs。对不同Cas9-OE植株中Cas9表达量检测结果表明,Cas9在不同Cas9-OE棉株中稳定表达。用3个CLCrV-AtU6-26::GhAGL16-sgRNAs表达载体转化Cas9-OE棉花子叶,PCR/RE突变检测结果表明,GhAGL16-sgRNA2可有效用于GhAGL16的靶向敲除,在棉花A亚组和D亚组靶位点上出现了不同碱基缺失的突变类型,而GhAGL16-sgRNA1和GhAGL16-sgRNA3是2个无效sgRNA。3个GhAGL16-sgRNAs的二级结构分析结果表明,GhAGL16-sgRNA1和GhAGL16-sgRNA3可能存在引导序列容易与其他序列发生配对并且不易解链的现象,干扰了引导序列对目标位点的识别,导致sgRNA无效。进一步量化GhAGL16-sgRNA2对GhAGL16的编辑效率,对每一株转化CLCrV-AtU6-26::GhAGL16-sgRNA2的Cas9-OE植株突变检测结果表明,在转化的9株Cas9-OE植株中有6株发生了突变,突变效率为66.67%。此外,Hi-TOM高通量测序结果表明,GhAGL16-sgRNA2对GhAGL16的编辑效率为13.69%—54.42%。脱靶率鉴定结果表明,预测的4个潜在脱靶位点都没有发现脱靶现象,说明GhAGL16-sgRNA2不仅具有高效的基因编辑效率,而且具有专一的基因编辑特异性。【结论】 利用CLCrV介导的VIGE系统转化Cas9-OE棉花筛选获得1个能高效敲除GhAGL16的sgRNA,为定向创制棉花agl16突变体提供了理想的sgRNA。
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表1
本研究中使用的引物序列"
引物Primer | 序列Sequence (5′-3′) | 目的Destination |
---|---|---|
GhAGL16-sgRNA1F | GATTGCTACGATTTCGCTAGCACC | 构建AtU6-26::GhAGL16-sgRNA1 Construction of AtU6-26::GhAGL16-sgRNA1 |
GhAGL16-sgRNA1R | AAACGGTGCTAGCGAAATCGTAGC | |
GhAGL16-sgRNA2F | GATTGCTGCTGTGGCTGGCTTAGC | 构建AtU6-26::GhAGL16-sgRNA2 Construction of AtU6-26::GhAGL16-sgRNA2 |
GhAGL16-sgRNA2R | AAACGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
GhAGL16-sgRNA3F | GATTGGTAAAAGATTTACAGAATT | 构建AtU6-26::GhAGL16-sgRNA3 Construction of AtU6-26::GhAGL16-sgRNA3 |
GhAGL16-sgRNA3R | AAACAATTCTGTAAATCTTTTACC | |
M1-GhAGL16F | AAATAACCTCCATTGCATTTCTCTT | PCR扩增涵盖GhAGL16靶位点1区域(509 bp) PCR amplification contains the GhAGL16 gene target site 1 region (509 bp) |
M1-GhAGL16R | CAACATTTTACCGTCACATTTAATC | |
M2-GhAGL16F | TCCGTATGAAGAAGGTTTGAAAATT | PCR扩增涵盖 GhAGL16靶位点2区域(797 bp) PCR amplification contains the GhAGL16 gene target site 2 region (797 bp) |
M2-GhAGL16R | GAGAAGCATAACTTTTGGAACC | |
M3-GhAGL16F | CCATATAAATCACTATATCAAACGTG | PCR扩增涵盖 GhAGL16靶位点3区域(682 bp) PCR amplification contains the GhAGL16 gene target site 3 region (682 bp) |
M3-GhAGL16R | ATTTTCAAACCTTCTTCATACGGA | |
HiT-GhAGL16F | GGAGTGAGTACGGTGTGCCAAGGGATGTCAATGGTGCA | 高通量测序检测GhAGL16编辑效率 Detection of GhAGL16 gene editing efficiency by high-throughput sequencing |
HiT-GhAGL16R | GAGTTGGATGCTGGATGGTGGAGATCAGTTTGTGGCAA | |
Q-GhUBQ7F | GAAGGCATTCCACCTGACCAAC | PCR扩增GhUBQ7部分片段 PCR amplification of partial fragments of GhUBQ7 gene |
Q-GhUBQ7R | CTTGACCTTCTTCTTCTTGTGCTTG | |
Q-Cas9F | GTCATTACGGACGAGTACAAG | qPCR分析Cas9 mRNA表达量 qPCR analysis of Cas9 mRNA expression |
Q-Cas9R | AGGTAGCAGATCCGATTCTTT | |
Gh_A06G030400-F | GGAGTGAGTACGGTGTGCGAACTTTCTGGATTGGGTGTAA | 高通量测序检测Gh_A06G030400 Detection of Gh_A06G030400 gene by high-throughput sequencing |
Gh_A06G030400-R | GAGTTGGATGCTGGATGGATTGCAGTCCCAAGTTTGTAG | |
Gh_A06G081500-F | GGAGTGAGTACGGTGTGCGCCAATCCAAATATGTCCAGC | 高通量测序检测Gh_A06G081500 Detection of Gh_A06G081500 gene by high-throughput sequencing |
Gh_A06G081500-R | GAGTTGGATGCTGGATGGTTAGCCACACCGTCTTCCA | |
Gh_A08G005400-F | GGAGTGAGTACGGTGTGCTTACTTCCAGAGCAGACAC | 高通量测序检测Gh_A08G005400 Detection of Gh_A08G005400 gene by high-throughput sequencing |
Gh_A08G005400-R | GAGTTGGATGCTGGATGGGCATATGGTCGACTTAGCA | |
Gh_A09G158200-F | GGAGTGAGTACGGTGTGCAGTGGTGCAAAAGGGGAG | 高通量测序检测Gh_A09G158200 Detection of Gh_A09G158200 gene by high-throughput sequencing |
Gh_A09G158200-R | GAGTTGGATGCTGGATGGCTTAATGAGATAGTTGCTGGC |
表2
GhAGL16突变效率分析"
基因组<BOLD>G</BOLD>enome | 植株编号 Plant number | 样本读取数量 No. of sample reads | 突变比例 Mutation ratio (%) | 突变类型 Mutation type | 突变序列 Mutations in the sequence | 突变位点(sgRNA2) Mutation site (sgRNA2, 5′-3′) |
---|---|---|---|---|---|---|
A亚组 Subgroup A | WT | 403 | 100 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC |
#2 | 584 | 87.29 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
39 | 5.83 | 2D | CT | CCAG- -AAGCCAGCCACAGCAGC | ||
25 | 3.74 | 2D | AA | CCAGCT- -GCCAGCCACAGCAGC | ||
21 | 3.14 | 1D | A | CCAGCT-AGCCAGCCACAGCAGC | ||
#6 | 921 | 79.60 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
127 | 10.98 | 2D | CT | CCAG- -AAGCCAGCCACAGCAGC | ||
71 | 6.14 | 1D | A | CCAGCT-AGCCAGCCACAGCAGC | ||
38 | 3.28 | 4D | AAGC | CCAGCT- - - -CAGCCACAGCAGC | ||
#7 | 569 | 90.61 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
59 | 9.39 | 2D | CT | CCAG- -AAGCCAGCCACAGCAGC | ||
#8 | 485 | 84.79 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
59 | 10.31 | SNP | A<G | CCAGCTAGGCCAGCCACAGCAGC | ||
28 | 4.90 | 3D | AAG | CCAGCT- - -CCAGCCACAGCAGC | ||
#9 | 412 | 91.76 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
37 | 8.24 | 2D | CT | CCAG- -AAGCCAGCCACAGCAGC | ||
D亚组 Subgroup D | WT | 531 | 100 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC |
#4 | 500 | 96.71 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
17 | 3.29 | 3D | AAG | CCAGCT- - -CCAGCCACAGCAGC | ||
#6 | 64 | 65.98 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
18 | 18.56 | 2D | CT | CCAG- -AAGCCAGCCACAGCAGC | ||
15 | 15.46 | 5D | AAGCC | CCAGCT- - - - -AGCCACAGCAGC | ||
#8 | 408 | 86.99 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
61 | 13.01 | 1D | A | CCAGCT-AGCCAGCCACAGCAGC | ||
#9 | 434 | 94.55 | WT | - | CCAGCTAAGCCAGCCACAGCAGC | |
25 | 5.45 | 1D | A | CCAGCT-AGCCAGCCACAGCAGC |
表3
潜在脱靶点的检测与分析"
潜在脱靶位点的序列 Sequence of the putative off-target site (5′-3′) | 匹配碱基数量(包括PAM) No. of matching bases (include PAM) | 基因 Gene | 区域 Region | 样本读取数量 No. of sample reads | 检测脱靶数量 No. of off-target events |
---|---|---|---|---|---|
GTTGCTGTGGCTGGCACAGCTGG | 20 | Gh_A06G030400 | CDS | 976 | 0 |
GCTGCTGTGACTGGCATTGATGG | 19 | Gh_A06G081500 | CDS | 965 | 0 |
GCTGCTGTGGCTGTTCAAGCTGG | 19 | Gh_A08G005400 | CDS | 1021 | 0 |
GCTGCTGCTGCTGGCTATGCAGG | 18 | Gh_A09G158200 | CDS | 855 | 0 |
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