谷子基因组编辑技术体系的建立及在生物强化中的应用

Foxtail millet is rich in various health-promoting nutrients, which makes it an ideal model for nutrition-agriculture research. However, the fundamental research of foxtail millet is lagging. Aiming at improving the weak molecular biology of foxtail millet, we previously developed callus induction and regeneration system using mature embryo as explants in foxtail millet. Based on these, the project will develop a highly efficient genome editing system and apply it to foxtail millet biofortification. Firstly, a targeted mutagenesis system based on CRISPR/Cas9 DNA in foxtail millet can be established through introducing targeted mutation in uORF region of the gene that encoding the anti-colon cancer protein FMBP. Secondly, another genome editing system with higher biosafety in foxtail millet, which without any foreign DNA involved in the whole procedure, can be established by optimizing the method of delivering CRISPR/Cas9 RNPs into callus. Finally, mutants containing disrupted uORF in SiFMBP gene and new genetic resources with elevated anti-colon cancer protein FMBP can be created. This project will provide an effective tool for functional gene analysis and trait improvement in foxtail millet and have great guiding significance for nutrition fortification in other crops.

谷子富含多种健康营养物质，是营养型农业的理想模式作物，但是其基础研究却相对比较滞后。针对谷子营养价值丰富的特性以及分子生物学研究相对薄弱的现状，申请人前期建立了完善的谷子成熟胚离体再生体系。本项目拟在此基础上建立谷子高效的基因组编辑技术体系，并将其应用到谷子生物强化中。首先，通过CRISPR/Cas9靶向抗结肠癌蛋白FMBP编码基因的uORF区，在谷子中建立基于CRISPR/Cas9 DNA的基因组定点突变技术体系。其次，优化基因枪递送CRISPR/Cas9 RNPs进入胚性愈伤组织的方法，在谷子中建立全程无外源DNA，并具有更高生物安全性的基因组编辑技术体系。最后，创制SiFMBP基因uORF区的敲除突变体，获得抗结肠癌蛋白FMBP含量提升的谷子营养强化种质资源。本项目的实施将会为谷子基因功能的解析和性状改良提供有效工具，同时也对其他农作物的营养强化具有十分重要的指导意义。

基于CRISPR/Cas9的基因组编辑工具箱给农业和植物科学研究带来了革命性的变化。谷子富含多种健康营养物质，是营养型农业的理想模式作物，但是其基础研究却相对比较滞后。目前，亟需在谷子中建立高效的基因组编辑系统。本研究基本按计划执行，在执行过程中增加了单碱基编辑相关研究内容。本项目主要取得以下几个方面研究的研究进展：一、我们建立了高效的原生质体瞬时转化体系用于基因编辑效率检测和高效靶位点筛选；二、我们在谷子中建立了基于农杆菌的高效遗传转化体系，可以获得稳定的转基因植株；三、通过结合原生质体和农杆菌转化体系，我们成功利用CRISPR/Cas9靶向谷子生物强化和重要农艺性状相关的SiFMBP、SiDof4等基因，获得了具有育种潜力的谷子新种质；四、我们利用三种多基因编辑体系同时靶向四个农艺性状相关基因，获得了稳定遗传的多基因敲除突变体；五、基于上述体系，我们利用胞嘧啶碱基编辑器和腺嘌呤碱基编辑器，对SiALS和SiACC基因进行编辑，获得了纯合的抗除草剂突变植株。本研究所建立的技术体系可助力谷子功能基因组学和遗传改良的相关研究。