大豆抗SMV等位基因的TALENs验证及抗病机理研究

How to verify the elite SMV resistance alleles discovered from soybean germplasms and what are the disease-resistant mechanisms of these alleles? These questions arise when the applier’s first NSF program is going to finish. The newly developed site-specific genome editing technology, TALENs, offers a new way to solve these questions. In this study, we will chose 2-3 SMV resistance alleles to construct the TALENs plant expression vector and to be transferred to soybean plants to edit the corresponding sites. To verify the function of the alleles, a bidirectional complementary test will be carried out. The resistant site in the resistant plant will be edited to susceptible style to test if the resistant ability of this plant will then be weakened. Whereas the susceptible site in the susceptible plant will be edited to resistant style to test if this plant will then show some resistant ability. The comparison of the targeted DNA sequence, gene expression profile, proteome, metabolome and SMV resistant ability of both TALENs transgenic plant and non-transgenic plant will then be carried out to study the resistant mechanisms of the alleles.

如何检验大豆资源中发掘的大豆花叶病毒（Soybean Mosaic Virus，SMV）抗性相关的优异等位基因，了解其抗病机理，是申请者青年科学基金项目开展中提出的新问题。新发展起来的TALENs（transcription activator-like effector nucleases）基因组定点剪辑技术为解决上述问题提供了理论和技术支撑。本研究将从青年项目中发现的大豆抗SMV等位基因中选择2-3个等位基因，设计相应的TALENs载体，通过农杆菌介导的大豆子叶节转化法，将感病材料的相应位点编辑成抗病型位点，检测感病材料的抗性是否提高；反之，将抗病材料的相应位点编辑成感病型位点，检测抗病材料的抗性是否下降，通过双向互补试验，达到验证抗性等位基因的目的。并比较转TALENs植株及受体植株在目标位点的DNA序列、基因表达、蛋白组、相关代谢产物及SMV抗性等差异，了解抗性等位基因的抗病机理。

大豆花叶病毒（soybean mosaic virus, SMV）病是全球大豆的主要病害之一。在我国，大豆花叶病毒病常导致大豆减产10-30%，危害严重年份减产可达70%。并且花叶病毒病常导致大豆籽粒斑驳并影响大豆籽粒质量。发掘及利用大豆资源中的抗病基因资源对于大豆抗花叶病毒病育种至关重要。本项目为青年-面上连续资助项目，在青年科学基金项目“大豆抗大豆花叶病毒等位基因的发掘和功能鉴定”（批准号：31000718）的基础上，建立了TALENs技术和CRISPR/Cas9技术体系，系统比较了TALENs技术和CRISPR/Cas9技术在大豆基因组编辑中的应用效率和效果，利用编辑效率更高的CRISPR/Cas9技术体系对大豆抗花叶病毒关键基因如大豆真核细胞翻译起始因子GmeIF4E和GmeIF(iso)4E基因，大豆异黄酮代谢途径中与大豆花叶病毒病抗性显著相关的GmF3H1，GmF3H2基因等，大豆磷高效相关基因GmACP1及GmPT1等进行了功能鉴定及利用研究，为关键基因的功能验证及抗病机理研究提供了有效手段，迄今已发表项目标注SCI论文超过7篇。本项目构建的CRISPR/Ca9载体已经提供给包括吉林大学，加拿大农业部伦敦研发中心等国内外十余家单位。本项目研究成果还参与获得了2017年神农中华农业科技奖一等奖“大豆花叶病毒病鉴定体系创建和抗病品种选育及应用”（本人证书编号KJ2017-R1-003-10）。