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JIPB|中国农业科学院研究团队利用亚细胞定位揭示CRISPR/Cas9操纵小麦氮利用效率相关的ARE1直系同源物来提高产量潜力

作者:南京瑞源生物技术有限公司 浏览: 发表时间:2021-08-12 10:39:33

小麦是世界上超过 30% 的人口消费的主要粮食作物。氮肥已广泛应用于农业实践中,以提高小麦产量,以满足日益增长的粮食生产需求。然而,现代小麦品种氮肥施用不当和氮素利用效率(NUE)偏低,正在加剧环境污染和生态恶化。在水稻中,are1突变体在氮限制条件下具有增加的 NUE,延迟衰老并因此增加了谷物产量。然而,ARE1同源基因在小麦中的功能仍然未知。

中国农业科学院研究团队在JIPB发表了一篇名为“Increasing yield potential through manipulating of an ARE1 ortholog related to nitrogen use efficiency in wheat by CRISPR/Cas9”的文章揭示了CRISPR/Cas9操纵与小麦氮利用效率相关的ARE1直系同源物来提高产量。


基于三个TaARE1同源异型体和其他植物的全长推定氨基酸序列构建了系统发育树,系统发育分析表明TaARE1-A 、TaARE1-B 和TaARE1-D 与大麦中的一个HvARE1密切相关(图1B)。在小麦原生质体中瞬时表达时,TaARE1-A-YFP(黄色荧光蛋白)融合蛋白定位于叶绿体中,表明TaARE1-A是叶绿体定位蛋白(图1C)。

图1TaARE1的表征

接下来,我们选择了四个参与氮转运和同化的基因来评估这些基因在缺氮条件下突变系和野生型根中的表达模式。在这些基因中,TaAMT13b和TaNRT2.1分别是参与铵转运和硝酸盐转运的基因。胞质谷氨酰胺合成酶TaGS1.1调节氮同化和再动员。像其他植物一样,TaNADH-GOGAT在铵中起着重要作用。


将2周大的幼苗从含氮溶液(1.5 mM NH4NO3)转移到无氮溶液后,缺氮迅速诱导野生型和taare1突变系根中参与氮转运和同化的关键基因的表达(图5)。对于TaAMT13b,不同突变系表现出不同的表达模式。而TaAMT1的诱导表达;3b在野生型和aabbdd系中表现出相似的模式,并在1 h达到高峰,表达TaAMT1aabbdd系3b低于野生型(图5A)。尤其是aabbDD线的灵敏度最低,在TaAMT1中没有观察到大的波动;3b氮剥夺时的表达模式(图5A)。这些结果表明突变系对氮缺乏具有耐受性。


对于TaNRT2.1,其在野生型和aabbdd系中的表达水平从0.5 h开始迅速诱导,并在1 h达到高峰,其中野生型的表达水平低于aabbdd系(图5B)。aabbDD、aaBBdd和aabbDD突变系中TaNRT2.1的表达谱在0.5 h开始诱导,并在2 h达到高峰,而AABBdd突变系的表达水平相对较低。此外,值得注意的是,TaAMT1的表达;在氮剥夺时,aaBBdd系中的3b和TaNRT2.1表现出非常不同的特征,例如,在其诱导表达期间观察到两个峰(图5B)。这些结果表明,敲除一个或所有三个TaARE1同源异型体导致氮缺乏时硝酸盐转运比铵转运更活跃,并且不同的TaARE1同源异型体在这一功能上存在差异(图5A,5B)。


对于标签1;1个参与铵同化的基因,TaGS1的相对表达水平;1比野生型高得多(图5C)。TaGS1的表达;aabbdd三重零系中的1从1 h开始快速诱导并在2 h达到峰值,而aaBBdd、aabbDD和AABBdd突变系中的这些从2 h开始诱导并在3 h达到峰值(图5C)。这一结果意味着敲除一个、两个或所有三个TaARE1同源异型体会导致更活跃的铵同化。对于在氮再动员过程中参与铵同化的TaNADH-GOGAT,TaNADH-GOGAT在野生型和aabbdd系中的表达都是从1 h开始诱导并在2 h达到峰值,而其他突变系的表达在3 h达到峰值(图5D)。特别是,aabbDD突变系具有相对较高的表达水平,而AABBdd突变系具有最低的表达水平(图5D)。这一结果表明敲除TaARE1-D同源异型体显著改善了氮再动员过程中铵的同化作用。

图5氮缺乏时氮转运和同化相关基因的表达

总之,我们的结果强调了通过基因编辑来操纵ARE1直向同源物以培育高产小麦和其他具有改善 NUE 的谷类作物的潜力。

JIPB|中国农业科学院研究团队利用亚细胞定位揭示CRISPR/Cas9操纵小麦氮利用效率相关的ARE1直系同源物来提高产量潜力
小麦是世界上超过 30% 的人口消费的主要粮食作物。氮肥已广泛应用于农业实践中,以提高小麦产量,以满足日益增长的粮食生产需求。然而,现代小麦品种氮肥施用不当和氮素利用效率(NUE)偏低,正在加剧环境污染和生态恶化。在水稻中,are1突变体在氮限制条件下具有增加的 NUE,延迟衰老并因此增加了谷物产量。然而,ARE1同源基因在小麦中的功能仍然未知。
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