CRISPR/Cas9技術編輯淀粉合成基因PUL

奉寶兵 魏祥進 焦桂愛 胡時開 鄔亞文 謝黎虹 圣忠華 邵高能 唐紹清

（中國水稻研究所/農業部水稻生物學與遺傳育種重點實驗室/水稻生物學國家重點實驗室，杭州310006；第一作者：tuopuyigou＠163.com；*通訊作者：sqtang＠126.com）

胚乳中淀粉的生物合成是通過一系列酶促反應轉變成淀粉的過程，因此ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase，ADP glucose pyrophosphorylase）、淀粉合成酶（SS,starch synthase）、淀粉分支酶（SBE，starch branching enzyme）和淀粉去分支酶（DBE，debranching enzyme）被稱為淀粉合成過程中的4類關鍵酶[1-4]。

DBE家族分為異淀粉酶亞家族ISA1、ISA2、ISA3和PUL普魯蘭酶。DBEs在淀粉的合成與降解中都具有重要作用[5-7]。在支鏈淀粉合成過程中，可以移除不合理分子的短鏈，并且將其連接到新鏈上，保證淀粉形成穩定的晶體結構；在種子萌發的過程中，可以特異性切割支鏈淀粉的α-1,6糖苷鍵，保證淀粉降解，促進種子發芽[8-9]。

前人對DBEs的異淀粉酶（isoamylase）研究報道很多，但對OsPUL的研究較少。FUJITA等[10]認為，OsPUL可以部分恢復isa1癟粒突變體的表型，并報道不同突變位點與千粒重（脫殼后）既有正相關也有負相關。FUJITA等鑒定了3種不同pul等位突變體e10、i16和EM1003。對千粒重分析發現，EM1003（啟動子上游1 266 bp處C替換了T）千粒重為22.42±0.29 g，比野生型（千粒重為 20.37±0.03 g）增加 10.06%；而e10（第 10個外顯子內突變）和i16（第16個內含子內突變）千粒重分別為 20.12±0.02 g和 19.00±0.03 g，與野生型相比略有下降。LI等[11]報道OsPUL是胚乳特異性表達基因，在開花后15 d相對表達量最高，認為在OsPUL的啟動子區存在GCN4、AACA和E2F等多個順式作用元件。

近幾年基因組編輯（Genome editing）育種迅速發展[12-13]，其主要優勢是不依賴隨機重組或雜交過程、可以精準誘變、易獲得純合突變。基因組編輯技術主要有三種人工核酸酶，分別是鋅指核酸酶（ZFNs）、TALE核酸酶（TALENs）以及CRISPR系統[14]。中科院遺傳所高彩霞課題用優化的Cas9蛋白對水稻OsBADH2、OsPDS和OsMPK2單個基因進行定點編輯，之后科研人員定點編輯了OsBadh2、OsGn1a、OsGT3、OsTGW6等重要的產量和品質相關基因[15-16]。

本研究用CRISPR/Cas9技術對調控稻米脫支酶基因OsPUL進行定點編輯，進一步探索OsPUL對淀粉合成和產量的關系，期望獲得具有重要育種價值的PUL等位變異，并為分子育種提供材料基礎和理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用水稻材料為粳稻品種中花11（Zhonghua 11，ZH11），以及以ZH11為轉基因受體的T0代植株、T0代植株自交后代T1植株等。所有轉基因材料單本移栽到轉基因安全圃，中耕除草，水肥管理和病蟲草害防治同大田管理。

表1 CRISPR所用引物

1.2 PUL編輯載體構建

根據CRISPR/Cas9的引物設計原理[17-18]，設計2個靶序列CRISPR-PUL-1和CRISPR-PUL-2（表1）。靶序列的引物退火成雙鏈后，與線性化的SK-gRNA/AarI（20～50 ng）連接，構建成中間載體gRNA::PUL1和gRNA::PUL2。然后，用一步法將 gRNA::PUL1、gRNA::PUL2和pC1300-Cas9等3個載體同時線性化，利用同尾酶具有相同的粘性末端的特性，將三者連接成pC1300-Cas9::PUL1-PUL2。CRISPR/Cas9相關載體SK-gRNA和pC1300-Cas9等由中國水稻研究所王克劍課題組饋贈。

1.3 轉基因陽性植株鑒定

將構建好的雙靶點pC1300-Cas9::PUL1-PUL2載體通過農桿菌EHA105介導轉化水稻品種ZH11成熟胚愈傷組織，T0代轉基因植株經過煉苗后單本移栽轉基因安全圃。分蘗期取葉片并編號，提取轉基因水稻基因組DNA。用潮霉素引物HptF/R（產物750 bp）和Cas9蛋白引物Cas9-Protein F/R（產物500bp）進行PCR擴增。

同時，根據靶位點序列特征設計CAPS標記，對PCR擴增產物用內切酶酶切鑒定（PCR-RE），能被切開成兩條帶，說明靶位點序列沒有發生突變，反之，則發生突變。此外，以ZH11和轉基因植株基因組DNA為模板，CK-PUL-F1/R1和CK-PUL-F2/R2為引物分別擴增PUL基因的2個靶位點，PCR產物測序結果用SnapGene 2.32軟件進行序列比對和峰圖分析，鑒定轉基因植株中PUL的基因型。

1.4 農藝性狀考察

在田間選擇同一小區里長勢一致，剔除邊行的植株，測定T1部分突變體的株高、穗長、劍葉長、劍葉寬，并計算這些植株的分蘗數、穗粒數、結實率。收種后烘干種子，去除癟粒，枝梗；隨機挑選飽滿的種子稱量千粒重，并用萬深考種儀考察粒長、粒寬、長寬比等粒形性狀。

1.5 稻米生理生化品質

對T0和T1兩代種子進行稻米品質以下生理指標檢測：總淀粉含量、直鏈淀粉含量、蛋白質含量、糊化溫度等，每個樣品測3次，取平均值進行統計分析。總淀粉含量測定采用分光光度計法，直鏈淀粉含量用Megazyme試劑盒（K-AMYL07/II）測定；蛋白質含量用近紅外透射光譜技術測定，實驗步驟參照孫成效的方法[3]。糊化溫度用差示掃描儀（DSC）測定，參照 Kweon M[19]的方法。

1.6 粒重和淀粉合成相關基因表達分析

取開花后12 d的種子，立即放入液氮中，然后轉入-80℃冰箱長期保存。選5粒冷凍種子進行RNA提取，參照Prescott和Marti的方法。用賽默飛公司的Nanodrop 2000檢測總RNA的純度和濃度，RNA質量合格后進行反轉錄。在Roche Light Cycle 480 Real-Time PCR儀上，以Ubiquitin作內參，用SYBR qPCR Mix配置反應體系，反應程序為：95℃ 30 s，95℃ 5 s/60℃ 10 s/72℃ 10 s（40 個循環），68℃ 10 min，10℃ 8 min。利用儀器自帶軟件進行分析，并用2-△△CT方法計算各基因的相對表達量和制作直方圖。

2 結果與分析

2.1 PUL基因編輯陽性植株鑒定

為了驗證PUL基因是否被成功敲除，我們首先利用CAPS引物對獲得的45株T0代轉基因植株進行PCR擴增及酶切檢測。從圖1可知，Psp1406I的酶切結果顯示，轉基因植株中靶位點2處有6株不能被限制酶切開，即發生突變，分別為 T0-3、T0-18、T0-21、T0-22、T0-32和T0-39。MunI酶切結果顯示，轉基因植株中靶位點1處有19株不能被限制酶切開，產生突變，分別為 T0-1、T0-3、T0-4、T0-7、T0-8、T0-11、T0-12、T0-15、T0-18、T0-21、T0-22、T0-25、T0-27、T0-32、T0-33、T0-36、T0-40、T0-43 和 T0-45（圖 2）。綜上所述，2 個靶位點處共有20株發生了基因編輯事件。

圖1 Psp1406I酶切靶位點2

圖2 MunI酶切驗證靶位點1

圖3 Sanger測序結果

PCR產物酶切結果可大致判斷靶位點處是否發生突變，卻不能準確判斷是純合突變還是雜合突變，以及突變類型。因此，我們對靶序列處的500 bp左右PCR產物進行測序鑒定突變類型。結果表明，T0代轉基因植株中靶位點1處有11株野生型、34株突變體，突變率為75.5%；靶位點2處有21株野生型、24株突變體，突變率為53.3%。我們對上述轉基因材料于成熟期單株收種，并對T0-1、T0-6、T0-11和T0-18共4個轉基因系進行遺傳分析。從圖3可知部分T1單株的突變類型主要以單堿基的插入和單堿基的缺失為主，并造成移碼突變導致氨基酸序列改變，從而影響蛋白質功能。

由考種數據可知T0-18的粒重極顯著增加（圖4 F），于是重點對T1-18的轉基因系進行遺傳分析，結果表明，敲除載體在T1-18后代中發生了分離（圖5）。此外，通過對T1-18的24個單株PUL 2個靶位點進行測序分析，發現目的基因的突變位點也發生了分離（表2）。并獲得了純合單株，2個靶位點都是純合突變用mu表示；2個靶位點存在1個雜合突變用H表示。因此，我們通過CRISPR/Cas9基因編輯技術對水稻淀粉脫支酶家族的普魯蘭基因進行編輯，獲得了pul的純合突變體，同時還獲得剔除載體骨架的遺傳材料2個，分別為T1-18-10和T1-18-21（圖5和表2）。

圖4 相關農藝性狀及PUL表達量

圖5 T1-18轉基因植株載體序列的分離

表2 T1-18轉基因植株PUL基因型的分離

2.2 產量相關性狀考察分析

為探明PUL基因突變后對產量相關性狀的影響，我們對T0代突變體和野生型ZH11進行產量性狀考察。

以轉基因系T0-18為代表進行詳細調查，在大田中可以看出T0-18的生育期比ZH11長，前者處于灌漿中期，后者處于灌前初期，生育期相差3～5 d，但是T0-18的株高和野生型沒有差異（圖4 A），RT-PCR結果表明，與野生型相比，T0-18植株中PUL基因的相對表達水平降低了17倍（圖4 B），從RNA水平上驗證了PUL基因被成功敲除。

圖6 稻米品質分析結果

表3 野生型和T0-18胚乳的糊化特性

圖7 T0-18的相關基因表達

RT-PCR結果表明，T0-18的PUL基因的相對表達水平，與野生型相比降低了17倍（圖4 D）；從RNA水平上驗證了PUL基因被成功敲除。轉基因系T0-18的千粒重與對照（ZH11）相比增加10.3%（圖4 F）。

粒形分析表明，T0-1、T0-6、T0-11和 T0-18株系的粒長都比ZH11增加，達到顯著差異，其中T0-18的粒長（6.39 mm）比 ZH11的粒長（5.88 mm）增加 8.6%（圖4 B、G）；T0-6和T0-18株系的粒寬與ZH11相比顯著提高，而T0-1和T0-11株系的粒寬與ZH11無顯著差異。T0-1和T0-18的長寬比均比野生型ZH11顯著增加（圖4 E、F、G）。此外，轉基因系T0-18的千粒重與野生型ZH11相比增加10.3%（圖4 F）。

2.3 稻米品質分析

普魯蘭酶主要功能是去除極限糊精中的α-1,6糖苷鍵，雖然普魯蘭酶的功能在玉米、水稻、小麥、擬南芥等植物中都證實有上述功能。但是，普魯蘭酶在水稻種子淀粉合成的報道還比較少。為了探討OsPUL敲除后對稻米品質的影響，我們檢測了總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉、蛋白質的相對含量（圖6）和糊化溫度。

相比野生型。T0轉基因系的淀粉含量降低，蛋白質含量極顯著增加（圖6），糊化溫度略低0.7℃～2.0℃（表3）。T0-11和T0-18比野生型的直鏈淀粉含量極顯著降低，其他達到顯著水平。相對而言，T0-1、T0-6、T0-11、T0-18比野生型的蛋白質含量都極顯著增加。

2.4 品質及粒形相關基因表達

進一步解釋敲除突變體的稻米品質變化，及粒形、粒重與野生型的差異，我們檢測了品質及粒形相關基因的相對表達量。結果表明，淀粉合成相關基因和粒重相關基因在T0-18種子中的相對表達量有升有降（圖7）。表達量增加的有淀粉合成酶1（SSI）、淀粉分支酶2（BE2），以及正向調控粒形和千粒重的絲氨酸羧肽酶編碼基因GS5[11，20]和正向調控粒長的Gl7[21]。而粒重負調控基因 GS3[16，22]和 GW8[23]的表達量都較低。

3 討論與結論

本文通過CRISPR/Cas9基因編輯技術獲得了PUL基因的不同等位變異植株，且獲得了剔除轉基因成分的純合突變株系，為進一步利用該基因進行水稻遺傳改良提供了重要材料基礎。

FUJITA等[10]認為，OsPUL可以部分恢復isa1癟粒突變體的表型，該基因還影響千粒重，此外OsPUL影響淀粉的晶體結構和淀粉含量。我們研究發現，OsPUL不僅調控淀粉合成，還影響儲藏蛋白的含量。以ZH11作對照，選4個代表性的T0代植株，檢測其淀粉、蛋白質和糊化溫度等稻米營養指標發現，T0-18的直鏈淀粉含量降低了18.70%，其蛋白質含量增加了22.02%，而OsPUL敲除后對稻米外觀品質無顯著差異（圖4 G）。

根據前人報道，在淀粉合成酶基因中，SSI有利于促進支鏈淀粉合成，而SSIIIa則促進支鏈淀粉和超長支鏈淀粉合成[8]。SSI表達量增加，SSIIIa表達量下降（圖7），可以從側面推測參與直鏈淀粉合成的酶減少，同時參與支鏈淀粉合成的酶增加，這與T0代稻米中直鏈淀粉含量降低的結果相佐證（圖6）。PUL屬于淀粉脫支酶（DBEs）家族基因，當pul功能缺失時，并沒有像同家族的isa1（亦稱sug1）突變體一樣導致種子干癟，而是形成稍許腹白，可能淀粉脫支酶家族的基因有功能冗余，ISA1可以彌補pul突變對支鏈淀粉合成的影響。

PUL基因編輯材料可能促進粒長增加，具有增產潛力。已有研究表明，GW8是具有SBP結構域的轉錄因子，可以與GL7的啟動子結合，抑制其表達[21]。根據T0-18株系中粒形相關基因表達分析發現，GW8表達量下降，可導致對GL7的抑制作用減弱，從而使得GL7的表達量升高，導致粒長、粒重增加。T0-18純合突變體千粒重增加，可能是光合產物增加，也可能是粒形粒重相關基因的表達量變化，促使千粒重增加。此外，千粒重的正調控基因GS5和GL7表達量升高，而粒形和粒重的負調控基因GW8和GS3表達量降低[16，22，24]，多個粒重相關基因形成復雜的調控網絡，共同作用促進了純合突變體的千粒重增加（圖7）。